大斷面小凈距隧道圍巖壓力的數值模擬研究

唐勇三

(平潭綜合實驗區交通投資集團有限公司，福建 福州 350400)

小凈距隧道是介于分離式與連拱式之間的一種隧道型式。交通基礎設施建設的迅速發展，小凈距隧道因其節約建設用地、利于線路展線等優點，已在各類公路、鐵路隧道中廣泛運用。因雙洞之間凈距較小，其隧道支護結構所承受的圍巖壓力與傳統分離式隧道不同。許多學者采用理論解析、現場實測和數值模擬等方法對小凈距隧道的圍巖壓力分布進行了研究。龔建伍[1]等人結合小凈距隧道的特點，提出了考慮隧道雙洞先、后施工過程的圍巖壓力分析模型和計算方法，并將工程監測值與計算結果進行對比和驗證。鐘祖良[2]等人建立了淺埋雙側偏壓小凈距圍巖壓力荷載計算的力學模型，研究了該類型小凈距隧道圍巖壓力的大小及分布規律。Lei[3]等人基于相似理論，建立了典型非對稱荷載條件下的隧道開挖模擬試驗系統，并據此分析了小凈距淺埋偏壓隧道圍巖的破壞機理和荷載特性。彭從文[4]等人針對Ⅲ級圍巖，利用彈塑性三維有限元模型，分析了小凈距隧道在不同凈距下，隧道圍巖、中隔墻、錨桿及初支的受力性狀。騰俊洋[5]等人根據淺埋偏壓小凈距隧道受力特點，推導了考慮施工工序和地形坡度的淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力公式，并與數值模擬結果進行了驗證。Wang[6]等人采用D-FEM 模擬小凈距隧道開挖過程，并將該結果同FLAC3D的計算結果相比較，得到開挖過程中圍巖結構的穩定性和力學特性。吳才軒[7]推導出淺埋小凈距隧道圍巖壓力的計算公式，并在實際工程中進行驗算，得到了襯砌安全系數。夏才初[8]等人基于現場監測數據，分析了大斷面小凈距隧道圍巖與支護系統變形和受力特點。蔣坤[9]等人通過監測數據的分析，探討了大斷面小凈距隧道的拱頂下沉、洞周收斂、錨桿軸力和圍巖壓力的分布特征，以及其變化規律。孫振宇[10]等人通過多座小凈距隧道圍巖壓力的實測數據，對其圍巖壓力的計算方法進行改進，并驗證其合理性與適用性。王茜[11]等人采用了FLAC3D軟件，建立了隧道穿越斷層破碎帶的數值模型，分析了不同施工方案對小凈距隧道圍巖穩定性的影響。蘇寶[12]結合工程實例，分析了凈距、埋深和地形偏壓對圍巖壓力的影響，得出了隧道水平側壓力與豎向壓力表現出的不同變化特征。隨著市政交通需求激增和城市建設用地緊張，隧道橫斷面的布置形式多采用多孔大斷面小凈距，而針對該類型隧道的研究鮮見。因此，作者以福建省平潭綜合實驗區龍興嶺隧道為依托，擬采用數值模擬方法，研究淺埋條件下多孔大斷面小凈距隧道的圍巖壓力分布模式，以期為此類隧道的設計和施工提供借鑒和參考。

1 淺埋大斷面小凈距隧道的數值模擬

1.1 工程概況

龍興嶺隧道位于福建省平潭綜合實驗區，為市政一級公路隧道。隧道總長約為500 m，由2 個機動車主洞、2 個非機動車人行輔洞和1 個電力隧道構成，其橫斷面布置圖如圖1 所示。

圖1 龍興嶺隧道橫斷面布置(單位：m)Fig.1 The cross-section layout of Longxingling tunnel (unit:m)

主洞采用曲墻三心圓內輪廓，其凈空尺寸為14.20 m×9.46 m(寬×高)，左、右主洞內輪廓間的最小距離為7.31 m。輔洞采用曲墻單心圓內輪廓，其凈空尺寸為7.69 m×6.40 m(寬×高)，左、右側主輔洞內輪廓間的最小距離為9.66 m。其中，一處電力隧道因其開挖面積較小，距離主、輔洞相對較遠(大于16.40 m)，不做考慮。

