小凈距隧道三維動態施工分析

王春玲(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

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小凈距隧道三維動態施工分析

王春玲
(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

結合湖北宜巴高速公路峽口隧道的施工，利用FLAC-3D軟件對小凈距隧道施工過程進行三維彈塑性模擬計算，重點分析采用臺階法和中導洞超前法施工時左右洞掌子面的距離對隧道圍巖和支護的力學影響；得到了在掌子面掘進過程中，圍巖和支護結構的受力及變形隨縱向開挖進尺的變化規律，對小凈距隧道在縱向影響因素作用下的施工力學特征有了初步認識，可為類似工程提供有益參考。

小凈距隧道；數值模擬；力學特征；掌子面

0 引 言

小凈距隧道的相互作用屬于空間行為，縱向上的分部開挖順序、支護等因素對其施工特性有較大影響[1-5]。本文對峽口隧道進口段小凈距隧道原型進行三維彈塑性施工模擬，探求縱向影響因素作用下的施工力學特征；針對左右洞掌子面距離和開挖施工方法，分析掌子面掘進過程中圍巖和支護體系的受力及變形反應。

1 工程概況

宜昌至巴東高速公路峽口隧道是一座上行、下行分離的四車道高速公路，圍巖以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級為主，隧道左右線間距在進口外約16 m，到洞身逐漸過渡51 m。隧道進口段洞身圍巖為寒武系中風化白云巖，呈薄層至中厚狀，巖體較破碎，雨季洞室潮濕，多呈點滴狀滲水，局部有線狀滲水現象。施工方法為二臺階開挖法，上下臺階間距約30 m，距出口10 m處采用小導洞超前出洞的開挖方法。

2 計算模型和計算工況的確定

三維數值模擬采用FLAC-3D的有限差分程序以及理想彈塑性本構關系，其屈服準則為D-P 準則，初始應力場為自重應力場[6-8]。以峽口隧道樁號ZK104+234作為分析原型斷面：隧道開挖洞徑B=12.48 m，洞高H=10.28 m，兩洞凈距為16 m，左右洞拱頂至地表均為20 m。模型兩側及隧道下方圍巖選取3倍洞[9-10]，其中X方向長103.36 m，Y方向高67.72 m，縱向計算長度取80 m。網格劃分如圖1所示。

圖1 三維網格劃分

定義隧道橫斷面水平方向為X軸，隧道橫斷面豎向為Z軸，隧道縱向為Y軸。前后左右限制水平位移，底面設置固定約束，頂面邊界為自由邊界[11-12]。開挖模擬以2 m為一循環進尺，初期支護結構滯后一個施工步施作，二襯作為安全儲備不考慮受力。超前支護及錨桿采用等效原則進行模擬[13-14]。圍巖、加固區參數如表1所示。

表1 數值模擬材料物理力學參數

本文選取上下臺階法和小導洞超前法進行研究，施工工序見圖2、3，分別取掌子面之間的距離為0、40 m(3.2B)、80 m(6.4B)，共6種工況，其中左洞先行開挖，右洞后行，2種施工方法臺階長度均取20 m。

3 左右洞掌子面距離的影響

小凈距隧道施工中，兩洞掌子面之間距離的大小對隧道支護及圍巖的穩定性有較大影響。為保證施工安全及施工進度，在不同的地質及圍巖條件下進行隧道開挖掘進時，應合理確定兩洞掌子面之間的距離。

通過對臺階法開挖時(左洞先行開挖)掌子面左右錯開0、40、80 m三種工況下的各項結果進行分析對比，得到掌子面距離對施工力學所產生的影響。

3.1 地表沉降

為減少邊界效應，取40 m橫斷面處的地表為研究對象，圖4為采用臺階法且掌子面錯開40 m開挖時地表沉降的具體分布，曲線呈W形，右洞拱頂處地表沉降為2.632 mm，左洞拱頂處地表沉降為2.606 mm，右洞沉降值較左洞大。

