小凈距淺埋隧道施工相互影響研究

李燕杰 焦俊杰

摘 要：以嶺山隧道為工程依托，通過有限元分析軟件Midas建立了三維隧道計算模型，結合現場監測數據，揭示了小凈距隧道施工中圍巖變形及應力變化特征。研究結果表明：后行隧道（右洞）開挖對先行隧道（左洞）拱頂沉降影響較小；左洞右拱腰收斂值隨著左洞開挖逐漸增大，隨著右洞的開挖有減小趨勢；在小徑距淺埋隧道施工中，兩隧道中間巖體存在應力集中現象，在隧道近接拱腰處圍巖應力最大，其中左洞右拱腰水平應力隨著右洞的開挖逐漸增大。

關鍵詞：小徑距；數值模擬；Midas；圍巖變形；附加應力

小凈距隧道因比連拱隧道施工簡單、造價低等特點[1]，越來越受設計者所青睞，但其目前還缺乏較為系統的結構設計和施工等經驗，在隧道開挖的過程中，兩條隧道間圍巖應力重分布變化較大，使得支護結構在受力上較為復雜[2-4]，給隧道的安全施工帶來不便，因此，對小凈距淺埋隧道進行研究具有一定指導性意義。

隨著隧道施工水平的提升，小凈距隧道逐漸發展起來，許多學者對其也進行了研究，舒志樂等[5]通過理論分析研究了隧道凈距對圍巖壓力的影響，胡元芳[6]通過有限元分析給出了仙岳山隧道最小凈距的參考值，靳曉光等[7]以二維數值分析研究了淺埋小凈距隧道開挖方式的優劣性。

本文以恩施嶺山隧道為工程依托，借助有限元分析軟件MIDAS對小凈距淺埋隧道施工過程進行分析，研究了隧道施工過程中圍巖壓力及隧道變形的分布規律，并探討了后行洞施工對先行洞周邊附件應力及變形的影響，以期為工程施工提供一定指導。

1工程概況

嶺山隧道為小凈距雙線隧道，左、右洞長分別為433m和452m，最大埋深約116～135m。在出口段隧道埋深在20～50m，屬于淺埋地段，隧道測設線間距約12m，屬于小凈距隧道，隧址區出露的地層主要為碎石土及強～中風化石灰巖，地下水不甚發育，主要以裂隙水為主，鉆孔未揭露到地下水位。隧道開挖采用光面爆破全斷面和臺階開挖。

2計算模型

為減小邊界條件對數值計算的影響，選取隧道左右兩側各4倍洞徑距離，模型寬度取110m，開挖長度取60m，隧道開挖過程中，每循環爆破3m，在數值計算過程中，為簡化計算，左洞先行，左洞開挖完成后再開挖右洞，左右洞各分20次開挖，共有40個開挖循環，根據隧道之間相互位置及鉆孔揭露地層情況，將計算模型建立如下：

計算模型中圍巖參數根據前期勘察資料與室內試驗確定，噴射混凝土、鋼拱架、錨桿等計算參數根據《公路隧道設計規范》（JTJ D70-2004）等相關規范與相類似工程確定。其中鋼拱架采用等效的方法將強度貢獻到噴射混凝土層中，其具體計算公式：

（1）

式中：E是等效噴射混凝土彈性模量，E0是原噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Ag為鋼架截面面積，Ac為噴射混凝土截面積，噴射混凝土中鋼筋網主要起防止噴層開裂拉破壞，計算中不予考慮。導管為超前支護，起到超前加固作用，本計算中也不與考慮。其中HW175型鋼截面面積為51.43cm2，HW150型鋼截面面積為40.55cm2，材料為HRB335。

3計算結果及分析

3.1變形分析

當兩隧道開挖完成后，圍巖的最大位移量發生在隧道拱頂處，最大位移量為12.2mm，其中右洞最大位移量略大于左洞，右洞塑形區較左洞大，因地形起伏變化差異，右洞隧道埋深較大，在淺埋小徑距施工條件下，右洞圍巖壓力較大，所受擾動程度大。

左右洞拱頂沉降隨著隧道的開挖呈現出相同的變化趨勢，當開挖到監測斷面時，拱頂沉降速率最大，當掌子面遠離監測斷面約10環時，拱頂沉降趨于穩定并且兩洞的最大沉降量相近，最大沉降量約為12.05mm。在開挖左洞時，兩拱腰有向外變形的趨勢，左洞開挖完成后，左洞右拱腰水平位移達到最大，約為3mm，而左洞左拱腰隨著右洞的開挖逐漸增大，表明右洞開挖對左洞產生外擠作用；從右洞拱腰水平位移曲線可以看出，右洞左拱腰在受左洞開挖影響的基礎上逐漸向隧道外側變形，使得水平位移趨于減小，其變化幅度較大，總變化量約2.5mm，右拱腰總體變形趨于平穩，變化幅度較小。

