淺埋偏壓小凈距隧道施工擾動空間效應研究

畢志剛，李旭哲，王 凱，鄭 凱，梁 斌

（1.中鐵十五局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710018；2.河南科技大學土木建筑學院，河南 洛陽 471000）

近年來，隨著我國交通建設的迅速發展，穿山隧道在公路工程中得以廣泛應用。在隧道選線時，往往受到山區地形、地貌的限制，使得越來越多小凈距隧道出現在工程建設中［1］。在地質復雜的山嶺重丘區修建小凈距隧道，首要問題是確保隧道施工過程中圍巖以及中夾巖柱的穩定性。與普通分離式隧道相比，淺埋偏壓小凈距隧道結構形式更加復雜，圍巖荷載的不對稱以及隧道雙洞開挖的相互影響致使施工安全難以保證［2－3］。因此，研究隧道施工擾動影響下的空間效應對確保小凈距隧道施工穩定尤為重要。

近年來，國內外學者對隧道施工擾動空間效應做了許多研究。肖劍秋［4］利用有限元軟件對某偏壓公路隧道左線出口端動態施工全過程進行模擬，研究了在偏壓作用下圍巖位移的演化特征。袁維等［5］對某公路隧道進口偏壓段進洞施工全過程進行數值模擬，研究了在施工擾動影響下的圍巖變形規律及初期支護受力特性，對比分析現場監測圍巖變形數據，為圍巖類別調整、支護結構設計參數調整提供了依據。吳德興等［6］運用有限元軟件對工程施工全過程進行了模擬，分析了隧道施工影響下圍巖和中夾巖柱的擾動效應，得出陡坡偏壓隧道后行洞開挖初期是施工中變形控制關鍵階段。金煜皓等［7］采用有限元法建立北固山隧道三維數值模型，考慮偏壓隧道開挖的空間效應，研究了隧道開挖圍巖的位移場與應力場，闡述了圍巖和邊坡的破壞機理，并基于數值分析結果提出邊坡變形的控制技術。李永靖等［8］將收斂約束法應用于隧道開挖的空間效應問題，通過計算得到了不同開挖條件下的縱斷面變形曲線和圍巖特征曲線，并與現場實測數據進行了對比分析。賀曉銘［9］采用MIDASGTSNX有限元軟件分析不同掌子面間距下小凈距隧道施工擾動空間效應，得出隧道開挖合理縱向間距應大于2倍單洞開挖寬度。蔣慶等［10］運用FLAC3D建立大嶺隧道進口段三維模型，研究了采用CD法和臺階法施工過程中隧道圍巖變形規律以及采用CD法施工時圍巖的塑性分布和應力場演化情況。

目前，針對淺埋偏壓小凈距隧道在施工擾動影響下的圍巖位移場和應力場演化特征及規律研究較少。由于隧道施工復雜，需要根據具體工程特點來解決實際問題，本文依托浙江義東高速防軍隧道項目，對淺埋偏壓小凈距隧道施工過程中圍巖受力變形演化特征進行研究，旨在為此類小凈距隧道施工和圍巖穩定性評價提供借鑒與參考。

1 工程概況

防軍隧道屬于浙江義烏至東陽高速公路東陽（南市至南馬）段土建03標段，為分離式雙向六車道，設計時速為100 km／h，左右洞進出口均為小凈距。依據地質勘查報告，防軍隧道屬低山地貌區，地形起伏大，洞口段圍巖等級為Ⅴ級，穩定性差。該隧道洞口（見圖1）段埋深淺、偏壓、小凈距，施工時易出現坍塌及冒頂等工程事故，進洞施工難度大。

圖1 義東高速防軍隧道進洞口

2 隧道開挖面空間效應

2.1 隧道空間約束效應機理

在隧道洞室開挖過程中，當掌子面開挖至某一斷面后停止，該開挖面附近受施工擾動的巖體變形速率會逐漸減小，直至變為零，此時開挖面對周圍巖體起到“虛擬”支撐作用。這種“虛擬”支撐作用即為隧道開挖面的空間效應，又稱為“端面效應”，其變形過程如圖2所示，圖中F為支撐力、Pi為支護反力［11－12］。