根據相關勘察設計文件[13]，龍興嶺隧道進口段為V 級圍巖，地層由上到下依次分布為：坡積粉質黏土(約3～5 m)、砂土狀全風化凝灰熔巖(約3～5 m)、碎塊狀強風化凝灰熔巖(約5～25 m)、微風化凝灰熔巖。以K0+800斷面為例，其主洞埋深為10.03 m，采用雙側壁導坑法開挖；其輔洞埋深為10.24 m，采用單側壁導坑法開挖。

主洞初期支護采用C25 噴射混凝土+I22b 鋼拱架，厚32 cm，并輔以系統錨桿和4 道鎖腳錨桿。二次襯砌為C35 模筑鋼筋混凝土，厚55 cm。臨時支撐采用C25 噴射混凝土+I14 鋼支撐，厚20 cm。

輔洞初期支護采用C25 噴射混凝土+I18 鋼拱架，厚26 cm，并輔以系統錨桿。二次襯砌為C35模筑鋼筋混凝土，厚45 cm。臨時支撐采用C25 混凝土+I14 鋼支撐，厚20 cm。

1.2 數值模型

以K0+800 斷面為原型，在FLAC3D數值平臺上建立數值模型，如圖2 所示。數值模型整體尺寸為169 m×87 m×3 m(寬度×高度×進深)，地層由上到下依次為：坡積粉質黏土(3 m)、砂土狀全風化凝灰熔巖(3 m)、碎塊狀強風化凝灰熔巖(18 m)、中風化凝灰熔巖。各層巖土體均采用6 節點實體單元模擬，共計34 082 個實體單元，45 611 節點。隧道初支(包括臨時豎向支撐和臨時水平支撐)采用Liner 單元模擬，共計1 054 個節點和2 160 個單元。根據陳培煌[14]等人的研究成果，通過提高20%洞身圍巖參數的方法，近似等效模擬周邊系統錨桿和中夾巖加固。模型頂面(即地表面)取自由邊界，其側面為法向位移約束邊界，底面為全約束邊界。

1.3 本構參數

各層巖土體均采用摩爾?庫倫本構模型，其主要物性參數根據相關設計文件選取，見表1。隧道初期支護(臨時豎撐和臨時橫撐)采用線彈性本構模型，其重度、泊松比、彈性模量、主洞初支厚度、輔洞初支厚度和臨時支撐厚度分別為：25 kN/m3、0.2 、28 MPa、0.32 m、0.26 m、0.22 m。

圖2 淺埋大斷面小凈距隧道的數值模型Fig.2 Numerical model of large section neighbor tunnel with shallow cover depth

表1 各層巖土體的物性參數Table 1 Properties of different rock (soil) mass

1.4 開挖工況

按照設計文件中預定的開挖過程與施工工序，分四步驟進行數值模擬：(1)完成開挖前，計算初始地應力；(2)開挖左、右輔洞，完成相應的初期支護；(3)開挖右主洞，完成相應初期支護；(4)開挖左主洞，完成相應初期支護。

以右輔洞為例，采用單側壁導坑法開挖如圖3所示。具體工序為：(1)完成主輔洞間中夾巖加固；(2)開挖左導坑上臺階Ⅰ，施作左拱腰初支、上部臨時豎撐和左側臨時橫撐①；(3)開挖左導坑下臺階Ⅱ，施作左邊墻初支、下部臨時豎撐和左側仰拱②；(4)開挖右導坑上臺階Ⅲ，施作拱頂、右拱腰初支、右側臨時橫撐③；(5)開挖右導坑下臺階Ⅳ，施作右邊墻初支和右側仰拱④；(6)拆除所有臨時支護，施作二次仰拱和二次襯砌。

以右主洞為例，采用雙側壁導坑法開挖如圖4所示。具體工序為：(1)完成主洞間中夾巖加固；(2)開挖左導坑上臺階Ⅰ，施作左拱腰初支、左上部臨時豎撐和左側臨時橫撐①；(3)開挖左導坑下臺階Ⅱ，施作左邊墻初支、左下部臨時豎撐和左側仰拱②；(4)開挖右導坑上臺階Ⅲ，施作右拱腰初支、右上部臨時豎撐和右側臨時橫撐③；(5)開挖右導坑下臺階Ⅳ，施作右邊墻初支、右下部臨時豎撐和右側仰拱④；(6)開挖隧道中部上臺階Ⅴ，施作拱頂初支和中部臨時橫撐⑤；(7)開挖隧道中部下臺階Ⅵ，施作中部仰拱⑥；(8)拆除所有臨時支護，施作二次仰拱和二次襯砌。

