复杂浅埋小净距隧道的围岩与结构物之间的相互作用机理尚未被充分认识, 影响参数的选择往往没有固定标准, 因此在施工设计中常采用经验类比法^[1]。目前关于小净距隧道类似的研究有:王刚等^[2]以京石线施工的不等高三连拱隧道为工程依托, 针对跨高不相等的特殊连拱隧道分析了其受力变形特点, 指出衬砌在围岩压力作用下, 衬砌结构整体有逆时针转动的趋势。I.Yamaguchi等^[3]依托工程现场实测数据, 重点研究了衬砌结构的弯矩及轴力变化规律, 得出为避免过大变形可采用超前导洞法施工的结论。姚勇等^[4]依托紫坪埔隧道工程实例, 对隧道衬砌内力及围岩压力进行监测, 指出后行洞开挖会对先行洞围岩及支护结构产生影响。赵玉翔^[5]采用FLAC3D数值模拟软件对双连拱隧道三导洞施工工法进行了围岩力学响应分析, 理清了位移场与应力场的变化趋势。文献[6-7]等用数值模拟和相似模型试验2种方法详细探讨了浅埋偏压隧道的受力机理, 得出围岩压力、衬砌结构内力等一系列变化趋势及机理特征。文献[8-9]等利用数值分析方法, 重点分析了隧道洞口初期支护和临时支撑拆除不同长度对围岩压力及衬砌结构的影响, 提出了适宜拆除长度。

目前, 对于单洞和小净距隧道的受力及变形影响分析成果较多, 而对于不等高程小净距隧道的研究成果较少。但由于现在许多施工单位对这种复杂隧道形式没有详细的施工技术要求, 且对其围岩特性认识不够, 易发生不规范施工, 从而留下安全隐患。故本文以某Ⅳ级围岩不等高程小净距隧道为例, 采用数值模拟的方法分析其不同拆撑步序对洞周位移、围岩最大主应力和衬砌结构轴力的影响趋势。

1) 模型中, 围岩采用莫尔-库仑本构模型, 用平面应变单元模拟;喷射混凝土和锚杆支护结构按线弹性材料计算, 其中喷射混凝土采用梁单元模拟, 锚杆采用植入式桁架模拟;由于二次衬砌是在隧道断面稳定后施加的, 距离开挖掌子面较远, 故本文不考虑二次衬砌。两洞周网格取0.8m, 围岩网格取2m。

2) 两洞围岩和衬砌结构力学性质、尺寸及施工方法相同, 围岩初始应力场仅考虑自重应力。

3) 在施工过程模拟时, 围岩应力释放率按40%, 30%, 30%分配, 分别对应于台阶开挖阶段、初支阶段、混凝土硬化阶段。

4) 为降低模型边界条件对计算结果产生不利影响, 计算域沿水平方向向两洞左、右两侧各取5倍洞宽, 从左隧道拱底竖直方向向下取62m, 向上取至地面, 左隧道拱顶至地面垂直距离为10.5m, 右隧道拱顶至左隧道拱顶的垂直距离约为6m, 两洞之间的净距约为11.5m, 隧道尺寸及施工阶段如图1所示。

模型中, 围岩为中风化花岗岩, 重度25k N/m³、弹性模量31.95GPa、泊松比0.25、黏聚力100k Pa、内摩擦角50°;边墙、临时支撑结构初支软喷和初支硬喷的重度均为22k N/m³、泊松比0.2, 边墙、临时支撑结构初支软喷的弹性模量为2.3GPa, 硬喷弹性模量为23GPa, 边墙厚度为0.3m, 临时支撑结构喷混凝土厚度为0.22m;边墙锚杆、支撑锚杆重度为78.5k N/m³、弹性模量200GPa、泊松比0.3, 边墙锚杆直径25mm, 支撑锚杆直径22mm。

