Ⅴ級圍巖淺埋大跨雙洞隧道施工力學行為及安全凈距研究

牛富生，黃大維

(1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458； 2.廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室，廣東 廣州 511458；3.華東交通大學 軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室，江西 南昌 330013)

目前公路、鐵路等工程已廣泛應用雙洞隧道，選線時上、下行隧道往往受地物、地形的限制采用小凈距隧道結構型式[1]，其設計既要考慮通行能力也要考慮受地質、環境等造成的影響。軟弱破碎圍巖采用CRD法或雙側壁法時由于施工工序繁多，大大增加了施工過程中對圍巖反復擾動的次數，因此如何合理選取雙洞隧道安全凈距，并保證圍巖穩定是工程中面臨的關鍵問題，尤其是對于Ⅴ級圍巖淺埋大跨雙洞隧道工程，尤為重要[2]。

目前已有不少學者針對淺埋大跨雙洞小凈距隧道開展了相關研究。周飛[1]深入研究了施工間距及凈距變化下圍巖空間效應的力學特性，此外還分析了中夾土柱的加固方法，提出了安全凈距取值。文獻[2-5]對雙洞隧道的凈距取值進行了深入研究。王輝等[6]采用ABAQUS有限元分析軟件的Python編程，對某大跨度小凈距隧道不同扁平率及其間距進行了參數化設計。文獻[7-8]依托實際工程對偏壓小凈距隧道的施工力學進行了研究。何珺[9]研究了非對稱小凈距隧道的圍巖壓力計算方法、結構受力性能、施工方案優化及施工力學時空效應。鐘祖良等[10]推導了能夠考慮隧道左右洞先后施工工序的圍巖壓力計算理論，并對其計算參數進行了敏感性分析。孫杰[11]開展了淺埋偏壓、洞口地段與較差巖性地段大斷面雙洞隧道施工優化和安全控制。文獻[12-14]對超大斷面小凈距隧道的支護力學、施工方法比選、凈距優化和變形控制展開了系統研究。文獻[15-16]開展了偏壓大跨小凈距隧道施工力學行為及變形破壞研究。孫文濤[17]對V級圍巖大跨偏壓小凈距隧道進行了施工控制技術研究。龔建伍[18]對大斷面小凈距隧道設計施工若干問題進行了系統研究。王更峰等[19]依托魁歧雙洞八車道小凈距隧道，通過計算分析確定了最小凈距，另研究了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下采用不同加固措施的中間巖柱受力、變形特性。文獻[20-21] 對小凈距偏壓公路隧道的圍巖壓力進行了深入研究。萬民科[22]對淺埋偏壓小凈距隧道的力學特性和施工技術進行了研究。唐格[23]按照“監測-反演-施工”的思路進行了大斷面小凈距隧道設計與施工技術研究。文獻[24-27]依托實際工程對節理巖體淺埋大跨小凈距隧道的失穩模式、錨桿支護效果及最小安全凈距進行了研究。

目前V級圍巖條件下淺埋大跨雙洞隧道采用CRD工法的施工力學及安全凈距系統性的研究較少。為此，本文依托將軍山隧道，基于ANSYS有限元軟件二次開發，對Ⅴ級圍巖條件下洞口段洞室采用CRD工法開挖不同施工工序下“圍巖-支護系統”的動態施工力學行為開展深入研究，并將進一步探討洞口段安全凈距。

1 項目概況

1.1 工程概況

將軍山隧道位于上龍泉村與孫家洼村間的丘陵區，為分離式隧道，隧道單洞凈寬16.796 m，凈高10.850 m，左右線里程分別為ZK7+595—ZK8+970與YK7+595—YK8+970，長度均為1 375 m。隧道進口段洞門采用削竹式洞門，出口段采用端墻式洞門。