圖2 隧道端面效應示意圖

2.2 考慮空間效應的位移釋放系數

隧道開挖時，圍巖卸荷和應力釋放過程相當復雜。為了更直觀、準確地描述隧道開挖過程中圍巖的變形規律，定義了隧道圍巖某點的已發生位移量與該點達到穩定后的累計位移量之比，即位移釋放系數λ［12］。其計算公式為

式中：μ0為隧道圍巖某點在t0時刻的位移量；μ為該點穩定后的最大位移量。λ的取值范圍為0～1，λ值越大，圍巖的穩定性越高。

3 數值計算模型

3.1 計算模型

本文利用有限元軟件MIDASGTSNX建立防軍隧道進口淺埋偏壓小凈距段三維有限元模型。模型尺寸選取如下：水平方向（X軸）的左右邊界選定為3D（D為開挖洞徑），總長度為120 m；在豎向（Z軸）上，上邊界至地表，下邊界取隧道洞室底部4D，約為40 m；縱深（Y軸）選取40 m。對模型的左、右邊界施加限制x方向的位移約束；對前、后邊界施加限制y方向的位移約束；對下邊界施加z向的位移約束；上邊界設為自由面。由于該隧道屬淺埋隧道，初始應力場僅考慮自重應力，不考慮構造應力。該隧道的三維模型如圖3所示。

圖3 隧道三維模型

本文基于等效原理對隧道初期支護做適當簡化，并將鋼拱架的彈性模量折算到噴射混凝土上形成組合體系［13］。模型參數如表1所示。本模型圍巖破壞遵循Mohr－Coulomb準則，采用三維實體單元進行模擬，隧道初期支護及中隔墻采用二維板單元進行模擬，邊墻中空錨桿采用一維植入式桁架單元進行模擬。

表1 模型參數

3.2 動態施工模擬

防軍隧道洞口淺埋偏壓小凈距段進洞施工采用預留核心土法。先開挖左線隧道，后開挖右線隧道。先行洞先開挖上臺階（即第1部分），后開挖核心土（即第2部分），最后開挖下臺階（即第3部分）；后行洞開挖順序與先行洞相同。圖4為預留核心土法數值模擬示意圖。隧道施工采用左右平行施工，交錯掘進。隧道分步開挖完成后及時施作錨桿和初期支護。

圖4 預留核心土法數值模擬示意圖

4 隧道施工圍巖擾動效應分析

4.1 圍巖豎向位移場演化特征

為直觀地研究隧道進口段施工圍巖位移場的演化規律，在模型中選取測線L對地表沉降進行監測。為減小邊界效應帶來的影響，選取沿隧道縱向20 m為目標斷面，此處Z＝0 m。測線和斷面特征點布置如圖5所示。

圖5 測線及測點布置圖

隧道的先行洞和后行洞開挖引起的地表沉降隨掌子面不斷推進的演化曲線如圖6所示。

圖6 地表沉降演化曲線

由圖6（a）可知，隧道的先行洞開挖后，地表沉降曲線呈現中間大、兩端小的“V”形分布，最大沉降達5.04 mm。先行洞開挖后，隧道中線附近的地表沉降位移迅速增大，但隨著掌子面不斷推進，地表沉降速率不斷減小，直到先行洞開挖至目標斷面，此后地表沉降的增量很小。分析其原因，由于隧道開挖和圍巖上覆荷載的影響，先行洞開挖引起的地表沉降主要集中在先行洞中線附近，最大地表沉降出現在先行洞拱頂上方地表，此處為重點監測薄弱部位。先行洞掌子面離開監測斷面后，地表沉降的增量不斷減小。

由圖6（b）可知，后行洞開挖后，地表沉降曲線由之前的“V”形轉變為非對稱“W”形，地表沉降曲線的變化趨勢與先行洞基本相同，此處不再贅述。由于地形偏壓，先行洞的地表沉降值整體較后行洞大。先行洞貫通時地表沉降的最大值為5.18 mm，待雙洞貫通后地表沉降增至5.92 mm，增幅為14.29%，表明后行洞開挖對先行洞位移場的影響較小。

