不同掌子面間距下淺埋偏壓小凈距隧道穩定性研究

趙陽 徐東強

摘要 淺埋偏壓小凈距隧道結構特殊，兩主洞同時施工時掌子面間距的合理選擇對隧道穩定性尤為重要。以延崇高速公路頭炮隧道為背景，通過ANSYS及FLAC3D軟件建立隧道模型并進行數值模擬，采用了雙側壁導坑法先開挖深埋側隧道的基礎上，將規范中建議的小凈距隧道施工時掌子面間距為1～2倍洞徑的范圍細化為4種不同工況，從隧道上部邊坡位移、圍巖位移及應力、初襯變形及應力、塑性區體積及錨桿受力等方面進行隧道穩定性的分析，最終得到兩主洞掌子面保持2倍洞徑時施工隧道穩定性最好，可為本工程及相似工程提供參考。

關 鍵 詞 淺埋偏壓小凈距隧道;數值模擬;掌子面間距;穩定性

中圖分類號 U451? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Due to the special structure of shallow buried bias tunnel with small span， it is particularly important for the stability of the tunnel to choose reasonable distance of tunnel faces when two main tunnels constructing at the same time. Based on TouPao tunnel on YanQing-ChongLi highway， use ANSYS and FLAC3D to establish the model and take numerical simulation after make sure the tunnel uses both side heading method and deep buried side excavates first， put the distance that 1～2 times of hole diameter range between two tunnel faces of excavation of shallow buried bias tunnel with small span which the standard suggested into 4 situations， analyze the stability of tunnel from displacement of upper slope， displacement and stress of surrounding rock and tunnel lining， volume of plastic zone and stress of bolts， finally it is best for the stability of tunnel to choose 2 times of hole diameter.

Key words shallow buried bias tunnel with small span; numerical simulation; distance of tunnel faces; stability

0 引言

我國經濟不斷發展，城市建設不斷推進，公路、鐵路里程數與日俱增，地下工程項目也越來越多。隨著交通線路的不斷外延擴展，山區地質情況也越來越復雜。因地形、地質或施工等因素的影響，使得隧道線路無法與等高線垂直時，需在靠近邊坡且埋深較淺的位置修建隧道，頂部由于地形原因會產生偏壓，此時若隧道兩主洞距離小于一定范圍，便形成了淺埋偏壓小凈距隧道。

許多學者對這一形式隧道的相關穩定性進行了研究：張運良等[1]運用ANSYS有限元程序，研究了淺埋偏壓小凈距隧道在不同偏壓角度、間距、埋深條件下，先開挖深埋側和先開挖淺埋側2種不同的開挖順序下的受力和變形特性，得到了不同間距對應不同開挖順序的合理開挖方案;苗天[2]對非對稱結構偏壓小凈距隧道采用三臺階法、CRD法和雙側壁導坑法，左右洞分別先行共6種工法進行數值模擬，得到不同施工方法及不同開挖順序下隧道穩定性變化的相關結論，并對隧道開挖施工提出了建議;騰俊洋等[3]根據淺埋偏壓小凈距隧道受力特點，分析了考慮不同地形坡度及埋深2種工況下圍巖破裂范圍、水平側應力、拱頂壓力的影響規律，推導得出了考慮施工工序及地形坡度的淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力計算公式;Chapman等 [4]對倫敦地層中的小凈距隧道施工過程進行了二維模擬，重點研究了開挖步驟對地表沉降的影響規律;Do等[5]采用FLAC3D對隧道所受影響進行了預測，在此基礎上模擬了隧道施工過程的大部分要素。研究了掌子面間距對隧道結構受力及上部地表位移的影響;Tiwani等[6]利用三維非線性有限元法對并行隧道爆破相互影響進行了研究，認為隧道開挖爆破時的裝藥量和施工時雙洞掌子面間距是隧道支護結構以及圍巖的變形和破壞的主要影響因素。Paternest等[7]依托某淺埋小凈距隧道實際工程優化了隧道施工中支護結構的支護參數。

