不同掌子面間距非對稱小凈距隧道施工圍巖運移規律研究

邱 浩 劉 春* 李 萌 雷 暢

（重慶科技學院，重慶401331）

為舒緩城市交通運輸壓力，我國正在逐步完善現代城市綜合運輸體系，加快城軌交通線路建設，目前城軌交通線路主要以地鐵線路為主，占到各種軌道交通的80%左右[1]。在城市修建地鐵隧道不同于公路、鐵路隧道建設，其受限于地質環境和周圍地形環境等眾多復雜因素的影響，出現很多特殊的隧道結構設計形式，例如連拱隧道、分離式隧道、小凈距隧道等，為了滿足雙線停車、節省用地、增添景觀等設計要求，出現很多斷面不對稱的小凈距隧道，稱為非對稱小凈距隧道[2]。

小凈距隧道由于雙洞間距較小，施工過程中雙洞的相互擾動尤為明顯，就開挖順序而言，先行洞開挖對處于初始應力狀態的巖體造成初次擾動，后行洞開挖對先行洞和中間巖柱造成二次擾動，二次應力場疊導致其處于更不利的狀態。近年來對小凈距隧道施工研究規律表明，先行洞對于中間巖柱和地層沉降的影響都弱于后行洞，通過轉換隧道施工方法、改變前后掌子面間距、加強支護方式都可以減弱中間巖柱疊加效應，以控制隧道的施工的安全[3]。

非對稱小凈距隧道斷面不對稱的幾何結構，導致隧道處于偏壓狀態，其圍巖應力相互作用更加復雜。岳健冷，荊春燕等針對小凈距隧道的前后掌子面合理間距研究主要集中在二維施工動態，主要針對施工工法、隧道凈距離、開挖順序進行研究，研究也不夠系統、不夠精細[4-7]。因此本文依托實際工程針對非對稱小凈距隧道施工圍巖變化規律展開研究，通過數值模擬三維施工動態響應，以揭示不同前后掌子面間距下非對稱小凈距隧道施工相互影響規律，這對于提高施工效率和保證施工安全具有重要的意義。

1 工程背景

選取重慶軌道交通九號線一期工程（高灘巖～興科大道）高灘巖站～天梨路站區間為本工程的第一個區間（以下簡稱為高天區間），選取工程為高天區間的第一個工程，穿越的地層從上到下依次為人工填土、殘坡積（Q4el+dl）粉質粘土及侏羅系中統沙溪廟組（J2s）砂巖、砂質泥巖。

本文針對高天區間的第一段路程，YDK0+554.214～YDK0+554.214 段進行分析，該段路程設計為雙洞隧道，因左側車道為雙線車道，右側車道為單線車道為減少工程造價，所以采用斷面非對稱隧道設計方式，左側大斷面隧道為A 斷面，右側小斷面隧道為B 斷面，左右兩洞的中間巖柱的距離僅有2.82m，兩斷面截表1 所示。

表1 斷面信息表

2 隧道施工動態模擬

本文數值模擬的模型將鋼拱架與噴射的混凝土單元折算為殼體單元進行計算，高灘巖站至天梨路區間工程地質圍巖等級為Ⅳ級，其中砂巖、砂質泥巖占到大部分，建模圍巖物理力學參數來源于地質勘探，由于二次襯砌作為后期籌備作用，初期支護承擔圍巖釋放荷載的大部分比例為60%～80%左右，本次模擬暫不考慮二次襯砌的影響，為簡化模擬步驟，在數值模擬中按等效剛度的原則，將工字鋼或格柵鋼架的彈性模量折算到初期支護上，單車道和雙車道之間的間距僅為2.8m，隧道之間的擾動比較大，采用鋼拱架和錨噴支護相結合的支護結構。

式中：E 為折算后的彈性模量；

E0為混凝土的彈性模量；

SG為工字鋼或格柵鋼架的單位長度截面面積；

EG為工字鋼或格柵鋼架的彈性模量；

SO為混凝土單位長度截面面積。

隧道的支護參數和建模參數如表2 和3 所示。

表2 隧道支護物理參數

表3 建模物理力學參數一覽表

3 工況選取及模型建立

本次模擬依托實際工程的開挖方法和順序，大斷面隧道先行，小斷面隧道后行，大斷面隧道采用CRD 法，小斷面隧道采用上下兩臺階法施工。為研究不同掌子面間距下圍巖變化規律，以雙洞凈距離以實際工程距為標準取值2.8m，改變前后掌子面間距分別取值為3m、6m、9m、12m、15m、18m，模擬工況為后行洞開挖為9m，先行洞開挖分別為12m、15m、18m、21m、24m、27m。本次車站的開挖存在雙線車道和單線車道兩個隧道同時施工的工況，兩隧道均五心圓不規則隧道，本次計算模型邊界尺寸，為橫向110m，縱向70m，即左右兩側計算邊界為4 倍雙隧道的總跨度，A 斷面大斷面隧道埋深27.91m，B 斷面小斷面隧道埋深30.11m，上取至地面30m。A 斷面高8.69m，B 斷面高6.95m，向下取3 倍洞徑取值30m。隧道開挖長度51.81m，開挖長度取值51m。對模型左右兩側邊界進行水平約束、底部邊界進行豎直約束，模型初始應地應力場按照自重力進行，網格劃分中間巖柱局部加密。隧道網格劃分和巖體網格劃分如圖1 和圖2 所示。

