不同凈距雙洞隧道上下臺階法同時開挖數值模擬分析

李明樾 洪星架

為研究不同凈距雙洞隧道在上下臺階法同時開挖下的圍巖變形、受力及支護受力情況，文章基于Midas/GTS軟件平臺對10 m、14 m、18 m、22 m凈距雙洞隧道進行了數值模擬分析。結果表明：（1）隧道中巖墻一側拱腰水平位移相比左側拱腰大，拱頂處、仰拱處水平位移較小，且隨著凈距變化其值基本保持不變;（2）隧道拱頂及仰拱位置處圍巖豎向位移較大，拱腰處較小，隨著隧道凈距增大各部位豎向位移均減小;（3）隨著隧道凈距的增大拱頂及仰拱處的水平應力及豎向應力逐漸減小，但減小幅度較小，同時拱腰處水平應力及豎向應力變化較大，且減小幅度不斷擴大;（4）隨著凈距的增大，錨桿軸力最大值及噴混結構最大拉應力發生了減小，減小幅度逐漸擴大。

雙洞隧道;不同凈距;上下臺階法;圍巖;支護

U455.4A200704

0 引言

我國山嶺所占比重較大，山嶺地形條件復雜，受限于這些復雜的地形地質條件，隧道工程就常見于高級公路的修建當中。雙洞隧道不同于單洞隧道，當兩個隧洞凈距較小時，隧洞開挖就會互相產生影響[1-2]，開挖過程中圍巖變形、受力就更為復雜。因此，針對雙洞隧道的開挖過程，不同開挖方法、不同圍巖等級等方面因素已有不少學者已經進行了研究[3-5]。上下臺階法因其預留臺階長度和分部開挖的方式能夠有效控制隧道開挖過程的圍巖變形[6]，所以，為了研究不同凈距雙洞隧道在上下臺階法同時開挖下的圍巖變形、受力及支護受力情況，本文基于Midas/GTS軟件平臺對10 m、14 m、18 m、22 m凈距下的隧道拱頂、拱腰及仰拱部位的水平、豎向位移，水平、豎向應力以及錨桿、噴混結構的應力變化規律進行了數值模擬分析，研究結論對雙洞隧道凈距及支護參數的設計具有重要參考意義。

1 小凈距隧道及施工方法

1.1 小凈距隧道

小凈距隧道是指隧道中的中巖墻厚度小于分離式獨立雙洞的最小凈距的雙洞隧道。根據《公路隧道設計細則（JTG/T D70-2010）》[8]，分離式獨立雙洞的最小凈距如表1所示，其中B為隧道洞徑長度。

1.2 上下臺階法

上下臺階法因預留一定的臺階長度，給予掌子面一定反向推力，有利于控制開挖過程中的圍巖變形，常用于圍巖等級較低或其他特殊開挖環境中。主要施工步驟為：開挖上臺階①、預留下臺階②→施作上部臺階錨桿、噴射混凝土→開挖下臺階②→剩余部分初支施作。

2 模型建立及分析工況

2.1 隧道模型建立

假定圍巖性質為連續、均質及各向同性，初始地應力場為自重應力，即σZ=γH，采用摩爾-庫倫屈服準則[7]。初期支護中噴射混凝土采用2D板單元模擬;錨桿采用1D植入式桁架單元模擬;巖體采用3D實體單元模擬。

計算區域選取約5倍洞徑左右，橫向120 m、豎向120 m、縱向30 m。模型方向規定為：隧道開挖方向為Y軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進橫斷面向左方向為X軸正向，數值模型如圖2所示。模型邊界X、Y方向位移面施加約束;底部邊界Z方向位移面施加約束;隧道圍巖等級為Ⅲ級，采用噴錨支護的方式，錨桿采用2×1.8 m的間距布置，結構單元如圖3所示。

2.2 分析工況

該隧道洞徑為10.5 m，而分離式獨立雙洞的最小凈距為21 m。本次模擬分析工況為三個小凈距隧道，一個分離式隧道，具體工況如表2所示。不同凈距模型示意圖如圖4所示;隧道的圍巖參數如表3所示;支護參數如表4所示。

3 數值模擬結果分析

3.1 圍巖位移分析

3.1.1 圍巖水平位移

導出模型計算結果，通過結果提取方式提取隧道不同部位圍巖的位移值，如下頁圖5所示。由圖5可知：10 m凈距下雙洞隧道開挖的圍巖水平位移拱頂處為0.5 mm，仰拱處水平位移為0.6 mm;兩側拱腰水平位移值并不相等，不同于單洞隧道，左側拱腰水平位移為10.1 mm，中巖墻一側拱腰水平位移為11.3 mm，相比左側拱腰大1.2 mm。以相同的方式提取不同凈距的雙洞隧道開挖后的水平位移值，繪制折線圖進行對比分析，其中因中巖墻一側拱腰的水平位移值更大，四種工況下拱腰處的水平位移值采取中巖墻一側的水平位移值。