本文以延崇高速公路頭炮隧道為背景，該隧道為淺埋偏壓小凈距形式，運用ANSYS及FLAC3D軟件建立了隧道采用雙側壁導坑法先開挖深埋側，且兩主洞掌子面間距分別為12 m、16 m、20 m和24 m下的4種工況模型，對隧道在上部邊坡位移、圍巖位移及應力、初襯變形及應力、塑性區體積及錨桿受力等方面進行穩定性分析，得到掌子面間距為24 m（2倍洞徑）時隧道施工穩定性最好，可以為相似工程提供參考。

1 隧道淺埋偏壓及小凈距判定

1.1 隧道淺埋的判定

深埋隧道可利用圍巖自身承載特性形成穩定壓力拱，同時結合新奧法下的支護體系共同承載圍巖壓力，而淺埋隧道無法形成穩定的壓力拱，又容易受到不同地表情況的影響，要根據具體情況對設置支護措施?！豆匪淼涝O計規范》（JTG D70—2004）[8]中提供了依據荷載等效高度、地質條件、施工方法等因素判定隧道淺埋與深埋的方法。見式（1），當埋深大于下值時為深埋隧道，否則為淺埋隧道：

1.2 隧道偏壓的判定

隧道偏壓主要分為地形引起的偏壓、地質因素引起的偏壓、施工原因引起的偏壓3種情況。隧道上部覆土厚度較薄時，地表存在明顯傾斜并且巖體較破碎松散，即為地形產生的偏壓，常見于邊坡淺埋和洞口地段;當巖層存在傾斜的層狀結構，層理間的粘結力差并伴隨裂隙發育或圍巖存在軟弱結構面且傾角較大，即產生地質構造引起的偏壓;若隧道在施工期間因施工方式不合理便會產生由施工引起的偏壓。

圖1中a）為地形引起的偏壓，其中1∶n為地表邊坡與水平面夾角的正切值，t表示偏壓側隧道外側拱肩到偏壓地表的垂直距離，如果t小于表1中的對應值，則將隧道視為地形偏壓下的隧道。

1.3 小凈距隧道

小凈距是指隧道兩主洞之間的中夾巖柱厚度小于隧道洞徑一定倍數值，倍數的取值對應著不同的隧道圍巖級別，整體在1. 0到4. 0之間[8]，表2為《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）中給出的分離式隧道與小凈距隧道在不同圍巖級別下的區分界限。

2 工程概況及數值模型建立

重慶交通科研設計院等單位編制了《小凈距隧道設計施工細則》，其中對Ⅴ、Ⅵ級圍巖建議選用單或雙側壁導坑施工方法;施工時兩主洞掌子面建議保持在1～2倍洞徑的距離，依據規范建議的數值將頭炮隧道掌子面間距分為12 m、16 m、20 m及24 m這4種工況進行模擬分析。

2.1 工程概況

延慶至崇禮高速公路頭炮隧道位于赤城縣大海陀鄉頭炮村南，洞徑12. 098 m，兩主洞間距26. 64 m，屬小凈距隧道，隧道左幅ZK33+550～ZK33+922，長372 m，隧道右幅K33+524～K33+910，長386 m，屬短隧道，隧道最大埋深約為79 m，燈光照明，自然通風。

隧道淺埋側上部地表邊坡與水平面夾角正切值為1∶1.2，偏壓側外拱肩到偏壓地表垂直距離3.5 m，洞口段為Ⅴ級圍巖且進洞口處巖體較破碎，地形偏壓作用明顯。左幅為淺埋側隧道，埋深5 m左右，右幅為深埋側隧道，埋深15 m左右;左幅隧道上部邊坡傾角25°左右，右幅隧道上部邊坡傾角10°左右，隧道上部偏壓邊坡傾角在兩隧道中部發生改變，沿深埋側隧道傾角變緩，具體情況見圖2。

