隧道是交通運(yùn)輸系統(tǒng)的組成部分，近些年隨著施工水平的不斷提高，隧道施工技術(shù)也取得較大進(jìn)步，本文主要探討大偏壓小凈距隧道施工方法。

　　《隧道建設(shè)》隧道技術(shù)科技雜志，雜志是隧道及地下工程領(lǐng)域?qū)嵺`性很強(qiáng)的技術(shù)類科技期刊。1981年創(chuàng)刊，由中鐵隧道集團(tuán)主管，中鐵隧道集團(tuán)科研所主辦，為國內(nèi)外公開發(fā)行刊物，國際統(tǒng)一刊號(hào)ISSN 1672-741X，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN 41-1355/U，自2013年改為月刊。

　　隧道施工的位移場分布規(guī)律主要取決于地質(zhì)條件，隧道論文認(rèn)為隧道位置和形狀等設(shè)計(jì)條件，不受施工方法影響，但隧道的施工方法會(huì)對(duì)位移量值大小產(chǎn)生顯著影響。

　　為了確定IV級(jí)圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，結(jié)合懷通高速公路隧道工程施工實(shí)例，考慮上下臺(tái)階與環(huán)形開挖留核心土法的3種不同組合下的施工方案，通過有限元軟件對(duì)IV級(jí)圍巖陡坡條件下小凈距隧道的不同施工方法進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)分析了隧道開挖對(duì)地表、圍巖等的擾動(dòng)效應(yīng)，主要包括地表、掌子面以及中夾巖柱區(qū)域的位移和應(yīng)力，確定了上下臺(tái)階法為IV級(jí)圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，分析成果可為類似條件下的小凈距隧道的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

　　1概述

　　目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)小凈距公路隧道已進(jìn)行了相關(guān)的研究，K.W.Lo[1]和ESoliman[2]等對(duì)于小凈距隧道施工過程中的受力模式及隧道之間的相互影響進(jìn)行了相應(yīng)的研究和探索;Tan[3]采用數(shù)值模擬的手段研究了小凈距隧道間距對(duì)地表位移和圍巖應(yīng)力的影響;近年來國內(nèi)許多學(xué)者[4-11]也對(duì)小凈距隧道的施工方法與順序、施工力學(xué)狀態(tài)、施工相互影響等方面進(jìn)行了研究，逐步積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果，但研究對(duì)象基本集中在無地形偏壓或地形偏壓坡度不大于30°的情況，對(duì)大于30°的偏壓情況下小凈距隧道的研究較少，但實(shí)際工程應(yīng)用難以避免遇到陡坡偏壓的情形，特別是懷通高速公路由于地形復(fù)雜、選線難度大，出現(xiàn)了幾座陡坡偏壓小凈距隧道，迫切需要通過相關(guān)研究降低其施工與運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。因此，本文擬通過數(shù)值模擬，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)相同條件下陡坡小凈距隧道的三種不同施工方法進(jìn)行對(duì)比分析，研究IV級(jí)圍巖條件下陡坡小凈距隧道的合理施工方法，以為本工程施工提供指導(dǎo)，并為以后類似工程提供設(shè)計(jì)與施工方面的借鑒。

　　2計(jì)數(shù)值模型與工況設(shè)計(jì)

　　2.1計(jì)算模型與參數(shù)

　　結(jié)合懷通高速公路隧道工程實(shí)例，建立隧道開挖三維模型。該工程為雙洞單向行車的雙車道小凈距隧道，隧道位于低山丘陵區(qū)，基巖主要為片麻巖，巖體破碎，構(gòu)造發(fā)育，隧道中部為IV級(jí)圍巖，偏壓較為嚴(yán)重，因此該隧道適合作為本研究的依托工程。整體及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，單洞開挖跨度13.14m，凈距8m，拱肩覆土厚度8m，地面坡度45°，陡坡條件，模型縱向深度100m。在ABAQUS模型中，圍巖采用一階三維實(shí)體縮減積分六面體單元C3D8R，噴射混凝土板采用縮減積分四節(jié)點(diǎn)殼單元S4R，錨桿采用桿單元T3D2。模型參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD70-2010)給出的巖質(zhì)圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)選取，混凝土的材料模型采用混凝土塑性損傷模型，初支混凝土材料彈性模型通過截面等效原則，將鋼拱架的彈性模量折算成混凝土的彈性模量計(jì)算公式(1)。E=Ec+Sg×Lg×EgSc×L(1)式(1)中:E為折算后初期支護(hù)的彈性模量，Ec為噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Sc為噴射混凝土截面積，Sg為鋼拱架截面積，Lg為鋼拱架翼緣長，L為鋼拱架間距。模型中錨桿長度為3.5m，錨桿縱橫間距0.5×1.0m，噴射混凝土厚度為0.25m。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料屬性見表1。

　　2.2工況設(shè)計(jì)