圖4 臺階法40 m處斷面橫向地表沉降曲線

分析以上沉降規律得出：在左洞先行開挖階段，左洞周圍圍巖產生相應變形，右洞未開挖處受左洞開挖影響也產生變形及圍巖松動，惡化了圍巖條件；待右洞開挖至此時，產生的圍巖變形較左洞大，同時由于左洞的支護結構已經施做完畢，可以較好地抵御由右洞開挖帶來的次帶變形，所以右洞所產生的沉降值較左洞大。

圖5 左洞開挖至40 m處左洞縱向地表沉降曲線

圖5為左洞開挖40 m后頂部縱向地表沉降曲線。從圖5可以看出，在掌子面后方30～40 m之外地段的地表沉降值已基本達到穩定，前方隧道開挖對其不再產生影響，開挖對掌子面前方圍巖的影響范圍也限定在20 m之內，20 m之外的位置幾乎不產生地表沉降。

從表2及圖6可以看出，左洞拱頂左側位置處地表沉降隨著左右洞掌子面距離的增大而減小。

表2 地表沉降值對比 mm

圖6 40 m斷面處地表沉降對比

3.2 拱頂下沉

圖7為40 m斷面處左洞拱頂在掌子面錯開0、40、80 m三個工況下的拱頂下沉值隨開挖步的變化曲線。由圖7可知，拱頂沉降的最大變化值發生在斷面上臺階開挖時，此階段產生的位移值占最大位移值的71%左右，下臺階對其產生的作用相對較小。不同掌子面距離下，其最大位移值相差不大，僅同步開挖時略大，可見左右洞掌子面距離的變化對隧道拱頂的沉降影響不大。

3.3 仰拱隆起

圖8為40 m斷面處左洞在掌子面錯開0、40、80 m三個工況下的仰拱隆起值隨開挖步的變化曲線。由圖8可知，仰拱位移在上下臺階開挖階段均有較大隆起產生，上臺階開挖使其產生的隆起值占最大位移值的69%，下臺階開挖完成后隆起值基本穩定，后期無明顯位移。對比3條曲線可見，不同掌子面間距下，其最大位移值相差不大。

3.4 水平收斂

圖9為40 m斷面處左洞拱頂在掌子面錯開0、40、80 m三個工況下的拱腰收斂值隨開挖步的變化曲線。由圖9可知，拱腰收斂的最大變化值發生在開挖20～30 步之間，上臺階收斂值約占最大收斂值的26%左右，其余是由下臺階開挖引起。

圖9 40 m斷面處左洞水平收斂對比

表3是左右洞掌子面錯開不同距離時左右洞拱腰的水平收斂情況?？梢钥闯觯笥叶吹目傮w橫向收斂值均隨左右洞掌子面距離的增大而減小。

3.5 初次支護內力

圖10、11為模擬施工結束時左右洞初次支護結構的第一主應力和第三主應力分布云圖，可見左右隧道在拱頂及仰拱位置承受較大的拉應力，其他部位以受壓為主，其中兩側拱腰位置所受壓應力最大。

表3 水平收斂值對比

為減小邊界效應，取模型縱向中部38～40 m范圍的支護結構為研究對象，對比臺階法3種工況下的主應力分布情況。圖12～15為臺階法掌子面錯開40 m時隧道的應力云圖，其余見表4、5。

圖12 左隧道第一主應力云圖

由表4、5可知：支護結構的應力最大值隨著左右洞掌子面錯開距離的增大而減??；距離為0、40 m兩種情況時最大拉應力差值為0.233 MPa，距離為40、80 m兩種情況時最大拉應力差值為0.004 MPa；距離為0、40 m兩種情況時最大壓應力差值為0.226 MPa，距離為40、80 m兩種情況時最大壓應力差值為0.007 MPa。比較支護應力變化情況，0～40 m之間的左右洞掌子面距離所引起的應力值變化較為明顯，40～80 m之間則應力變化較小，可見本工程選用左右掌子面距離為40 m較合理。

表4 38～40 m支護結構最大拉應力對比 MPa

表5 38～40 m支護結構最大壓應力對比 MPa

4 臺階法與導洞法的對比分析

研究上下臺階法和小導洞超前法2種施工方法，分別取掌子面之間距離為0、40(3.2B)、80 m(6.4B)，共6種工況。2種施工方法臺階長度均取20 m。為減少邊界效應，計算結果選取40 m斷面為參考斷面。