圖1 隧道巖體網格劃分

圖2 隧道開挖網格劃分

4 模擬計算結果及分析

4.1 位移分析

為揭示不同掌子面間距下地層沉降規律，下圖為左右掌子面不同間距下隧道開挖洞口切面地層沉降圖，其中橫坐標0 點為非對稱小凈距隧道的中間巖柱中心線位置，工況間距12m 工況下地層沉降圖如圖3。以大斷面隧道拱頂沉降為縱坐標，以隧道縱向深度為橫坐標，以前后掌子面間距為圖例進行繪圖4。

圖3 掌子面間距12m 地層沉降圖

圖4 不同掌子面間距先行洞拱頂沉降

以上共有6 種工況，由于不同掌子面間距下隧道地層沉降曲線圖形狀基本相似，本次只對掌子面間距12m 進行相應的分析：隧道上部巖體地層沉降共有兩種變化狀態，從上到下由“單駝峰”形向“雙駝峰”形逐漸轉變，隧道沉降曲線向先行洞傾斜，且先行洞沉降值遠大于后行洞，兩洞都是越靠近隧道頂部沉降速率越來越大，沉降差值先行洞隧道也大于單行洞隧道。單駝峰隧道地層沉降以距離拱頂1m、3m 和6m 為代表，雙駝峰以距離拱頂20m、24m 和36m（地表）為代表橫向分析，隧道地層沉降越靠近先行洞周圍，沉降增幅愈加明顯，主要集中在先行洞的18m 范圍之內，越靠近后行洞周圍增幅也較明顯相對于先行洞隧道增幅小很多。

通過圖4 分析6 種工況下隧道拱頂沉降的變化曲線圖趨勢基本一致，由快速上揚、平穩上揚、急速上揚，平穩收斂的過程，6種工況先行洞掌子面后方12m 隧道基本趨于穩定，即圍巖不在受到掌子面開挖的影響，且隨著掌子間距的增加這個數值基本不在發生改變，開挖在縱向影響距離為12m。

4.2 中間巖柱分析

中間巖柱是小凈距隧道分析的重點，本節以縱向隧道深度為橫坐標，以中間巖柱中間點的橫向位移和最大主應力為縱坐標繪圖如圖5-8。

圖5 左側點x 位移

圖6 中間點x 位移

圖7 右側點x 位移

圖8 中間巖柱應力變化

前后掌子面間距為3m-9m 時，隧道邊墻收斂為負值，12m-18m 逐漸呈現為正值，這是因為在縱向上隨著掌子面間距逐漸增大，中間巖柱的應力疊加令中間巖柱受合力方向發生改變，應力縱向傳導令洞口面中間巖柱位移發生變化，說明掌子面間距變化對于縱向應力傳遞對洞口具有一定的影響。中間點橫向位移，除掌子面間距3m 呈現負值，其余工況中間點位移呈現正值。分析其原因是左側先行洞開挖后隧道通過中間巖柱向右側傳遞應力，后行洞開挖向中間巖柱左側傳遞應力相互抵消導致中間位移呈現正值。隧道開挖還是以先行洞傳遞應力為主導應力，掌子面距離越近對中間巖柱作用越明顯，這種作用強度與間距成正相關，且隧道應力傳導會優先偏向弱區。分析中間點應力變化圖， 掌子面間距0-12m 最小應力為320kpa，12m-18m 應力減小保持在265kPa，通過應力變化分析前后掌子面間距控制在大于12m，這與上文中地層沉降、拱頂沉降分析結果基本一致。

綜上所述這三個監測點具有明顯的疊加性，左中右受力處于不均勻狀態從沉降位移來看，掌子面間距越大掌子面之間上升越平緩，后行洞掌子面至先行洞掌子面之間有一個急速上升的區間，其差值、斜率基本一致，開挖過程中通過改變前后掌子面間距可以減緩中間巖柱位移變化速率，以減少對中間巖柱的擾動。

4 結論

非對稱小凈距隧道開挖地層沉降曲線向先行洞大斷面隧道傾斜，越接近隧道頂端沉降曲線由“單駝峰”形向“雙駝峰”形逐漸轉變，雙駝峰為非對稱雙駝峰，靠近先行洞大斷面的沉降速率遠大于后行洞，對中巖柱應力縱向應力進行分析，掌子面間距大于12m 時應力處于較小數值。對先行洞拱頂沉降分析，隧道停止開挖后隧道后方12m 圍巖將不在受開挖的影響而趨于穩定。通過中間巖柱應力、位移和地層沉降規律綜合分析，隧道掌子面間距控制距離和縱向掌子面開挖影響距離基本一致。