為增強對比，以隧道兩拱腰的相對位移為研究對象得到變形曲線，左洞拱腰相對水平位移量隨著左洞的開挖逐漸增大，隨著右洞的開挖逐漸減小，右洞拱腰相對水平位移量隨著隧道的開挖呈現遞增的趨勢，當掌子面到達監測斷面時，左右隧道拱腰處均會出現驟變現象，表明隧道開挖到監測斷面時對當前及相鄰隧道影響較大。

3.2應力分析

隧道拱頂和拱底處豎向應力較小，在隧道兩拱腰處出現應力集中，在右洞左拱腰處豎向應力最大，為2.01MPa。

在小徑距隧道開挖過程中，拱腰處受水平應力影響較明顯，選取左右隧道第十環為監測斷面，得到隧道拱腰處圍巖的水平應力變化曲線，左洞開挖時，左洞兩拱腰處水平應力變化較大，離拱腰越遠，圍巖應力變化越小，當掌子面達到監測斷面時，水平應力接近最大值，其中右拱腰處水平應力大于左拱腰，應力大小分別為0.66MPa和0.61MPa；右洞開挖時，兩隧道間圍巖體受力較大，左洞右拱腰水平應力呈現增大趨勢，而左拱腰受右洞開挖影響較小，應力基本保持不變，右洞開挖完成后，左洞右拱腰處水平應力最大，其次為右洞左拱腰，而左洞左拱腰處水平應力最小，其中最大水平應力為0.71MPa。

初襯受力最大處基本上位于隧道兩拱腰處，其中最大Mises應力約為9.9MPa。

4監測對比分析

選取左洞拱頂沉降、拱腰收斂及拱腰壓力監測數據與數值模擬結果進行對比分析，在監測第35天，右洞掌子面到達監測斷面。

在實際監測，隨著右洞的開挖，左洞拱頂沉降基本保持不變，而拱腰收斂呈現減小趨勢，但其變化幅度較數值模擬結果小，實際拱頂最大沉降值和模擬結果較為接近，而實際拱腰收斂最大值大于數值模擬結果，差值約為2mm。左洞拱腰實際監測圍巖變化規律和數值模擬結果相近，左洞右拱腰受右洞的影響呈現增加趨勢，實際監測中其附加應力約為0.18MPa，數值模擬中其附加應力約為0.05MPa，左洞左拱腰應力受右洞開挖影響小。

5結語

通過有限元模擬軟件Midas對淺埋小徑距隧道進行數值模擬，得到的結果與實際監測既有相似性也有差異性：

（1）隨著隧道的開挖，隧道拱頂、拱腰變形值以及圍巖應力變化逐漸增大并趨于穩定狀態。

（2）在數值模擬和實際監測中，右洞的開挖對左洞拱頂沉降影響較小，而拱腰收斂值有減小趨勢，數值模擬中較實際監測中變化更為明顯。另外，數值模擬和實際監測中拱頂沉降最大值較為接近，為11.5mm，而實際監測拱腰收斂最大值較數值模擬大2mm。

（3）在數值模擬中，兩隧道中間巖體存在應力集中現象，近接拱腰處圍巖應力最大，隨著右洞的開挖，左洞右拱腰應力有增大趨勢，在實際監測中其變化幅度更加明顯，而左洞左拱腰應力基本保持不變。

參考文獻：

[1]張建. 淺埋雙側偏壓小凈距隧道圍巖壓力及施工力學效應研究[D].重慶大學，2012.

[2]龔建伍，夏才初，雷學文. 淺埋小凈距隧道圍巖壓力計算與監測分析[J]. 巖石力學與工程學報，2010，29（Z2）：4139～4145.

[3]肖明清.小間距淺埋隧道圍巖壓力的探討[J].現代隧道技術. 2004， 41（3）： 7～10.

[4]彭園，錢江，翟全磊等. Midas GTS三維數值分析在隧道偏壓淺埋洞口段的應用及技術實踐[J]. 公路，2016，06：268～274.

[5]舒志樂，劉保縣，李月.偏壓小凈距隧道圍巖壓力分析[J].地下空間與工程學報，2007，3（3）：430～433.

[6]胡元芳.小線間距城市雙線隧道圍巖穩定性分析[J].巖石力學與工程學報.2002，21（9）：1335～1338.

[7]靳曉光，劉偉，鄭學貴等.小凈距偏壓公路隧道開挖順序優化[J].公路交通科技，2005，22（8）：61～64.

作者簡介：

李燕杰，女，1975年生，滿族，河北承德人，碩士研究生，高級工程師，主要從事巖土工程研究工作，上海普陀區中山北路2150號中船勘察設計研究院有限公司。