2.2 數值模型建立

隧道的內輪廓采用五心圓形式，如圖3所示。

利用前處理功能較好的ANSYS建立隧道洞身模型，劃分網格后導入到FLAC3D中完成完整模型的建立，為使隧道開挖引起的邊界位移可忽略不計，左右邊界圍巖范圍取為5倍洞跨，隧道斷面的下邊緣到圍巖下邊界的距離取為隧道開挖高度的5倍[9-13]，具體見圖4。

2.3 本構模型及參數選取

依據實際工程中的資料，結合文獻中常用的經驗參數，本次數值模擬模型的本構模型及參數選取情況見表3，模型縱向長度為30 m，開挖進尺定為2 m，同時每開挖2 m進深立即施作初期支護，使初期支護緊跟工作面，相關測點布置如圖5～圖7所示。

隧道開挖模擬示意圖見圖8。

2.4 模擬結果與實際量測對比

隧道實際施工采取雙側壁導坑法深埋側隧道先開挖的方式，兩洞掌子面間隔1倍洞徑，選取同樣的施工方案進行模擬，監控點位選取深埋側隧道開挖面拱頂處，記錄沉降量隨開挖面推進的變化，與實際開挖中開挖面拱頂沉降量測曲線對比如圖9。

由圖9可以看出，實際施工時隧道拱頂的沉降值整體均大于模擬值，因在模擬過程中對隧道外部環境構造和施工過程進行了一定程度的簡化，且未考慮巖體中的節理裂隙、滲流作用、構造應力等，這些因素均會對開挖時隧道的變形產生影響;從沉降值變化趨勢來看，前期隨開挖面的推進，沉降量增大，到達接近所設距離一半的時候，拱頂沉降值的增加速度變小，在開挖進尺達到22 m左右的時候，沉降量基本不變，變化情況基本符合工程情況。

3 隧道穩定性分析

3.1 上部邊坡位移分析

4種工況對應隧道模型開挖完成后，上部邊坡豎向及水平位移曲線圖見圖10及圖11。

由圖10可知，4種不同工況下的模型豎向位移差別不大，上部邊坡坡腳處的跟蹤點1和跟蹤點2由于邊坡偏壓的關系產生了向上的拱起，但其沉降的發展趨勢隨著點位的移動變化明顯，跟蹤點位向右移動時，豎向位移很快進入了沉降階段;從跟蹤點3即淺埋側隧道的拱頂位置開始，豎向沉降值增加但增加的速率變小，到達深埋側隧道附近時，因其埋深較深，在拱頂位置出現了豎向沉降最大值，遠離了拱頂位置后，沉降值變小，模型4的整體豎向沉降值最小。

由圖11可知，隧道上部邊坡水平位移值在隧道跨度范圍內，隨邊坡高度的增加而增加;中夾巖柱上方地表遠離了隧道開挖范圍并且偏壓邊坡角度變緩，水平位移值開始顯著減小;跟蹤點4～6與跟蹤點7～9相比可以看出，坡度的變緩導致了水平位移減小程度也變緩;4組模型水平位移值相差不大，模型4對于水平位移的控制效果最好。綜上所述，模型4對上部地表的豎向沉降和水平位移的控制效果最好。

3.2 隧道圍巖位移及受力分析

4種工況開挖完成后，隧道圍巖豎向及水平位移云圖如圖12及圖13，開挖結束后隧道豎向及水平最大位移值見表4。

由圖12及圖13可見，4個模型的豎向位移云圖和水平位移云圖大體一致。

豎向位移方面，都表現為深埋側隧道豎向沉降與拱底拱起最大，又因為上部邊坡偏壓關系，順偏壓方向有所傾斜，使得沉降最大值出現部位向右拱肩方向移動;淺埋側隧道邊坡坡腳處左側都出現了明顯的向上拱起現象，是由于上部偏壓邊坡的存在且坡腳處覆土厚度較薄，拱底拱起影響到左側部分，施工中要注意此處的監控，必要時進行反壓回填、邊坡卸載、設置擋土墻等措施，保證隧道穩定。

