六水钢市政隧道Ⅲ级围岩段施工方案比选研究

田 涛

(中国铁路成都局集团有限公司成都桥路大修段，四川成都 610081)

多年来，伴随着城市化发展和城市人口的增多，城市交通拥堵现象较多[1],大城市如此，中等城市亦有这种现象。为了改善人民的生活和工作条件，市政隧道已成为城市交通优选的方案之一。

贵州省六盘水市的六水钢市政隧道工程，为单向双车道，位于城区。在隧道施工过程中与既有建(构)筑物将造成相互影响，该拟建的市政隧道，下穿水钢煤场6号转运站的7号、8号运输廊道,以下简称廊道。隧道全长约973 m，两隧道相距7.5 m，为小净距市政隧道工程。

国内众多专家学者，近年来对小净距隧道十分关注，开展了大量的研究。如陈志荣等[2]以IV和V级围岩为例，研究了小净距隧道在不同净距和偏压下的围岩受力和变形；李勇华等[3]对超浅埋偏压小净距隧道的施工力学行为进行研究，认为浅埋偏压小净距隧道，先施工较浅一侧的洞室，可使衬砌结构所受的内力较小，采取灌浆可有效地减小衬砌结构所受的力；何勇华[1]以大断面小净距隧道施工对地表变电站的保护研究，取得了重要的成果；许德鹏等[4]开展了隧道洞口开挖对相邻道洞的数值分析，得出了隧道洞口开对已支护隧道洞口围岩影响较大的结论。

本文以贵州六盘水市花园路至水钢集团的六水钢小净距(间距7.5 m)市政隧道为工程依托，该拟建隧道工程地质条件较好，但周边关系较为复杂，容易出现施工安全等问题。为此，采用数值模拟方法对六水钢市政隧道Ⅲ级围岩段施工方案进行比选研究。供类似工程的设计和施工参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

拟建六水钢市政隧道为小净距(间距7.5 m)单向(双车道)单洞(净空：宽10.5 m，高7.1 m)，隧道全长约937 m，位于贵州省六盘水市花园路至水钢集团厂区之间。进洞口下穿贵昆铁路，在洞内K0+341.15 m处下穿在建六沾铁路，出口端与水钢煤场6#转运站的7#、8#皮带通廊(运输栈桥结构)异面空间交叉穿越。对Ⅲ级围岩段拟采用全断面开挖。

1.2 工程地质条件

工程场地土层为人工填筑土和坡残积层(Q4el+dl)红黏土，基岩为石炭系中统黄龙群组(C2hn)的白云质灰岩夹白云岩。岩质坚硬，节理裂隙较发育，岩体较破碎。各岩土层物理力学指标推荐值见表1[5]。

表1 各岩土层物理力学参数建议值[5]

2 数值模型分析[6]

本文针对新建六水钢小净距隧道(间距7.5 m)市政隧道，拟用全断面开挖，运用数值模拟方法分析不同工况对水钢煤场6#转运站7#、8#通廊时的影响程度。

2.1 基本假定

(1)计算采用平面应变模式的假定；

(2)隧道建成后，所处底层结构稳定，围岩应力、应变受控；

(3)围岩地应力在开挖时限内100 %释放完成；

(4)通廊的基础设计允许承载力为2.5 t/m2，在本次分析中转换成线荷载，即2.5 t/m作为作用在拟建隧道的最不利外荷载，不计入施工荷载。

2.2 分析步骤

2.2.1 确定影响范围

根据平纵资料及其出口端的横断面结合经典弹性力学的相关理论(影响范围为最小孔径d的3～5倍)，本次计算分析所确定的影响范围为：GK0+860～GK0+990，共计隧道纵向长度140 m，横向两侧隧道外侧各10 m，总计横向计算宽度为42 m。影响范围的平面见图1。

图1 影响范围的平面

2.2.2 计算特征断面的确定

测量资料提供了相关出口端的隧道横断面，即K0+900，K0+940和K0+960。本文确定以K0+900Ⅲ级围岩段作为本次分析的断面。左侧隧道地质剖面、Ⅲ级复合衬砌断面见图2、图3。

图2 左侧隧道地质剖面(单位：mm)

图3 Ⅲ级复合衬砌断面(单位:mm)