以先行洞和后行洞的Z＝20 m目標斷面拱頂豎向位移為例。隨開挖深度改變的拱頂位移釋放量的變化曲線如圖7所示。拱頂的位移釋放系數曲線如圖8所示。

圖7 拱頂位移釋放量變化曲線

圖8 拱頂位移釋放系數曲線

由圖7和圖8可知，位移釋放量曲線和位移釋放系數曲線均呈現先緩慢增加、后急劇增大、最后趨于平緩的變化趨勢。當開挖深度介于－1.5D～－1.0D時，位移釋放系數很小，幾乎為0；當開挖深度介于－1.0D～－0.5D時，位移釋放系數緩慢增加，約為0%～2%；當開挖深度介于－0.5D～1.5D時，位移釋放系數急劇增大，拱頂豎向位移釋放量達2%～95%；當開挖深度大于1.5D時，位移釋放系數逐漸趨于100%。結果表明，隧道開挖面空間效應對隧道圍巖的影響主要集中在開挖面之前1D和開挖面之后1.5D范圍內，其中，開挖面前后0.5D范圍內為強影響區，0.5D～1D范圍內為弱影響區，開挖面前方1D范圍為無影響區。施工中應特別關注掌子面剛通過已開挖段時的隧道圍巖位移釋放量，且應設定位移量釋放預警值，避免出現圍巖坍塌等事故。

選取先行洞和后行洞在Z＝20 m目標斷面處的拱頂、左右拱肩、左右拱腰以及左右拱腳等特征點進行分析。這些特征點的豎向位移隨開挖深度改變的演化曲線如圖9所示。圖9中B、C、D分別表示第1、第2、第3部分導坑開挖至目標斷面。

圖9 Z＝20 m特征點豎向位移演化曲線

由圖9可知，先行洞和后行洞的特征點豎向位移曲線整體呈現不斷增大的趨勢。其中，拱頂和拱腳的豎向位移變化最大，其次是拱肩位置，拱腰位置的豎向位移變化最小，拱頂和拱肩的豎向位移變化呈現下沉趨勢，拱腳的豎向位移變化呈現隆起趨勢。

當開挖深度介于－20～－10 m時，各特征點豎向位移變化不大；當開挖深度介于10～20 m時，除左右拱腰位置，其余各特征點的豎向位移迅速增大；當開挖深度大于20 m時，各特征點的豎向位移趨于穩定，此時位移增量很小。分析其原因：開挖深度介于－20～－10 m時，隧道開挖面距目標斷面的距離較遠，隧道開挖對目標斷面特征點影響較??；當開挖深度介于10～20 m時，各部分導坑分別通過目標斷面，隧道開挖對目標斷面的擾動較大，各特征點的豎向位移迅速增大；當開挖深度大于20 m時，隧道開挖面不斷遠離目標斷面且初期支護強度不斷提高，此時受隧道開挖擾動影響較小。

各部分掌子面通過目標斷面后，先行洞和后行洞左、右拱腰位置的豎向位移曲線出現小幅隆起，其余特征點的豎向位移顯著增加，直到導坑全部超過目標斷面達到20 m（約1.5D）時，各特征點的豎向位移趨于穩定。此后隨著開挖深度增加，豎向位移增量很小，這表明開挖面的空間效應沿隧道縱向對開挖面后方的影響范圍為1.5D。

4.2 圍巖水平位移場演化特征

選取沿洞軸向20 m的斷面作為目標斷面。分析目標斷面特征點的水平位移隨掌子面不斷推進的變化情況，得到特征點的水平位移演化曲線如圖10所示。

圖10 Z＝20 m特征點水平位移演化曲線

由圖10可知，特征點水平位移均趨向隧道開挖凈空面，其中，先行洞的左、右拱腳和拱腰水平位移變化最大，其次是左、右拱肩，拱頂位置水平位移很小。后行洞的特征點水平位移變化規律與先行洞相似，值得說明的是，后行洞的右拱腳水平位移小于右拱腰和右拱肩。

預留核心土法各部分開挖對先行洞和后行洞的拱腰位置影響較大。第1部分掌子面通過目標斷面后，左拱腰位置的水平位移迅速增大；第2部分掌子面通過目標斷面后，右拱腰位置的水平位移明顯增大，表明隧道拱腰位置受施工擾動影響較大，其原因為隧道開挖后，容易在隧道上方形成塌落拱，拱頂壓力相對較小，而拱腰部分所受到的壓力較大，因此隧道開挖后圍巖位移的變化主要體現在拱腰處；第3部分掌子面通過目標斷面后，各特征點的水平位移曲線開始趨于平穩。各特征點的水平位移在開挖面前1～1.5D處開始產生明顯增大，且在開挖面后1～1.5D處，水平位移曲線趨于平穩，表明開挖面空間效應的范圍為開挖面前后1～1.5D。