水平位移方面，由于淺埋側隧道位于偏壓邊坡坡腳，偏壓影響最嚴重，水平位移產生了最大值，位于拱肩處，也符合偏壓的方向分布，施工中要注意此處的水平位移變化，及時進行防護;水平位移對深埋側隧道的影響范圍較大，包含了上部地表、右拱腳及其下側還有淺埋側隧道部分，施工監控量測中要將兩主洞位移情況互相聯系。4種工況下隧道豎向與水平位移統計見表4。

從表4中可以看出，隧道開挖完成后拱頂沉降值和拱底拱起值隨掌子面間距的增大而減小，增加的趨勢逐漸變緩，趨于穩定，模型1～3的水平位移隨掌子面間距增大而增大，而模型4的水平位移又減小到和模型1相似。

綜上所述，兩主洞開挖掌子面間距選取24 m（2倍洞徑）對隧道豎向及水平位移穩定最有利。

對圖14與圖15進行分析可知，兩側隧道的豎向應力最大值均出現在拱腰、拱腳部位，4組模型左、右幅隧道拱頂與拱底豎向應力值相差不大;淺埋側隧道受偏壓嚴重，豎向應力最大值出現在其右拱腰和右拱腳處，明顯大于對稱側的左拱腰和左拱腳，深埋側隧道拱腰與拱腳左右應力值相差不大。綜合來看，選取模型4對于隧道開挖時豎向應力的控制效果最好。

3.3 初期襯砌位移及受力分析

表5為初期襯砌位移及受力統計表。由表5可以看出，模型1應力值與位移值均最大，對初襯穩定性不利，模型4的拱頂沉降與水平位移最小，豎向應力最大，水平應力也較大，在提供了較大支護抗力減少二襯受力的同時能夠減小支護結構的位移。綜合來看，施工時掌子面間距采取24 m（2倍洞徑）進行施工，初襯的穩定性效果最好，對隧道整體的穩定性也最好。

3.4 隧道塑性區分析

圖16為隧道開挖完成后塑性區分布，表6為相應的塑性區體積值統計表。由圖16所示，為隧道開挖結束后塑性區分布情況，圖中紅色為隧道圍巖已經發生塑性變形區域，綠色為隧道圍巖正在發生塑性變形區域，紫色為隧道初襯已經發生塑性變形區域，棕色為隧道初襯正在發生塑性變形區域。圍巖塑性區主要集中在上部偏壓土體及隧道初襯周圍，淺埋側隧道上部偏壓坡腳地表大部分已經完成塑性變形，深埋側隧道上部土體由于偏壓角度較小，大部分還處在塑性變形過程中;隧道初襯塑性區主要分布在兩拱肩及兩拱腳之間的上下弧形部分，且順偏壓方向;淺埋側隧道左拱肩部分與地表塑性區貫通，施工中要加強防護。

從表6可知，隨著兩主洞開挖掌子面距離的增加，隧道開挖完成后的塑性區體積減小，模型4的塑性區體積要小于其他工況下的模型，對于控制隧道塑性區體積效果最好。

3.5 錨桿受力分析

由于深埋側隧道開挖后受力較淺埋側隧道大，錨桿受力圖17為選取深埋側隧道開挖結束后Y=1 m斷面處錨桿軸力與砂漿應力分布圖，表7為深埋側隧道開挖結束后Y=1 m斷面處各跟蹤點錨桿軸力值，圖18為深埋側隧道開挖結束后Y = 1 m斷面處各跟蹤點錨桿軸力關系曲線。