2.3 模型范围、约束条件及其外荷载

2.3.1 模拟范围

模型纵向长度为140 m，横向宽度为42 m；仰拱开挖线以下10 m。

2.3.2 约束条件

模型左右边界为x方向约束(即水平方向)，下边界为y方向约束，纵向边界为z方向约束，地表为自由面。

2.3.3 外荷载直接作用值

外荷载直接作用值见表2。

表2 外荷载直接作用值

2.4 模拟工况

本隧道是小净距隧道，隧道净间距7.5 m，全长约973 m，其中Ⅲ级围岩段拟用全断面开挖，可能对通廊的影响大。因此，本次分析重点以K0+900横断面为分析计算模拟的主要断面，并分以下两种工况：

(1)工况一：全断面开挖单向单侧(左)；

(2)工况二：全断面开挖双洞同向前、后错开。

2.5 计算结果与分析

2.5.1 工况一(方案一)

典型断面：k0+900断面。此断面位于Ⅲ级围岩地带，拟采用全断面开挖单向单侧(左)的方式，初期支护采用锚杆、挂网锚喷结合二衬[7]。

2.5.1.1 原始应力场

原始应力场就是在没有开挖前的地应力状态场，为开挖提供对比的对象。模型单元划分如图4所示，按照前面提供的参数，原始应力场计算结果如图5所示。

图4 模型单元划分

图5 原始应力场计算结果

2.5.1.2 等效应力及衬砌内力

工况一的隧道模拟开挖单元见图6，模拟开挖单元见图7。

图6 隧道开挖单元

图7 模拟开挖单元

隧道周边等效应力、喷射混凝土弯矩、喷射混凝土剪力、喷射混凝土轴力、二衬弯矩、二衬剪力、二衬轴力模拟计算结果见图8～图14。

图8 等效应力

图9 喷混凝土弯矩

图10 喷混凝土剪力

图11 喷混凝土轴力

图12 衬砌弯矩

工况一内力计算结果如表3。

2.5.1.3 计算结果分析

从图8～图14和表3看出：隧道开挖施工后，通廊基础及其隧道周围的围岩应力场发生较大变化，地应力释放较多。开挖对通廊有一定影响。

表3 工况一内力计算结果

图14 衬砌轴力

2.5.2 工况二(方案二)

典型断面：k0+900特征断面。此特征断面位于Ⅲ级围岩地带，拟采用全断面开挖双洞同向前、后错开的方式，初期支护采用锚杆、挂网锚喷结合二衬。

图13 衬砌剪力

2.5.2.1 等效力及衬砌内应力

单元模型网格、单元模型开挖网格，开挖岩体网格，反向施加节点力，如图15～图18。

图15 单元模型网格

图16 单元模型开挖后网格

图17 开挖岩体网格

图18 反向施加节点力

工况二的隧道周边等效应力、喷射混凝土弯矩、喷射混凝土剪力、喷射混凝土轴力、二衬弯矩、二衬剪力、二衬轴力模拟计算结果见图19～图25。

图19 围岩等效应力

图20 喷混凝土弯矩

图21 喷混凝土轴力

图22 喷混凝土剪力

图23 衬砌弯矩

图24 衬砌轴力

图25 衬砌剪力

工况二广义力计算结果如表4。

表4 工况二广义力计算结果

2.5.2.2 计算结果分析

从图19～图25和表4可以看出：

(1)右侧隧道开挖施工后，通廊基础及其隧道周围的围岩应力场[8]发生较大变化，地应力释放较多。开挖对通廊有影响；

(2)右侧隧道的开挖，对左侧提前开挖的隧道也有一定影响。地应力的释放产生应力的重新分布。

2.6 比选结果

由以上数值模拟计算结果可知：Ⅲ级围岩段采用全断面的单向单侧(左)开挖方式(工况一)，隧道开挖对通廊有一定影响；采用工况二，即全断面的双洞同向前、后错开的开挖方式，隧道开挖对通廊有影响，且右侧隧道的开挖对左侧已开挖的隧洞也有一定影响。

两种工况比选结果是，工况一优于工况二。因此，在Ⅲ级围岩段的开挖施工中，建议采用全断面开挖的单向单侧(左)开挖方式进行施工。

3 结论

本文采用模拟计算的方法对六水钢市政隧道下穿水钢煤场6#转运站7#、8#通廊的施工方案进行了比选研究，得出如下认识：

(1)通过对六水钢小净距市政隧道Ⅲ级围岩段K0+900断面的工况一和工况二进行数值模拟分析，结果表明，工况一优于工况二。因此建议采用全断面开挖的单向单侧(左)的方式对Ⅲ级围岩段进行施工。

(2)尽管全断面开挖对廊道有一定影响，但是隧道开挖和衬砌施工同步，其影响是可控的。在施工中对通廊变形进行监测，确保安全，并重视工程质量使其满足规范[9]要求。