中隔壁法開挖工序對淺埋偏壓小凈距隧道穩定性影響研究

高 帥，胡明香，李文彪

(1.江西省贛南公路勘察設計院 贛州市 341000；2.贛州水務集團有限責任公司 贛州市 341000)

1 概述

淺埋偏壓小凈距隧道同時具備了隧道淺埋、偏壓、小凈距三個主要特點，因此相對于一般普通隧道，淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖壓力分布和圍巖變形規律更加復雜，隧道設計和施工也更為困難。

目前我國公路隧道建設行業對淺埋偏壓小凈距隧道的設計施工尚無明確的規范要求和詳細的技術指南，對淺埋偏壓小凈距隧道的特征缺乏充分的認識和足夠的重視，導致設計施工方案不盡合理，造成坍塌、地表沉陷、襯砌開裂等安全事故，嚴重影響隧道建設及運營安全。因此，對淺埋偏壓小凈距隧道的設計、施工等關鍵技術問題進行有針對性的分析研究具有十分重要和迫切的現實意義。

目前國內外學者對淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖壓力、結構穩定性、偏壓效應和施工方法等方面的研究已經取得了一定的成果，但仍處于理論探索和實踐檢驗階段。對淺埋偏壓小凈距隧道合理開挖工序的研究也處于起步階段，從當前僅有的研究成果上看，也尚未達成統一認識[1]。

借助有限元模擬軟件，重點討論和研究中隔壁法開挖工序對淺埋偏壓小凈距隧道圍巖變形、地表沉降和初支變形受力的影響，分析不同開挖工序下隧道變形規律，嘗試獲得中隔壁法在淺埋偏壓小凈距隧道施工中最有利的開挖工序。

2 淺埋偏壓小凈距隧道的特征

淺埋偏壓小凈距隧道同時具備了淺埋隧道、偏壓隧道和小凈距隧道的特征，主要包括以下幾點：

(1)作為特殊環境下的隧道工程，由于隧道埋深淺，其施工不僅受到覆蓋層地質條件的制約，而且還受地表環境的影響。因覆蓋層較淺，隧道圍巖難于形成卸載拱，開挖施工引起的破壞效應會迅速傳遞至地表，容易導致地表及洞頂圍巖產生塌陷[1]。

(2)由于圍巖初始地應力場的不對稱性，隧道洞身開挖將使圍巖應力場進一步惡化，容易引起洞內圍巖坍塌、隧道初期支護和襯砌結構的變形破壞。此外地表沉陷開裂又會誘發邊仰坡的失穩滑塌等地質災害，坡體滑移產生的水平推力進一步作用于隧道形成偏壓荷載，導致支護和襯砌的破壞，進而形成惡性破壞循環[2]。

(3)由于隧道兩洞之間距離較近，導致相互之間的應力場、位移場疊加嚴重。隧道先行洞施工一段時間后，圍巖應力場將調整到平衡狀態，在這種擾動后的圍巖條件下進行后行洞施工，隧道后行洞圍巖的整體穩定性必將受到很大的影響，同時后行洞施工導致的圍巖應力場的擾動也將反過來影響先行洞，而且這種影響是不對稱性的[3]。

3 中隔壁法開挖工序

中隔壁法(CD開挖法)是目前淺埋偏壓小凈距隧道施工中經常采用的開挖方法，它是在隧道開挖過程中，于斷面中間施作豎向支撐，并將整個隧道斷面在豎向支撐兩側分割成若干個臺階單元后分部開挖的施工方法。這種施工方法可有效地控制圍巖大變形，適用于大跨度或特大跨度隧道的施工，尤其是軟弱圍巖和受力不均勻的隧道開挖施工[4]。與此同時，CD開挖法兼有臺階法及側壁導坑法的優點，同時又具有施工進度快、工序轉換靈活的特點。

圖1 中隔壁法開挖、支護工序圖

對于小凈距隧道，根據隧道開挖、支護順序的不同，又可以分為以下四種開挖工序：左洞先行、正向開挖；左洞先行、反向開挖；右洞先行、正向開挖；右洞先行、反向開挖。其中左洞一側為溝側，右洞一側為山側。正向開挖，指的是先開挖左洞右側、右洞左側，再開挖左洞左側、右洞右側；反向開挖的工序則相反。小凈距隧道四種開挖工序如圖2所示。

