錯距雙洞隧道洞口段全斷面施工穩定性分析及監測

劉德兵 王振興 王付華 宋戰平 陳興周

（1.中鐵二十局集團第六工程有限公司 陜西西安 710016；2.西安建筑科技大學土木工程學院 陜西西安 710055；3.中國路橋工程有限責任公司 北京 100011；4.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室／西安建筑科技大學 陜西西安 710055；5.西安科技大學土木工程學院 陜西西安 710054）

1 引言

我國西南地區許多隧道洞口段存在淺埋、偏壓、地質條件差等工程問題［1－4］。然而隧道洞口段施工步驟繁雜以及在淺埋、偏壓的影響下，導致洞口段圍巖、支護結構［5］和邊坡穩定性差［6－8］，并且洞口段圍巖壓力［9－10］和變形特性受施工開挖方法的影響較大，當前許多隧道洞口段開挖采用CRD法和CD法。但對于采用全斷面施工方法進行圍巖變形與支護結構受力影響的研究較少；同時有關并行隧道的研究雖然較多，但對于一種受地形地貌和既有建筑物影響而形成的雙洞隧道以錯開一段距離同時開挖的研究尚屬空白。因此，研究錯距雙洞隧道洞口段同時采用全斷面開挖法施工時，支護結構和邊、仰坡變形及受力特性，對確保隧道經濟、合理建設具有很大的研究價值和現實意義。

本文以宜畢高速公路范閣梁1號隧道進口段工程項目為依托，以確保隧道施工時邊、仰坡以及隧道支護結構穩定性為出發點，采用Midas GTS NX建立數值模型，分析隧道施工時邊、仰坡以及支護結構的變形及受力特性，并結合現場監測數據進行對比分析，進一步研究該方案的合理性，從而指導工程施工，并為類似隧道建設提供參考依據和解決思路［11－12］。

2 工程概況

范閣梁1＃隧道進口段位于昭通市威信縣羅坭村，隧道處于山體斜坡地帶。施工時為了降低兩條隧道洞口處邊、仰坡的高度，設計成一種前后錯距的雙洞隧道，右線隧道長2 725 m，左線隧道長2 741 m，兩條隧道前后錯距16 m，左右相距12 m。

根據隧道工程地質條件、圍巖特征，隧道采用全斷面法同時進行開挖，然而由于1＃隧道存在16 m的錯距段導致兩隧道之間夾有的巖柱缺失，且該段隧道在偏壓作用影響下穩定性較差。

3 隧道施工數值分析

3.1 數值模型構建

研究區域右線隧道里程為K44＋540～K44＋604的區間，左線隧道里程為K44＋556～K44＋604。建模確定左線隧道距離左側邊界39 m，右線隧道距離右側邊界49 m，隧道距離底部邊界25 m。模型只考慮在自重條件下隧道開挖對圍巖及邊、仰坡的影響，模型四周及底面邊界分別設置水平約束和豎向約束。在數值分析中，Y軸負方向為隧道開挖支護方向，Z軸負方向為邊、仰坡開挖支護方向。三維數值計算模型如圖1所示。

3.2 屈服準則及計算參數

本文選擇簡單實用且參數容易獲得的Mohr-Coulomb屈服準則作為巖土體本構模型。

采用等效彈性模量對初期支護鋼拱架、鋼筋網格和噴射混凝土進行計算，具體公式描述如下：

式中：E為等效后初支彈性模量；E0為噴射混凝土彈性模量；Eg為鋼筋彈性模量；Sg為鋼筋橫截面面積；S0為混凝土橫截面面積。具體材料支護參數如表1所示。

表1 隧道支護參數

3.3 數值分析方案

（1）根據設計及現場情況確定兩條隧道的洞口及邊、仰坡位置，然后對洞口處土層自上而下進行第一層邊、仰坡開挖，開挖完成后及時進行噴射混凝土支護，按此順序直至開挖支護到第三層邊、仰坡。

（2）在兩隧道將要開挖的隧道正洞洞口處山體外側進行長6 m、厚0.9 m的支護。

（3）破除兩條隧道正洞方向洞口處仰坡混凝土支護，并以2 m進尺進行全斷面開挖及支護。

4 計算結果及分析

4.1 位移特征分析

選取右線隧道K44＋560和左線隧道K44＋586作為特征斷面進行分析。

（1）邊、仰坡位移分析

隧道開挖完成前后邊、仰坡豎向位移云圖如圖2和圖3所示。

由圖2可知，隧道開挖之前，邊、仰坡豎向位移主要表現為邊、仰坡土體向上隆起，且邊、仰坡沉降范圍主要為距離地表較近的第一層土體處，而在土體受下滑力及自身重力的耦合影響下，越靠近即將開挖的右線隧道右側下方的邊、仰坡土體隆起越明顯，最大值達到0.388 cm。