圖3 單側壁導坑法開挖工況及圍巖壓力監測Fig.3 The excavation sequence of unilateral pilot tunneling method and the pressure monitoring points

圖4 雙側壁導坑法開挖工況及圍巖壓力監測Fig.4 The excavation sequence of bilateral pilot tunneling method and the pressure monitoring points

通過二維模型模擬分部開挖的三維過程，應注意荷載釋放率。根據文獻[15]的研究成果，每個分部開挖時的荷載釋放率取30%。每個分部開挖后，在開挖內輪廓面上反向施加虛擬支護力，為初始地應力的70%，計算至平衡。再施作初支Liner 單元，撤銷虛擬支護力后計算至平衡。則初始地應力的30%由圍巖自身承擔，70%由初支承擔。

1.5 圍巖壓力測點的布設

為研究作用在隧道初支上的圍巖壓力分布，沿隧道初支Liner 單元，每隔約1 m，布置圍巖壓力監測點。數值模擬中，可直接讀取作用在初支Liner單元上的法向壓力和切向壓力。但為了與常規隧道設計中圍巖壓力的概念相一致，可將法向壓力和切向壓力分別沿豎直方向(z 方向)和水平方向(x 方向)進行分解。

2 淺埋常規斷面隧道的圍巖壓力分布

2.1 左、右輔洞開挖和圍巖壓力分布

左、右輔洞先行施工，中軸線之間相距62.6 m，因此，可將左、右輔洞作為常規分離式隧道進行分析。右輔洞二襯施工完畢后，讀取作用在初期支護上的法向壓力和切向壓力，并轉化為豎直方向和水平方向的圍巖壓力，如圖5 所示。常規隧道設計中(假定全斷面一次性開挖)，通常認為豎向圍巖壓力呈矩形分布，水平向圍巖壓力呈梯形分布。實際上，作用在初期支護的圍巖壓力，其分布受開挖方式的影響很大。

從圖5 可以看出，左、右輔洞的豎向圍巖壓力呈“單峰折線型”分布，其最大值約為0.139 MPa，發生在臨時豎撐附近。單側壁導坑法開挖過程中，臨時豎撐承擔豎向圍巖壓力；臨時豎撐拆除后，該部分圍巖壓力由支撐點附近(拱頂附近)的初期支護承擔。左、右輔洞的水平向圍巖壓力也呈“單峰折線型”分布，其最大值約為0.258 MPa(先行側)和0.204 MPa(后行側)，也發生在臨時橫撐附近。

先行開挖的單側壁導坑位于左、右輔洞的內側，導致其內側水平壓力峰值略大于外側。

圖5 常規分離式隧道的圍巖壓力分布Fig.5 The pressure distribution of regular separated tunnel

2.2 與規范法計算圍巖的壓力比較

對于埋深介于1.0～2.5 倍等效荷載高度hq之間的淺埋無偏壓單洞隧道，根據《公路隧道設計規范( JTG D70—2004)》[16]規定的豎向圍巖壓力和水平向圍巖壓力的計算公式，將龍興嶺隧道左、右輔洞的相關數據帶入其計算公式，得到規范法圍巖壓力的分布，如圖6(a)所示。其豎向圍巖壓力q=0.213 MPa，最小和最大水平圍巖壓力分別為emin=0.028 MPa 和emax=0.035 MPa，平均水平圍巖壓力為em=0.030 MPa。

將數值模擬所得的圍巖壓力，按單峰形態擬合成雙折線如圖6(b)所示。圍巖壓力的最大值為規范方法的0.65 倍，內側水平圍巖壓力的最大值為規范方法(平均水平圍巖壓力)的8.60 倍，外側水平圍巖壓力的最大值為規范方法的6.80 倍。相對于規范方法，數值模擬方法考慮了開挖順序與臨時支撐的影響和圍巖與襯砌之間協調變形的相互作用，其計算所得圍巖壓力分布模式，更接近真實值。