圖17中左邊為錨桿軸力圖，右邊為錨桿砂漿應力圖;黑色為受拉，紅色為受壓。所有模型都一致表現出：隧道開挖結束后錨桿處于受拉狀態，錨桿砂漿應力從隧道洞壁沿隧道徑向由受壓轉變為受拉，且發生轉變的部位大致在錨桿中部。模型1錨桿砂漿最大應力值為1. 134 MPa，模型2為1. 216 MPa，模型3為1. 138 MPa，模型4為1. 440 MPa。模型4的錨桿砂漿應力值最大，可以為錨桿粘結提供較大的凝結力，加強對圍巖的加固作用。

由表7與圖18所示，4種不同工況的深埋側隧道開挖結束后斷面Y=1 m處各錨桿跟蹤點軸力，受偏壓作用影響，拱肩到拱腳軸力均較大;模型4錨桿緊鄰洞周的跟蹤點處軸力相對最小，這種情況表明隧道襯砌受力較為安全，能保障整體的穩定性。綜合來看模型4工況下的錨桿軸力最安全。

4 結論與建議

本文依據頭炮隧道實際情況，在確定雙側壁導坑法先開挖深埋側隧道的基礎上，結合實際中小凈距隧道工程概況及規范中的建議，將施工時兩主洞掌子面間距細分為12 m、16 m、20 m和24 m這4種工況進行隧道開挖數值模擬，從隧道上部邊坡位移、圍巖位移及應力、初期襯砌位移及應力、塑性區體積及錨桿受力角度分析隧道穩定性。得到以下幾點結論。

1）由于上部土體存在偏壓的關系，隧道在上部邊坡位移影響范圍、圍巖位移及應力、初襯變形及應力、錨桿受力等方面表現出明顯的不對稱的現象，影響范圍順偏壓方向傾斜，深埋側隧道由于埋深較深，隧道整體豎向位移和應力影響范圍及數值較大，淺埋側隧道由于位于邊坡坡腳位置處，水平位移和應力影響范圍及數值較大，而且在坡腳位置處出現了拱起現象，施工中應針對出現的非對稱現象采取如非對稱錨桿支護、設置抗滑樁、擋土墻、反壓回填等相關措施，保證施工安全。

2）邊坡位移方面，4種工況模型差別不大，整體都表現為從淺埋側隧道拱頂上方開始，豎向沉降值的增速變緩，到深埋側隧道附近時，拱頂位置上方豎向沉降值最大，遠離后沉降值變小;水平位移值在隧道跨度范圍內，沿上部邊坡高度的增加而增加;中夾巖柱上方地表遠離了隧道開挖范圍并且偏壓邊坡角度變緩，水平位移值開始顯著減小。模型4對邊坡位移的控制效果最好。

3）圍巖與初襯位移及受力方面，右幅隧道埋深相對較深，拱腰和拱腳位置應力集中現象更為明顯，對淺埋側隧道右拱腰到右拱腳的范圍內有影響;淺埋側隧道拱底部分產生的豎向應力范圍上呈現出不對稱、沿偏壓方向傾斜的特點;模型4豎向及水平位移也最小，豎向應力對周邊圍巖的影響范圍最小，對應力的控制較好，且初期襯砌的支護效果也最好。

4）塑性區方面，隨兩主洞開挖掌子面間距增加，開挖完成后隧道塑性區體積減小，模型4的塑性區體積小于其他3種工況，對于控制隧道塑性區體積的效果最好。

5）錨桿受力方面，模型4錨桿緊鄰洞周的跟蹤點處軸力最小，這種情況表明隧道襯砌的受力最安全，能保障整體的穩定性;模型4錨桿砂漿應力值最大，可為錨桿粘結提供較大的凝結力，加強對圍巖的加固作用。綜合來看，模型4對應工況下的錨桿軸力最優。

綜上所述，模型4對應的雙側壁導坑法先開挖深埋側且兩主洞掌子面間距保持在24 m（2倍洞徑）左右進行隧道開挖對保證淺埋偏壓小凈距隧道穩定性的效果最好，可為本工程及相似工程提供參考。

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