　　各施工工法橫斷面施工步流程圖以及開挖三維立體圖見表2。

　　3計(jì)算結(jié)果分析

　　3.1地表位移分析

　　對(duì)于陡坡小凈距隧道，地表位移是判斷圍巖與邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要標(biāo)志，地表位移控制往往是隧道建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，因此也是數(shù)值分析的重要指標(biāo)。地表位移分析選取初始開挖斷面上方的地表測線D1，沿隧道開挖方向先行洞拱頂上方地表測線D2和沿隧道開挖方向后行洞拱頂上方地表測線D3，如圖2所示。如圖3所示，由沉降曲線可知:3種施工方法下的地表沉降規(guī)律基本一致，最終的地表最大沉降均位于中夾巖柱中心線和淺埋洞拱頂正上方之間的位置，其最大地表沉降值有所差異。當(dāng)先行洞開挖至80m(后行洞開挖至40m)，采用上下臺(tái)階法、組合法和留核心土法開挖的最大地表沉降分別為8.2mm，7.7mm和7.2mm。圖4為先行洞開挖至80m時(shí)測線D2和D3的沉降曲線，在沿隧道開挖方向的地表的沉降最大值均出現(xiàn)在初始開挖斷面(橫坐標(biāo)的0m位置)的地表處，且相同橫坐標(biāo)下的先行洞上方的地表沉降值明顯大于后行洞。采用上下臺(tái)階法、組合法和留核心土法開挖的先行洞上方最大地表沉降分別為8.1mm，7.7mm和7.4mm，后行洞上方最大地表沉降分別為5.9mm，5.5mm和5.2mm。綜合上述沉降云圖和地表沉降曲線圖可知:留核心土法開挖對(duì)地表沉降控制效果最好，其次為組合法，而上下臺(tái)階法施工引起的地表沉降最大。但總體而言，IV圍巖下的3種施工方法造成的地表沉降差別并不大，均能滿足施工期間的地表沉降控制要求。

　　3.2掌子面擠出位移分析

　　圖5為隧道先行洞開挖至80m時(shí)，先行洞和后行洞的掌子面沿隧道開挖方向上的位移云圖，灰色區(qū)域?yàn)檎谱用鏀D出位移的區(qū)域。由圖可知，掌子面擠出主要發(fā)生在上臺(tái)階區(qū)域，而采用上下臺(tái)階開挖產(chǎn)生的掌子面擠出位移的區(qū)域范圍明顯要大于留核心土法，因?yàn)樯吓_(tái)階預(yù)留的核心土有效地“抵制”了掌子面的擠出趨勢。由于進(jìn)行下一步開挖時(shí)會(huì)挖出上一步已經(jīng)產(chǎn)生擠出位移的掌子面，所以每一步開挖都會(huì)產(chǎn)生新的掌子面，這就導(dǎo)致掌子面擠出位移并不像地表沉降一樣是各個(gè)開挖步的地表沉降的累加，而是每步開挖后重新產(chǎn)生的，所以掌子面擠出位移的量值并不大。從掌子面穩(wěn)定性看，留核心土法的掌子面擠出位移區(qū)域最小，控制效果最好，其次是組合法，上下臺(tái)階法對(duì)掌子面穩(wěn)定性最為不利。

　　3.3中夾巖柱特征點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)力分析

　　選取連接兩隧道起拱線位置的水平線L2上的監(jiān)測點(diǎn)A、B、C，分別位于深埋洞開挖面附近，巖柱中部以及淺埋洞開挖面附近，如圖6所示。中夾巖柱應(yīng)力分析點(diǎn)選取巖柱近深埋洞側(cè)A點(diǎn)、巖柱中部B點(diǎn)和巖柱近淺埋洞側(cè)C點(diǎn)(見圖6)。采用側(cè)壁導(dǎo)坑法、組合法和留核心土法開挖時(shí)，中間巖柱A、B、C處最大和最小主應(yīng)力見表3。根據(jù)圖7中的各點(diǎn)應(yīng)力分布情況，無論采用哪種施工方案，中夾巖柱靠近開挖面的位置(A、C點(diǎn))應(yīng)力均大于巖柱中間部位(B點(diǎn))，而深埋側(cè)A點(diǎn)的最小主應(yīng)力則顯著大于淺埋側(cè)C點(diǎn)，最大主應(yīng)力卻略小于C點(diǎn)，深埋側(cè)A點(diǎn)最大和最小應(yīng)力之差最大。從應(yīng)力值分析，中夾巖柱越靠近開挖面的位置受到施工擾動(dòng)越大;根據(jù)應(yīng)力差，中夾巖柱深埋側(cè)巖土體比淺埋側(cè)的更容易發(fā)生破壞。3種施工方法中，采用留核心土法施工的中夾巖柱的最大、最小主應(yīng)力和應(yīng)力差均要小于組合法和臺(tái)階法，所以留核心土法對(duì)于中夾巖柱的受力變形控制效果最好。

　　4結(jié)論

　　①結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，從各自的地表位移、掌子面擠出位移以及中夾巖柱特征點(diǎn)的應(yīng)力角度分析3種施工方法的優(yōu)劣，得出留核心土法優(yōu)于其它兩種方法，而組合法又優(yōu)于臺(tái)階法。③留核心土法相比于臺(tái)階法，預(yù)留的核心土有效抑制了掌子面的擠出位移，保證了掌子面的穩(wěn)定性，這是導(dǎo)致留核心土法施工造成的巖土體變形小于臺(tái)階法的根本原因。