4.1 地表沉降

圖16～18為掌子面錯開40 m時40 m斷面處2種開挖方法下的橫向斷面地表沉降對比曲線。可知，采用臺階法施工的地表沉降值大于中導洞法施工的沉降值，所以對于地表沉降有要求的地段不宜采用中導洞法施工。

4.2 洞周收斂變形

表6為40 m斷面右洞洞周收斂各主要位移對比。由表6可見，在拱頂下沉、水平收斂和仰拱隆起方面，導洞法產生的位移均比臺階法大。

4.3 支護結構受力分析

以模型縱向中部38～40 m的支護結構為研究對象，對比臺階法和中導洞法6種工況下的主應力分布情況，見表7、8。

由表7、8可見，采用導洞法施工的隧道支護結構的應力最大值均小于臺階法，因此采用導洞法施工對于改善支護結構受力有利。由于中導洞超前對前方圍巖的應力和位移均產生了一定的釋放作用，因此中導洞工法圍巖和支護的各項位移指標均大于臺階工法，這對于較差的圍巖或有沉降要求的隧道不利，應優先考慮臺階法或CD、CRD法；反之對于圍巖情況較好或沒有特殊要求的山嶺隧道而言，小導洞法能夠超前釋放一部分應力，改善支護結構的受力，尤其對采用爆破施工的隧道，可以起到掏槽增加臨空面的作用，增加光面爆破效果，減少裝藥量，減小爆破振動。本文依托的工程洞外山體陡峭，危石較多，洞口下方有橋梁挖孔樁施工和水電站辦公樓等干擾，因此適宜采用中導洞超前的施工方法。

表6 右洞洞周收斂對比 mm

表7 38～40 m支護結構最大拉應力對比 MPa

表8 38～40 m支護結構最大壓應力對比 MPa

5 結 語

(1)掌子面距離是決定小凈距隧道相互影響的重要因素，掌子面距離不同則隧道圍巖壓力的分布不同，增大掌子面距離可以減小兩洞室對彼此周邊圍巖擾動效應的疊加。

(2)掌子面距離變化引起的隧洞受力變化為：右洞的沉降大于左洞的沉降；隨著掌子面距離的增大，地表沉降減??；掌子面距離對洞周的拱頂下沉和仰拱隆起影響不大，主要影響橫向收斂位移，即隨著距離的增大，橫向收斂值減小。

(3)超前中導洞法對前方圍巖的應力和位移均產生了一定的釋放作用，因此其支護的各項位移指標均大于臺階工法，這對于較差的圍巖或有沉降要求的隧道不利，因此這種情況下應優先考慮臺階法或CD、CRD法；反之對于圍巖情況較好或沒有特殊要求的山嶺隧道，小導洞法能夠超前釋放一部分應力，改善支護結構的受力，尤其對采用爆破施工的隧道可起到掏槽增加臨空面的作用，增加光面爆破效果，減少裝藥量，減小爆破振動。

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[責任編輯:王玉玲]

Three-dimensional Dynamic Analysis of Construction of Tunnel with Small Clear Distance

WANG Chun-ling
(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, Shaanxi, China)

Combined with the construction of Xiakou tunnel of Yiba Expressway in Hubei Province, FLAC-3D software was used to simulate the construction process of tunnel with small clear distance. The mechanical effects of the distance between the left and right face of the tunnel on the surrounding rock and the support of the tunnel during the construction by bench method and pilot tunnel method were analyzed emphatically. The variation law of the force and deformation of the surrounding rock and the supporting structure during the excavation process with the longitudinal excavation was obtained. A preliminary understanding of the mechanical characteristics of the tunnel with small clearance impacted by the longitudinal influencing factors was achieved, which can provide a useful reference for similar projects.

tunnel with small clearance; numerical simulation; mechanical characteristic; tunnel face

1000-033X(2017)06-0071-06

2017-01-23

王春玲(1983-)，女，山東荷澤人，工程師，碩士，研究方向為道路設計。

U455.4

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