4.3 圍巖位移場分布特征

先行洞和后行洞開挖的豎向位移和水平位移云圖如圖11所示。由圖11（a）、圖11（b）可知，先行洞施工對后行洞所在位置圍巖豎向和水平位移場產生一定影響。先行洞開挖貫通后豎向位移主要集中于深埋側的拱頂和仰拱處，水平位移主要集中于深埋側的拱腰和拱腳處。由圖11（c）、圖11（d）可知，后行洞開挖貫通后，先行洞拱頂上方沉降區域有所增大，表明后行洞開挖對先行洞產生影響。在地形偏壓影響下，先行洞上方豎向位移較后行洞大得多，后行洞拱腰、拱腳和邊墻的水平位移較先行洞大。這是由于隧道受到二次開挖擾動影響，使得圍巖向隧道臨空面偏移，同時，隧道二次開挖擾動加劇了地形偏壓效應，使得圍巖邊坡向下滑移，導致水平位移產生變化，甚至出現了貫穿區，嚴重威脅隧道圍巖的穩定性。

圖11 隧道開挖位移場分布特征

4.4 圍巖應力場演化特征

為了研究該隧道圍巖壓力的偏壓程度在施工過程中的演化規律，分別計算得到先行洞和后行洞的左拱肩與右拱肩的偏壓比以及左拱腳與右拱腳的偏壓比（見圖12），圖12中應力偏壓比越接近比值1，表明偏壓程度越小，反之越大。

圖12 主應力偏壓比變化曲線

由圖12（a）可知，在初始應力場下，偏壓比接近1，先行洞左上部分開挖后，拱肩偏壓比小于1，此時左拱肩主應力小于右拱肩，受地形偏壓和施工偏壓影響較小。右上、左下和右下部分開挖后，拱肩偏壓比大于1且不斷遠離比值1，最后偏壓比穩定在1.26。先行洞拱腳的偏壓比受施工擾動影響較大，上臺階開挖后拱腳偏壓比不斷遠離比值1，左拱腳主應力明顯大于右拱腳，直到下臺階開挖后拱腳偏壓比不斷減小，最后趨于穩定，最終偏壓比為0.86。

由圖12（b）可知，后行洞開挖及地形偏壓對拱肩偏壓比影響較小，右上部分開挖后，偏壓比不斷減小，左上部分開挖后，偏壓比迅速增大，下臺階開挖后偏壓比逐漸趨于穩定，最終偏壓比為1.08。后行洞開挖后拱肩偏壓比不斷減小，尤其是在左上和右下部分開挖后（步驟40和42），拱腳偏壓比下降速率很大，直到左下部分開挖后，拱腳偏壓比回升，最終穩定在0.53，后行洞開挖對拱腳位置十分不利，初期支護后仍存在明顯偏壓現象，施工中應重點監測。

5 結論

基于隧道開挖面空間效應原理，采用預留核心土法，運用有限元軟件MIDASGTSNX對淺埋偏壓小凈距洞口段的動態施工過程進行模擬，深入研究了小凈距隧道施工對圍巖的位移場和應力場的擾動規律，得到以下結論：

（1）隧道地表沉降呈現明顯的非對稱現象，深埋側位移大于淺埋側。后行洞開挖后隧道地表沉降曲線由起初的“V”形轉變為非對稱的“W”形，后行洞開挖對先行洞上方地表位移影響較小。

（2）掌子面距目標斷面1D處隧道拱頂開始產生變形。拱頂位移的釋放主要集中在掌子面通過目標斷面前后0.5D的范圍，占總位移的70%～80%。實際施工中應注意掌子面在通過已開挖段隧道時的圍巖變形。

（3）圍巖特征點的豎向位移和水平位移表現出明顯的空間效應，主要集中在開挖面前后1～1.5D的范圍。采用預留核心土法開挖時，先行洞和后行洞拱腳偏壓比出現較大波動，施工中應重點監測先行洞和后行洞拱腳位置的受力情況。