公路小凈距隧道縱向空間效應分析

賀曉銘

(甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030)

在地質條件復雜的山嶺地區公路建設中，小凈距隧道因具有工序簡單、工程風險小、造價低等優點，得到廣泛應用。然而，由于兩洞室中心距較小，小凈距隧道雙洞間應力場存在空間上的相互影響[1]，這對隧道施工安全極為不利。因此，諸多學者對隧道施工過程中的空間效應進行研究。董云鵬等對硬黏土層雙線隧道進行數值模擬，認為兩洞室掌子面間距對周邊收斂影響程度大于對拱頂沉降的影響[2-4]。李志清等依據監測斷面數據分析圍巖變形的時空效應，得出隧道縱向開挖面的影響距離約為2倍洞徑[5]。周飛等基于離心模型試驗，研究了不同凈距和間距的組合下雙洞效應隧道地表及地層的變形規律[6]。劉元峰依托米家寨隧道對隧道開挖面的合理間距進行分析，得出隧道開挖面縱向合理間距應不小于20 m[7]。褚衍玉等依托大石嶺隧道，采用數值模擬分析兩洞室掌子面不同間距下地表沉降、洞周收斂變形以及中巖墻變化規律，得出掌子面合理縱向間距為40 m[8-9]。袁飛等采用FLAC3D對黃土連拱隧道開挖面的空間效應、左右洞的相互影響進行分析，得出開挖面的合理間距應控制在2.5～3倍單洞開挖寬度[10-11]。以下基于前人的研究，采用數值模擬的方法分析某公路隧道兩洞室掌子面不同縱向間距下圍巖響應特性，并提出合理的縱向施工間距。

1 工程概況及數值模型

1.1 工程概況

該隧道為公路小凈距長隧道，左線里程范圍為K0+192.513～K1+370.649，右線里程范圍為K0+190.00～K1+360.00。單洞開挖寬度為11.78 m。隧道所穿越地層圍巖為Ⅳ級、Ⅴ級，選取Ⅳ級圍巖段落進行模擬開挖及初期支護，以分析兩洞室間縱向空間效應。隧道Ⅳ級段落坡面覆蓋層為殘坡積粉質黏土，下伏志留系下統羅惹坪組泥巖，基巖巖體較完整。隧道地表坡度一般為30°～45°，局部達60°。隧道初期支護采用錨噴，開挖進尺為2 m，右洞先行。隧道左、右洞均采用臺階法施工。施工步驟為：①上斷面開挖并初期支護；②中槽開挖；③邊墻馬口跳槽開挖并初期支護；④仰拱開挖；⑤仰拱澆筑；⑥拱墻澆筑(見圖1)。

圖1 施工步序

1.2 三維數值模型建立

模型邊界：左右邊界取4倍隧道洞徑，下邊界取5倍隧道開挖高度，隧道長度取60 m(見圖2)。模型概述如下：左右邊界施加水平約束，上邊界不施加約束，底部施加豎向約束，前后邊界施加Y方向約束(X方向為平行隧道橫斷面方向，水平向右為正；Y方向為沿隧道軸線方向，垂直隧道橫斷面向里為正)。將圍巖視為各向同性的均質連續介質，采用Drucker-Prager準則。圍巖采用3D實體單元；噴射混凝土采用2D板單元，厚度為20 cm；錨桿采用1D植入性桁架單元，尺寸為1.0 m×1.0 m。各結構和材料力學參數根據《隧道施工圖設計說明》和《隧道設計規范(第一冊 土建工程)》(JTG 3370.1—2018)選取(見表1、表2)。兩洞室掌子面的縱向間距選取0.5B(6 m)、1.0B(12 m)、1.5B(18 m)、2.0B(24 m)四種工況，先行洞(右洞)掌子面開挖到既定超前斷面，后行洞(左洞)掌子面只開挖8 m，以實現掌子面不同縱向間距變化(見圖3)。

表1 模型中各材料力學參數

表2 三維模型數值計算工況匯總 m

圖2 小凈距隧道整體模型

圖3 截面選取點示意

2 不同間距圍巖力學響應分析

2.1 洞室拱頂沉降分析

由圖3可知，1-1斷面為先行洞拱頂中心斷面，2-2斷面為中夾巖柱中心斷面，3-3斷面為后行洞拱頂中心斷面。圖4為工況四洞室沉降位移變化曲線。先行洞拱頂沉降變化曲線經歷了快速上升、平緩上升、急速上升、穩定收斂四個階段，穩定收斂位置在其掌子面前方10 m處。后行洞拱頂沉降位移變化曲線經歷了急劇上升、緩慢上升、穩定收斂三個階段，穩定收斂位置也在其掌子面前方10 m處。這表明隧道停止開挖后，拱頂沉降在其掌子面前方10 m處趨于穩定。中夾巖柱沉降變化曲線經歷了平緩上升、穩定收斂兩個階段，經過先行洞掌子面后趨于穩定，說明凈距為10 m時，隧道開挖對中夾巖柱沉降的影響較小。

圖4 工況四沉降位移隨隧道縱向位置變化

圖5為各工況先行洞拱頂沉降位移變化曲線，各工況曲線也經歷了上述四個階段，工況一平緩上升階段最短，各工況沉降最大值在洞口處。隨著掌子面間距增大，先行洞拱頂沉降位移值增大，但增幅不斷減小。因此，從控制先行洞洞口拱頂沉降出發，兩相鄰隧道掌子面間距宜控制為0.5B(6 m)。