1.2 隧道洞口段圍巖分級

隧道進出洞口斷面的里程位置、圍巖分級及工程地質特征情況，見表1。

表1 隧道圍巖分級及工程地質

1.3 洞口段隧道設計方案

將軍山隧道洞口段設計方案采用CRD工法施工，開挖-支護各工序如圖1所示。設計施工步序為：(1)左側導洞上臺階(Ⅰ部)開挖及初期支護；(2)右側導洞上臺階(Ⅱ部)開挖及初期支護；(3)左側導洞下臺階(Ⅲ部)開挖及初期支護；(4)右側導洞下臺階(Ⅳ部)開挖及初期支護；(5)拆除臨時支撐；(6)施作二次襯砌。

圖1 將軍山隧道CRD工法開挖步序

設計采用的初期支護：雙排小導管，Φ42×5 mm超前小導管，長4.5 m，縱向間距3.0 m，環向間距0.42 m；Φ25-5中空注漿錨桿，長4.5 m，縱向間距0.5 m，環向間距1.0 m；20b工字型鋼， 25格柵鋼架，縱向間距0.5 m；兩層C25初期支護，第一層26 cm，第二層20 cm；雙層鋼筋網，規格為Φ6.5，環向、縱向間距皆為15 cm。二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，厚度55 cm。

2 計算模型

2.1 計算斷面選擇及模型參數

根據隧道工程地質條件，選擇一個代表性斷面進行分部開挖不同方案“圍巖-支護”系統施工力學動態分析。進出洞口段計算選取斷面在里程左線ZK7+683.00位置，采用鉆孔號SZ2，孔口高程74.20 m。隧道埋深15 m，斷面上部圍巖以碎石土為主，下部圍巖以中風化凝灰巖為主，受斷層F1影響，洞頂以上基巖完整性、穩定性較差，圍巖V級。地下水以松散巖類孔隙水為主，水量較豐富。

計算參數按設計提供的有關數據選用，其中圍巖強度指標采用規范規定值，錨桿加固區采用等效強度值，噴射混凝土、鋼筋網、鋼拱架、格柵鋼架以及二襯均采用等效剛度和等效重度。圍巖強度、錨桿加固區、初期支護、臨時支撐及二襯計算參數如表2所示。

表2 V級圍巖斷面計算參數

2.2 有限元計算模型及邊界條件

按實際施工圖設計建立的二維有限元計算模型見圖2所示：坐標系XOY原點定于模型左下角點O處，X軸正方向規定為水平向右，Y軸正方向為豎直向上。結合新奧法大跨隧道洞室分部開挖的施工特點，對ANSYS軟件進行了二次開發，實現了采用該主程序模擬CRD施工工序圍巖地應力及其變形位移逐步釋放的全過程，實現了“圍巖-支護”系統復雜施工力學行為的數值模擬；基于現行公鐵路隧道設計規范中普遍采用的“荷載-結構法”，實現了采用ANSYS軟件有效模擬圍巖與隧道結構間彈簧支撐系統(按Winkler局部變形理論假定)的相互作用關系，快捷確定隧道結構的邊界節點應力，圍巖主動和被動變形區的范圍(確定圍巖抗力區土體彈簧的合理布設范圍)及襯砌安全系數，并可確定隧道在不同施工工序下襯護結構的內力(彎矩、軸力、剪力)；采用基于彈塑性理論的八面體剪應力計算原理，通過二次開發實現了采用ANSYS程序軟件可以快速確定隧道開挖后毛洞周圈的圍巖松動區范圍及其形態分布，進而確定系統錨桿的打設長度，進一步安全判定上、下行雙線近間距隧道的最小橫向間距。開發的ANSYS程序軟件為隧道襯砌的配筋計算及施工圖設計提供較為精準有據的理論支撐。

圖2 離散化有限元計算模型網格及邊界條件

將軍山隧道隧洞水平跨度為18.816 m，豎直跨度約為12.87 m。為了最大限度地降低邊界條件對計算結果的影響，模型分別沿著隧道洞室左、右及下方各延伸約5倍相應跨度，其上按實際埋深延伸至地表。整個計算模型水平向(X向)為184 m，豎直向(Y向)為74.2 m，共劃分為7 706個單元和7 555個節點(其中：7 450個4節點平面等參單元Plane42，用于模擬巖體；256個2節點線梁單元Beam3，用于模擬襯砌)。