圖6 規范法與數值模擬法圍巖壓力Fig.6 The comparison of ground pressure calculated by code’s method and numerical simulation

3 淺埋大斷面小凈距隧道的圍巖壓力分布

3.1 右主洞圍巖壓力分布

左、右輔洞開挖及支護完成后，繼續施作右主洞。右主洞與右輔洞之間，中夾巖厚度約為9.75 m。右主洞與左輔洞之間，中夾巖厚度約為31.2 m，均小于3.5 倍自身開挖洞徑，可視作小凈距隧道進行研究。將三洞開挖及支護完成后的圍巖壓力，沿垂直方向(y 方向)和水平方向(x 方向)進行分解，繪制其圍巖壓力分布如圖7 所示。

右主洞豎向圍巖壓力受雙側壁導坑法兩道臨時豎撐的影響，近似呈“雙峰折線型”分布：拱頂范圍內壓力較大，在臨時豎撐附近，其豎向圍巖壓力達到最大值0.146 MPa；左、右兩端的豎向圍巖壓力驟減，接近于矩形均勻分布，其平均值為0.038 MPa。右主洞水平向圍巖壓力受雙側壁導坑法的兩道臨時豎撐和一道臨時橫撐的影響，也近似呈“雙峰折線型”分布，其最大值約為0.309 MPa(先行側)和0.299 MPa(后行側)，發生在臨時橫撐附近。

受右主洞開挖的影響，右輔洞的豎向圍巖壓力有所增長，臨近右主洞側(即小凈距側)的增幅約為50%；遠離右主洞側的增幅為10%～20%。右輔洞的水平圍巖壓力亦有所增長，如：小凈距側的拱腳處，其增幅約為50%。

3.2 左主洞圍巖壓力分布

右主洞開挖及支護完成后，繼續施作左主洞。四洞開挖和支護完成后，對圍巖壓力沿垂直方向(y方向)和水平方向(x 方向)進行分解，繪制其圍巖壓力分布，如圖8 所示。

左主洞與右主洞類似，其豎向圍巖壓力亦呈“雙峰折線型”分布，臨時豎撐附近其豎向圍巖壓力達到最大值0.142 MPa，左、右兩端豎向圍巖壓力驟減，其平均值為0.041 MPa。左主洞的水平向圍巖壓力也呈“雙峰折線型”分布，其最大值約為0.339 MPa(先行側)和0.304 MPa(后行側)，發生在臨時橫撐附近。

圖7 小凈距隧道(三洞)的圍巖壓力分布Fig.7 The pressure distribution for neighborhood tunnels (triple)

圖8 小凈距隧道(四洞)的圍巖壓力分布Fig.8 The pressure distribution of neighborhood tunnels (quadruple)

受左主洞開挖的影響，右主洞的豎向圍巖壓力有所增長(平均增幅為20%～40%)，水平圍巖壓力亦有所增長(平均增幅為10%～20%)。受左主洞開挖的影響，左輔洞的水平圍巖壓力出現較大增長，尤其是小凈距側的拱腳處，其增幅約為50%。

4 結論

以平潭綜合實驗區龍興嶺隧道為工程背景，采用FLAC3D軟件，對四洞小凈距隧道的分步開挖進行了數值模擬，分析了初期支護上的圍巖壓力分布規律，得出的結論為：

1) 開挖左、右輔洞時，可將其視為常規分離式隧道，其圍巖壓力分布受開挖方式的影響較大。單側壁導坑法開挖過程中，因臨時豎撐與臨時橫撐的存在，作用在初期支護上的豎向圍巖壓力和水平圍巖壓力均呈“單峰折線型”分布。本數值模擬方法考慮了開挖順序與臨時支撐的影響和圍巖與襯砌之間協調變形的相互作用，其計算所得圍巖壓力分布與實際情況較為契合。

2) 開挖左、右主洞時，可將其視為多孔小凈距隧道，其圍巖壓力分布同樣受開挖方式影響。雙側壁導坑法中的兩道臨時豎撐與一道臨時橫撐，使得主洞初期支護上的豎向圍巖壓力與水平圍巖壓力均呈“雙峰折線型”分布。同時，左、右主洞開挖，使得臨近小凈距隧道初支上的圍巖壓力有所增長，尤其是小凈距側的最大圍巖壓力增幅可高達50%。