由圖3可知，隧道開挖完成后，在土體下滑力及自身重力的耦合影響下，土體隆起最大值為0.024 cm，且隆起最大范圍主要集中在最下層的邊、仰坡；最大豎向位移沉降值為－0.215 cm，沉降主要表現在距離地表較近的第一層土體上，且較隧道開挖前的沉降范圍有所集中。

（2）拱頂沉降位移分析

圖4為隧道拱頂沉降曲線。由圖4可知，右線隧道拱頂豎向位移經歷了變形緩慢增長、變形急劇增加和變形逐漸趨于穩定三個階段；而左線隧道拱頂豎向位移只有變形急劇增加和變形逐漸趨于穩定兩個階段。當隧道開挖至第23施工步時，即右線隧道開挖至34 m時，其拱頂沉降已達到最終沉降的95.5%，此后沉降量增長趨勢逐漸放緩；而在第23～第40施工步之間，左線隧道沉降量大于右線隧道沉降量。

總體而言，錯距雙洞隧道以全斷面法同時開挖，拱頂沉降變形主要分為變形緩慢增加、變形急劇增加、變形趨于穩定3階段。

4.2 受力特征分析

（1）邊、仰坡受力分析

隧道開挖完成前后邊、仰坡最大剪應力云圖如圖5和圖6所示。

由圖5可知，在隧道開挖前仰、邊坡最大剪應力出現在靠近兩隧道洞口下面的支護結構上，且在各級坡面上從下向上最大剪應力逐漸減小。

由圖6可知，由于隧道開挖卸荷，從而使得仰、邊坡的最大剪應力逐漸減小，此時最大剪應力發生在右線隧道錯開段16 m距離的隧道內部，而且在隧道開挖后邊、仰坡受到的剪應力整體上大于隧道開挖之前邊、仰坡的最大剪應力值。

（2）支護結構受力分析

圖7為右線隧道K44＋560和左線隧道K44＋586特征斷面支護結構受力云圖。

由圖7可知，左線隧道初支正彎矩最大值為108.260 kN·m，負彎矩最大值為－120.828 kN·m，且右線隧道和左線隧道二襯拱腳處分別出現了正負彎矩的最大值。這就表明，后開挖完成的右線隧道對先開挖完成的左線隧道支護結構受力產生一定的影響，即對兩條隧道之間的巖柱產生影響。

5 現場監測數據分析

為了能更好地了解錯距雙洞隧道在全斷面法施工過程中的變形特點，現場對洞口段左線隧道K44＋604和右線隧道K44＋561斷面進行隧道拱頂沉降監測，數據對比如見圖8所示。

將拱頂沉降現場監測結果與數值模擬的結果進行對比，可知右線隧道在開挖后的5～20 d內隧道拱頂沉降較大，而左線隧道在開挖后的10～20 d內隧道拱頂沉降較大。總體而言，監測數據與模擬分析結果有相同的變形規律，且在快速變形階段以后，拱頂沉降最終趨于穩定。數值模擬結果比現場監測值小，其原因可能是數值模擬對圍巖進行了簡化，沒有考慮圍巖中節理、裂隙等因素影響。

6 結論

針對宜畢高速公路項目范閣梁1＃隧道進口段的施工穩定性問題，研究了錯距雙洞隧道采用全斷面開挖時的施工穩定性，研究結論如下：

（1）錯距雙洞隧道洞口段采用全斷面法對兩條隧道同時開挖施工方法安全、可行，可滿足該隧道洞口段在淺埋偏壓影響下施工安全。

（2）范閣梁1＃錯距雙洞隧道錯開段部分的邊、仰坡以及隧道支護結構的施工穩定性較差。

（3）對范閣梁1＃錯距雙洞隧道采用全斷面法同時開挖，兩條隧道拱頂沉降和水平收斂變形總體上可分為變形緩慢增加、變形急劇增加、變形趨于穩定3個階段。

（4）跟蹤現場施工進行的隧道變形和地表沉降監測值與數值模擬所反映的規律基本一致，說明數值模擬準確可靠。