模型在洞室開挖區網格剖分較密，遠離洞室區處逐漸變疏，其邊界條件定為：模型頂部為地表，為應力自由面；由于該隧道處于巖體風化程度較高巖層，構造應力不予考慮，僅考慮巖體自重應力。因此，模型左、右兩邊界施加水平位移約束以限制水平方向的變形；模型底部施加豎直位移約束以限制豎向變形。數值模擬中，開挖后立即支護，不考慮兩者之前的時間差。

3 計算結果分析

3.1 施工過程圍巖位移變化規律

圍巖位移矢量圖如圖3所示。結合圖3將隧道開挖過程中各工序的最大位移及其發生部位匯總于表3中。

表3 各施工階段圍巖位移值及發生部位

從表3中可以看出，隨著開挖工序的不斷進行，洞室最大位移總體上呈增長態勢，從最開始第1步的1.14 mm增大至最后全部開挖完畢的3.00 mm。在每一部位開挖-支護循環中，開挖工序圍巖變形均呈突增態勢，隨后支護工序其位移量值持續增加但速度明顯變緩，說明支護對于圍巖的自由變形具有一定的抑制作用。

前四步開挖位移變化較大，占總變形的90%以上，而拆除臨時支撐和施作二次襯砌帶來的變形較小，說明及時封閉支護對抑制圍巖變形有很大效用。最大位移基本處于拱頂部位和底板中部，右側導洞上臺階(Ⅱ部)開挖時，圍巖臨空面劇增，跨度增大，圍巖穩定性條件變差，變形最大位置均發生于拱頂。因此建議施工時，對于核心土工序應采用多步長臺階結合強支護進行，以盡可能減少對圍巖的卸載擾動效應，防止出現過大變形，且建議施工方密切關注核心土開挖過程中的監控量測工作。

3.2 施工過程圍巖應力變化規律

將隧道開挖過程中各工序的主應力量值及其發生位置匯總于表4中。

表4 各施工階段圍巖主應力變化情況(負值為壓)

從表4中可以看出，隨著開挖工序的不斷進行，洞室圍巖應力不斷調整，在開挖臨空面附近應力集中效應顯著，致使最大主壓應力總體上呈較高水平(相對于洞室所處埋深的自重應力水平，約為1.45 MPa)，從最開始第1步的-1.45 MPa增大至最后全部開挖完畢的-1.73 MPa，且在整個開挖過程中均維持在-2 MPa水平附近，均發生于開挖輪廓線拐角處(如拱腳部位)。在洞室施工過程中，圍巖也將產生一定范圍的拉應力區，主要分布于每次開挖臨空面的底板及導洞各開挖臺階交接處，拉應力水平較低，一般都低于約0.1 MPa。另外剪應力水平也較低，施工全部完成后僅為0.4 MPa。

3.3 施工過程圍巖塌落區變化規律

為研究圍巖的塑性狀態，按基于彈塑性力學的八面體剪應力理論計算，即八面體剪應力大于等于臨界剪應力強度為臨界條件，繪制了塌落區域范圍，如圖4所示。

結合圖4將計算得到的隧道在各開挖工序中的圍巖塌落區特征及其發生位置匯總于表5中。

表5 各施工階段圍巖塌落區變化情況

從表5中可以看出，隨著開挖工序的不斷進行，洞室圍巖將發生一定范圍的塌落區域(即圍巖形變演化致使應力軟化區)，塌落區面積從第1步開挖的4.0 m2逐漸變化到最后施工全部完成的19.5 m2，最大進深為2.8 m，主要發生區域為隧道邊墻以及左、右拱腳。按現行支護措施采用4.5 m注漿錨桿基本能穿越塌落區，較為合理。

3.4 支護結構內力分布規律

將隧道開挖過程中各工序的支護結構最大彎矩及其發生位置匯總于表6中。

表6 各施工工序支護結構彎矩、軸力變化情況

從表6中可以看出，隨著開挖工序的不斷進行，作為初期支護重要組成的鋼拱架，其彎矩不斷變化和調整，在開挖過程中最大可達近241.901 kN·m，發生于右側導洞上臺階(II部)開挖階段。各個階段最大彎矩發生位置主要分布于橫豎鋼拱架接頭部位，因此建議在施作該部位鋼拱架時應重點予以關注，尤其是注重鋼拱架支座及鎖腳錨桿的工程質量，以保證鋼拱架充分發揮加固效力。