圖5 各工況先行洞拱頂沉降位移隨隧道縱向位置變化

2.2 中夾巖柱力學響應分析

小凈距隧道施工的關鍵是保護中夾巖柱的完整性和穩定性[12-16]。以中夾巖柱中心斷面2-2為基準，左右兩側各隔4 m選取斷面(見圖6)，對中夾巖柱進行位移和應力響應特性進行分析。

圖6 中夾巖柱斷面示意(單位：m)

圖7為工況四中夾巖柱沉降位移變化曲線，中夾巖柱右側沉降位移變化曲線經歷了快速上升、平緩上升、急速上升、穩定收斂四個階段，與先行洞拱頂沉降位移變化曲線保持相同特征。中夾巖柱左側沉降位移變化曲線經歷了急劇上升、緩慢上升、穩定收斂三個階段，與后行洞拱頂沉降位移曲線相同。

圖7 工況四中夾巖柱沉降位移隨隧道縱向位置變化

圖8為各工況中夾巖柱右側沉降位移變化曲線，各工況變化曲線同樣經歷了上述四個階段，工況一快速上升階段最短，工況四快速上升階段最長。最大沉降位移在洞口處，穩定收斂位置位于先行洞掌子面前方10 m處。隨著掌子面間距不斷增大，中夾巖柱右側沉降位移增大，當0.5B≤掌子面間距≤1.5B時，沉降量隨掌子面間距的增加而不斷變大；當1.5B≤掌子面間距≤2.0B時，沉降增幅開始減小。因此，從控制中夾巖柱沉降位移增長角度出發，兩相鄰隧道掌子面的間距宜≤0.5B(6 m)或≥2.0B(24 m)。

圖8 各工況中夾巖柱右側沉降位移隨隧道縱向位置變化

圖9為工況四中夾巖柱水平位移變化曲線，由圖9可知，左、右側水平位移變化曲線特征一致，水平位移最大值處于隧道縱向位置2 m處，都經歷了小幅下降、快速上升、平緩上升、穩定收斂四個階段。中夾巖柱中心水平位移變化曲線經歷了平緩上升、快速上升、穩定收斂三個階段。0～8 m為兩隧道開挖相互影響區間，右側水平位移較左側大，說明隧道開挖對靠近先行洞一側中夾巖柱水平位移影響較大。即先行洞開挖使中夾巖柱不僅向下沉降，還向左變形。

圖9 工況四中夾巖柱水平位移隨隧道縱向位置變化

圖10為各工況中夾巖柱右側水平位移變化曲線，水平位移最大值位于隧道縱向位置2 m處。在相互影響區間，水平位移隨掌子面間距增大而增大，但增幅減小。因此，從控制中夾巖柱水平位移出發，兩相鄰隧道掌子面的縱向間距宜控制在0.5B(6 m)。

圖10 各工況中夾巖柱右側水平位移隨隧道縱向位置變化

圖11為工況四中夾巖柱主應力變化曲線，右側主應力變化曲線經歷了緩慢上升、快速上升、穩定收斂三個階段，左側主應力變化曲線經歷了快速上升、平緩上升、穩定收斂三個階段。先行洞掌子面后方中夾巖柱右側主應力較左側大，在通過先行洞掌子面后，兩條曲線明顯上揚，主應力值進一步減小，表明掌子面開挖卸荷作用使應力得到進一步減小。

圖11 工況四中夾巖柱主應力隨隧道縱向位置變化

圖12為各工況中夾巖柱右側主應力變化曲線，中夾巖柱右側主應力隨間距增加而增大。各工況中夾巖柱右側主應力對掌子面間距的敏感度不同，當0.5B≤掌子面間距≤1.5B時，主應力增幅較大；1.5B≤掌子面間距≤2.0B時，主應力值雖有增加，但增幅減小，敏感度降低。從控制中夾巖柱主應力增長角度出發，兩相鄰隧道掌子面間距宜≤0.5B(6 m)或者≥2.0B(24 m)。

2.3 塑性區分析

圖13～圖16為各工況下后行洞開挖8 m時隧道塑性區分布，隨著掌子面間距的增大，先行洞塑性區分布范圍增大，后行洞塑性區分布基本無變化，塑性區擴展到掌子面處。因此，隨著掌子面間距的不斷增大，對后行洞塑性區分布影響基本沒有影響，但最大塑性應變不斷減小。從控制塑性應變角度出發，兩相鄰隧道掌子面間距宜≥2.0B(24 m)。

圖13 0.5B塑性區前視圖和軸測圖分布

為降低開挖造成的縱向空間相互影響，或避免中夾巖柱受到擾動，從控制位移、抑制應力增長、控制塑性應變這三個方面出發，兩相鄰隧道掌子面合理間距宜≤0.5B(6 m)或≥2.0B(24 m)，但6 m間距在實際工程中往往難以實現，故兩隧道掌子面間距宜≥2.0B(24 m)。

圖14 1.0B塑性區前視圖和軸測圖分布

圖15 1.5B塑性區前視圖和軸測圖分布

圖16 2.0B塑性區前視圖和軸測圖分布

3 結論

(1)在小凈距隧道開挖過程中，洞口處沉降最大，隨著隧道的開挖，拱頂沉降位移在其掌子面前方10 m處達到穩定。

(2)中夾巖柱沉降變化與拱頂沉降變化規律基本一致。洞室開挖不僅使其向下沉降，還向左變形。掌子面間距增大使先行洞塑性區有擴展趨勢，對后行洞塑性區擴展無影響。

(3)當1.5B≤掌子面間距≤2.0B時，中夾巖柱主應力增幅較大；當1.5B≤掌子面間距≤2.0B時，中夾巖柱主應力增幅較小，小凈距隧道合理的縱向施工間距宜≥2.0B(24 m)。