圖2 中隔壁法四種不同開挖工序

4 淺埋偏壓小凈距隧道開挖有限元模擬

以筆架山隧道為背景，通過有限元軟件模擬計算，探討中隔壁法四種不同的開挖工序對隧道圍巖和初期支護結構的變形影響。

4.1 工程概況

筆架山隧道位于江西省信豐縣，為一座分離式隧道，其中右線長718m，左線長655m。受地形條件限制，隧道出口段由分離式隧道漸變為淺埋偏壓小凈距隧道。根據地勘資料，隧道出口段為Ⅴ級圍巖，巖性為殘坡積土及全風化、強風化變余巖屑雜砂巖，節理發育、巖體極破碎、穩定性較差。

4.2 有限元模型

采用有限元計算軟件PLAXIS，取筆架山隧道出口端淺埋偏壓段為計算剖面，分別對(a)左洞先行，正向開挖、(b)左洞先行，反向開挖、(c)右洞先行，正向開挖、(d)右洞先行，反向開挖四種不同的中隔壁法開挖工序進行有限元模擬，計算分析不同開挖工序下隧道圍巖變形、隧道拱頂與地表沉降及隧道初期支護結構變形情況。有限元模型見圖3。

圖3 淺埋偏壓小凈距隧道有限元計算模型

4.3 有限元模擬結果與分析

4.3.1隧道圍巖變形分析

(1)隧道圍巖總變形分析

不同開挖工序下隧道圍巖總變形云圖見圖4。

圖4 不同開挖工序下隧道圍巖總變形云圖

通過隧道圍巖總變形云圖(圖4)的對比和分析，可以獲得以下結論：

①對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道圍巖變形范圍和變形量均較小，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序對隧道的圍巖總變形影響最小。

②對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)開挖工序對隧道左洞圍巖變形范圍和變形量影響較小，而對右洞圍巖變形范圍和變形量影響較大。

③優先選擇反向開挖工序，若左洞先行則對右洞的圍巖變形影響較大，相反若右洞先行則對左洞的圍巖變形影響較大。

(2)隧道中夾巖變形分析

通過隧道中夾巖水平位移曲線(圖5)的對比和分析，可以獲得以下結論：

圖5 不同開挖工序下隧道中夾巖水平位移曲線

①對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道中夾巖水平位移較小，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序對隧道中夾巖水平位移影響最小。

②對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(c)、(d)開挖工序引起的隧道中夾巖水平位移較小，說明在相同的正反方向下，采用右洞先行的開挖工序對隧道中夾巖水平位移影響最小。

③選擇(d)右洞先行，反向開挖的施工工序對隧道中夾巖變形影響最小。

4.3.2隧道拱頂與地表沉降分析

通過隧道拱頂與地表沉降曲線(圖6)的對比和分析，可以獲得以下結論：

圖6 不同開挖工序下隧道拱頂與地表沉降曲線

(1)對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道拱頂與地表沉降較小，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序對隧道拱頂與地表沉降影響最小。

(2)對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)開挖工序引起的隧道左洞拱頂與地表沉降相對較小，而隧道右洞拱頂與地表沉降相對較大。

(3)優先選擇反向開挖工序，若左洞先行則對右洞的拱頂與地表沉降影響較大，若右洞先行則對左洞的拱頂與地表沉降影響較大。

4.3.3隧道初期支護結構變形分析

通過隧道初期支護總變形(圖7)對比與分析，可以獲得以下結論：

圖7 不同開挖工序下隧道初期支護總變形

(1)對比開挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)開挖工序引起的隧道初期支護總變形較小，尤其對左洞，影響最為顯著，說明在相同的先行開挖條件下，采用反向開挖工序對隧道初期支護總變形影響最小。

(2)對比開挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)開挖工序引起的隧道左洞初期支護總變形相對較小，而隧道右洞初期支護總變形相對較大。

(3)優先選擇反向開挖工序，若左洞先行則對右洞的初期支護總變形影響較大，若右洞先行則對左洞的初期支護總變形影響較大。

5 結語

基于均質巖土體假設，得到如下結論：

(1)淺埋偏壓小凈距隧道若采用中隔壁法進行開挖施工，其開挖工序應首先考慮反向開挖。根據有限元計算結果，反向開挖對隧道圍巖和初期支護結構的變形、受力影響最小。

(2)對于左洞先行或右洞先行，應根據具體條件綜合考慮選擇。總體而言，若左洞先行則對右洞圍巖變形影響較大，若右洞先行則對左洞的圍巖變形影響較大。

(3)根據上述結論，筆架山隧道施工選擇了“左洞先行、反向開挖”的中隔壁法開挖工序，施工過程中未發生坍塌現象，初期支護結構穩定，測量數據表明隧道拱頂與地表沉降均在控制范圍內。