提取不同部位不同凈距下圍巖豎向位移值繪制折線圖，如圖6所示。由圖6可知：10 m凈距下拱頂處、仰拱處水平位移分別為0.5 mm、0.6 mm，且隨著凈距變化其值基本保持不變;而中巖墻一側在凈距為10 m時拱腰處水平位移為11.3 mm，凈距增大為14 m、18 m時水平位移值分別為10.6 mm和9.48 mm，分別減小了0.7 mm、1.12 mm，減小幅度有所擴大;當凈距增大至22 m時，即隧道從小凈距隧道變為分離式隧道時，拱腰處水平位移值減小至5.67 mm，減小幅度進一步擴大。

3.1.2 圍巖豎向位移

如圖7所示，圍巖豎向位移較大值發生在隧道拱頂及仰拱位置處，拱腰處豎向位移值較小。隨著隧道凈距的增大，隧道拱頂、拱腰及仰拱處的豎向位移均減小;在凈距從18 m增大至22 m時，拱頂、仰拱和拱腰處的豎向位移分別減小了1.05 mm、1.29 mm和0.75 mm，減小比率分別為14.8%、18.5%和34.1%，可以看出凈距的增大對拱腰處位移影響更大。

3.2 圍巖應力分析

導出隧道水平應力S-XX及豎向應力S-ZZ分布圖，同樣通過提取結果方式提取隧道不同部位的應力值。

3.2.1 圍巖水平應力S-XX

從圍巖不同部位的水平應力變化可以看到，拱頂及仰拱處的水平應力隨著隧道凈距的增大在逐漸減小，但減小幅度較小，拱頂處水平應力在-480～-450 kN/m2范圍內，仰拱處水平應力在-290～-280 kN/m2范圍內;而拱腰處水平應力變化較大，10 m凈距時水平應力為-560.6 kN/m2，隨著凈距的增大，拱腰處水平應力值分別減小了9.86 kN/m2、31.5 kN/m2、62.39 kN/m2，減小幅度不斷擴大。如圖8所示。

3.2.2 圍巖豎向應力S-ZZ

分析豎向應力變化可以看到，拱頂及仰拱處豎向應力值隨隧道凈距變化較小，拱頂處豎向應力值在-250～3 000 kN/m2范圍內，仰拱處豎向應力值在-145～165 kN/m2范圍內;同樣在拱腰位置處豎向應力變化較大，隨著凈距的增大，拱腰處水平應力值分別減小了50.32 kN/m2、134.97 kN/m2、365.87 kN/m2，減小幅度不斷擴大。如圖9所示。

3.3 支護受力分析

分析支護受力情況，導出開挖完成后噴混結構最大主應力分布圖及錨桿軸力圖，如圖10～11所示。

從圖11可以看到，噴混結構最大拉應力及錨桿軸力最大值均分布在隧道拱腰位置，且隨著凈距的增大，錨桿軸力最大值及噴混結構最大拉應力均發生了減小，減小幅度也逐漸擴大，錨桿軸力最大值在325～400 kN范圍內，噴混結構最大拉應力在1 900～2 250 kN/m2范圍內。

4 結語

為了分析不同凈距雙洞隧道上下臺階法同時開挖下圍巖變形、受力及支護的受力情況，本文基于Midas/GTS軟件平臺對隧道開挖過程進行了數值模擬及結果分析，得到以下主要結論：

（1）雙洞隧道開挖的圍巖兩側拱腰水平位移值并不相等，中巖墻一側拱腰水平位移相比左側拱腰大。

（2）拱頂處、仰拱處水平位移較小，且隨著凈距變化其值基本保持不變;中巖墻一側拱腰處水平位移隨凈距的增大不斷減小，減小幅度不斷擴大;當凈距增大至22 m時，即隧道從小凈距隧道變為分離式隧道時，減小幅度進一步擴大。

（3）圍巖豎向位移較大值發生在隧道拱頂及仰拱位置處，拱腰處豎向位移值較小;隨著隧道凈距的增大，隧道拱頂、拱腰及仰拱處的豎向位移均發生了減小;在凈距從18 m增大至22 m時，拱頂、仰拱和拱腰處的豎向位移減小比率分別為14.8%、18.5%和34.1%，凈距的增大對拱腰處位移影響更大。

（4）拱頂及仰拱處的水平應力S-XX及豎向應力S-ZZ隨著隧道凈距的增大在逐漸減小，但減小幅度較小，而拱腰處水平應力S-XX及豎向應力S-ZZ變化較大，且隨著凈距的增大減小幅度不斷擴大。

（5）噴混結構最大拉應力及錨桿軸力最大值均分布在隧道拱腰位置，且隨著凈距的增大，錨桿軸力最大值及噴混結構最大拉應力均發生了減小，減小幅度也逐漸擴大。

綜上分析可以發現，小凈距雙洞隧道同時開挖，因凈距較小，其中巖墻厚度遠遠小于分離式隧道中巖墻厚度，左右洞開挖相互作用在中巖墻處出現二次應力疊加，使應力集中，從而導致中巖墻一側拱腰處圍巖應力、位移及支護結構的應力較大，且凈距越小，開挖對圍巖及支護的影響越大，因此需對中巖墻一側的支護參數進行加強。

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[8]JTG/T D70-2010，公路隧道設計細則[S].