模型结点太多, 故选用特征点分析不等高程小净距隧道在不同拆撑步序条件下的受力变形趋势, 如图2所示。

对左、右洞不同拆撑步序的影响分析中, 设定两洞同时开挖, 施工阶段布置如图1所示, 仅改变左、右导坑下台阶开挖掌子面距拆撑的阶段数来进行分析, 其6组模型左、右导坑下台阶掌子面距离拆撑步序间隔阶段分别为5阶段 (方案1) 、10阶段 (方案2) 、20阶段 (方案3) 、30阶段 (方案4) 、50阶段 (方案5) 、60阶段 (方案6) 。

由表1, 2中可知, 洞周竖向收敛值随拆撑阶段的增大而增大, 洞周水平收敛值随拆撑阶段的增大而减小, 但2个方向的收敛值均在拆撑30个阶段时趋于稳定。

由图3可知, 左、右洞成洞后, 右洞最大拉应力出现在拱顶特征点, 最大压应力出现在右墙角特征点, 其余特征点仅在右拱腰、右1/4拱底、左1/4拱底和左边墙特征点处的变化趋势相对较明显;左洞最大拉应力出现在拱底特征点, 最大压应力出现在左墙角特征点, 有明显变化趋势的特征点同右洞;此外, 由于左右洞高程差对左洞形成的偏压作用, 导致左洞的围岩应力发展程度明显大于右洞。现以拉压应力最大的特征点继续分析其围岩稳定特征。

由表3可知, 成洞后的围岩最大主应力在左、右导坑下台阶开挖掌子面距离拆撑步序间隔20个阶段后, 其特征点围岩最大主应力值均趋于稳定。右洞拱顶、左洞拱底及左洞左墙角特征点趋于稳定的围岩最大主应力值分别较方案1小0.02%, 2.11%, 1.18%, 右洞右墙角特征点趋于稳定的围岩最大主应力较方案1大0.10%。综上所述, 从控制围岩应力发展的角度来看, 在特定条件下, 临时支撑结构在距离左、右导坑下台阶开挖掌子面30个阶段及以上较为合理。

右洞轴力值整体随着不同支撑拆除步序的变化趋势很小, 仅在右洞右拱腰和左边墙特征点稍有明显变化趋势。左洞轴力值整体随着不同支撑拆除步序的变化趋势较右洞稍大, 在右拱腰、右1/4拱底、左拱脚、左边墙特征点处的变化趋势尤为突出。

1) 当在距离左、右导坑下台阶开挖掌子面20个阶段前拆除临时支撑时, 右洞右拱腰特征点的轴力值逐渐增大, 之后轴力值趋于稳定, 其轴力值较方案1减少10.24%;右洞左边墙特征点的轴力整体呈增大趋势, 在距离左、右导坑下台阶开挖掌子面20个阶段后拆除临时支撑时, 其轴力值趋于稳定, 稳定后的轴力值较方案1增大2.80%。

2) 左洞右拱腰特征点在距离左、右导坑下台阶开挖掌子面20个阶段后拆除临时支撑时, 其轴力值趋于稳定, 且较方案1的轴力值减小9.66%;左洞右1/4拱底特征点整体呈增大趋势, 在距离左、右导坑下台阶开挖掌子面20个阶段后拆除临时支撑时, 其值趋于稳定, 且较方案1的轴力值增大20.70%;左洞左拱脚、左洞左边墙特征点同样在距离左、右导坑下台阶开挖掌子面20个阶段后拆除临时支撑时, 轴力值趋于稳定, 稳定后的轴力值较方案1减小1.52%和增大18.86%。

综上所述, 从衬砌结构的轴力方面分析, 在本文特定条件下, 建议采用临时支撑结构拆除距左、右导坑下台阶开挖掌子面30个阶段及以上较为合理。

1) 从两洞周边位移、围岩最大主应力和衬砌结构轴力方面分析, 在特定条件下, 建议临时支撑结构拆除距左、右导坑下台阶开挖掌子面30个阶段以上时较为合理。

2) 在特定条件下, 左洞特征点所承受的围岩压力和衬砌压力整体比右洞大, 且不同拆撑步序对其围岩最大主应力和轴力的影响趋势也比右洞稍大。