圖4 施工各個開挖-支護步圍巖塌落區分布圖

3.5 初期支護和二次襯砌安全系數計算

為便于分析，共取了初期支護和二次襯砌結構上的12個典型截面，分別表示不同的部位計算其安全系數，以抗壓強度為控制條件，見圖5。

圖5 典型截面

依據數值分析計算結果，安全系數計算根據《公路隧道設計規范》(JTG 3370.1—2018)規定進行檢算，得出初期支護在整個施工過程中的安全系數最小值為5.6，滿足規范以抗壓為控制條件的安全系數大于2.4的要求。另外計算得出了二次襯砌的安全系數最小值為3.1，出現在拱腳部位，同樣滿足規范要求。

4 洞口段安全凈距探討

考慮洞口接線路基寬度，采用保證安全前提下的最小雙洞距離可大大節約路基土石方量，有利于施工，同時節省工程造價。在左洞和右洞同時按CRD工法開挖的情況下探討雙洞安全凈距，計算0.5D、1.0D、1.5D(D為隧道毛洞開挖跨度，取19 m)三種凈距(即三種工況)下的開挖最終步塌落區分布規律，以塌落區處于非重疊貫通為臨界條件。有限元模型計算參數參考第2.1節取值。

4.1 雙洞安全凈距開挖模擬

將軍山隧道隧洞水平跨度為18.816 m，豎直跨度約為12.87 m。為了最大限度地降低邊界條件對計算結果的影響，模型分別沿著隧道洞室左、右及下方各延伸約5倍相應跨度，其上按實際埋深延伸至地表。整個計算模型水平向(X向)為240 m，豎直向(Y向)為105 m。二維有限元計算模型如圖6所示。

圖6 雙洞安全凈距開挖模型

4.2 計算結果分析

三種凈距(即三種工況)下的開挖最終步塌落區分布，見圖7。由以上結果可以看出，雙洞0.5D凈距下左右洞口的塌落區處于貫通狀態，1.0D凈距下左右洞口的塌落區上部處于分離狀態，1.5D凈距下左右洞口的塌落區處于完全分離狀態。從安全和節約造價的角度考慮，雙洞1.0D凈距較為合理。

5 結 論

依托將軍山隧道，基于ANSYS有限元軟件二次開發，對Ⅴ級圍巖條件下洞口段洞室采用CRD工法開挖不同施工工序下“圍巖-支護”系統的動態施工力學行為進行了深入研究，并對洞口段安全凈距做了進一步的探討。得到如下結論：

(1) 隧道各開挖工序下圍巖變形均呈突增態勢，前四步開挖位移變化較大，占總變形的90%以上。對松散、軟弱區段，建議采用早強噴混凝土并及早施作支護封閉。

(2) 洞室圍巖應力隨著開挖工序的進行在不斷調整，最大主壓應力總體上呈較高水平，且在整個開挖過程中均維持在-2 MPa附近。圍巖應力集中基本上出現在拱腳部位，應注意加強該部位的監測和必要的注漿加固。

(3) 隧道塌落區面積隨著開挖工序的不斷進行而增大，最大進深為2.8 m，按設計支護措施采用4.5 m注漿錨桿基本能穿越塌落區。通過洞口段0.5D、1.0D、1.5D三種凈距比較分析，雙洞1.0D凈距較為合理。

圖7 三種凈距開挖最終步塌落區分布圖

(4) 鋼拱架的彎矩隨著開挖工序的不斷進行而調整，在開挖過程中最大達241.9 kN·m。各個階段最大彎矩發生位置主要分布于橫豎鋼拱架接頭部位，建議在施作該部位鋼拱架時應注重鋼拱架支座及鎖腳錨桿的工程質量。

(5) 初期支護和二次襯砌在整個施工過程中的安全系數最小值分別為5.6和3.1，均滿足規范以抗壓為控制條件的安全系數大于2.4的要求。