大斷面小凈距隧道開挖全過程結構受力特征研究

王志朋，魏立恒，朱長根，倪修能，郭洪雨，孫飛

（1.上海寶冶集團有限公司，上海 201900；2.浙江數智交院科技股份有限公司，杭州 310000）

1 引言

由于普通分離式雙洞隧道的接線問題以及連拱隧道在工藝、工期、造價及質量方面的問題，小凈距隧道這種結構型式應運而生。小凈距隧道是介于雙洞分離式隧道和連拱隧道之間的一種結構型式。小凈距隧道相對于普通分離式雙洞隧道和連拱隧道有以下優點：第一，其造價和施工工藝同普通分離式雙洞隧道相比相差不大，同連拱隧道相比其造價要低得多；第二，施工工藝相對簡單，工期短；第三，采用小凈距隧道有利于公路整體線形的優化。

本文案例為浙江省富陽市大盤山大斷面、小凈距公路隧道工程（雙向8 車道，凈寬17.75 m，凈高5.0 m，雙洞間凈距10～16 m）。該工程作為富陽市主城區南北向主干路的重要組成部分，出入口均為含礫粉質黏土地層，且均穿越大量民房、高樓等建（構）筑物。本文以此為依托開展大斷面小凈距隧道分部施工全過程條件下的支護結構安全性研究。

2 國內外研究現狀

為保證小凈距隧道施工狀態及運營期的穩定，施工的重點是盡可能維持兩個隧道圍巖-襯砌承載體系的完整性，保證中夾巖有足夠的強度及穩定性。國內外針對在小凈距隧道施工力學方面開展了大量研究。

Ghaboussi J 等[1]采用有限元模擬了小凈距平行隧道，對地表沉降、軸力、洞周應力和中夾巖柱應力等進行分析，指出小凈距平行隧道相互作用影響范圍主要為中夾巖柱區域，相互影響程度與隧道凈距呈反比。Solim.E[2]基于平面應變理論，采用三維有限元進行了小凈距隧道開挖施工模擬研究。Lo K.W等[3]以新加坡位于回填土、海相黏土硬沖積層中的某4 孔平行小凈距隧道為依托，根據土體水平位移、垂直位移等多項參數的量測結果，開展了多孔小凈距隧道相互影響研究。Kuriyama H 等[4]運用數值模擬技術，研究了福崗市地鐵3 號線雙線小凈距隧道的巖柱加固及監控量測技術。Chapman DN 等[5]利用室內模型試驗，對軟巖中近距離多孔隧道施工導致的地層位移進行了研究。王景春等[6]依托某引水隧道，采用現場實測及理論分析的研究手段給出了確定相鄰隧道最佳中心距的有效途徑，同時指出在條件不允許的情況下，施工中應盡量采用微差爆破、強支護等手段減小不利因素并堅持監控量測，隧道中心距超規范要求同樣能夠確保隧道的施工安全。唐儀興等[7]采用平面和三維黏彈塑性有限元對京珠國道粵境沿線近距離雙隧道開挖與支護過程進行了模擬，分析對比了圍巖與支護結構的受力、變形及塑性、受拉區的演化狀況，對圍巖-支護體系的穩定性進行了評價。

國內外針對大斷面小凈距隧道的研究已經較為豐富，但相關研究大多沒有考慮隧道全過程分步開挖的影響。因此，為了更加貼合工程實際，本文依托大盤山隧道工程，開展大斷面、小凈距隧道全過程施工力學分析，探求雙側壁7 步開挖工法下大斷面、小凈距隧道支護的受力演變過程，并對該隧道工程開展安全性評價。

3 模型建立與參數選取

3.1 模型建立

采用Plaxis 3D 地層設計模塊，根據縱斷面地層資料和實際施工情況，建立兩層地層，上層為含礫粉質黏土，下層為強風化砂巖。計算過程中，考慮了開挖引起的應力釋放，由于分步施工的每步開挖斷面較小，且前后均有較大的縱向間距，因此應力釋放率較小。本次計算的圍巖應力釋放率擬定為20%（根據公路隧道結構設計相關規范，并考慮分步開挖條件下圍巖應力釋放率較低的特性）。

地層模型尺寸為長×寬×高=140 m×40 m×60 m，即地層厚度60 m，其中埋深按照出口段SB5-JQa 襯砌段最大埋深計算約20 m；縱向按照雙側壁7 步開挖工法考慮，為避免模型邊界條件的不利影響，故模型縱向尺寸為40 m；地層寬度為避免模型水平方向模型邊界的不利影響，隧道左右側均向兩側擴展3 倍洞徑，故模型水平尺寸為140 m。

采用Plaxis 3D 專用的Tunnel Designer（隧道設計器），對隧道斷面形式及支護結構進行建模，隧道斷面形式為SB5-JQa 型襯砌斷面，雙向8 車道，凈寬17.75 m，凈高5.0 m，雙洞間凈距10～16 m。初期支護厚度32 cm，雙側壁厚度32 cm，系統錨桿直徑25 mm，縱環向間距為50 cm×100 cm。初期支護和臨時支護均為C25 噴射混凝土+雙層鋼筋網（直徑6 mm，間距15 cm×15 cm）+25b 號工字鋼拱架（間距50 cm），地層模型、隧道斷面及支護模型如圖1、圖2 所示。

圖1 地層模型

圖2 隧道初期支護、臨時支護、錨桿模型

3.2 參數選取及計算步驟

依據上述隧道設計參數，Plaxis 3D 中隧道初期支護采用SHELL 單元模擬，雙側壁臨時支護也采用SHELL 單元。由于錨桿為中空注漿錨桿，可同時提供抗彎和摩擦錨固力，因此，系統錨桿和臨時支護錨桿采用PILE 單元模擬，樁側摩阻力取35 kN/m（參考灌注樁在黏土中的樁側摩阻力）。

表1 模型參數選取

隧道施工工法為雙側壁7 步開挖，施工工序如圖3 所示。每個分區開挖的縱向間距為10 m，上中下臺階之間縱向間隔距離6 m，先行洞與后行洞之間的縱向距離為40 m，每個開挖進尺為2 m。計算步驟為：地應力平衡→分步開挖（應力釋放）→分步支護。

圖3 雙側壁7 步開挖模型（三維視角）

4 初期支護變形及受力分析

4.1 水平收斂位移

由圖4 可知，在大斷面小凈距隧道施工開挖過程中，隧道初期支護和臨時支護的變形演變過程相對復雜。在右洞先行洞完成兩側導洞開挖時，由于導洞高跨比很大，支護變形呈現出明顯的水平收斂現象，收斂變形最大值為-2.48 mm；然后，當中導洞開挖后，該位置的圍巖壓力消失，隧道完整成環，完整襯砌結構的高跨比變小，在豎向荷載占主導的條件下，支護結構受力方式發生改變，由從原本的水平收斂變為水平擴大，水平擴大位移最大值達到+2.1 cm。在左側導洞開挖過程中，左右洞的水平位移逐漸出現非對稱特征，例如，右洞右側水平擴大位移+8.27 mm，左側水平擴大位置-2.5 mm，右洞呈現向右的整體變形；同樣的，左洞也出現向左的整體變形。與后行洞相比，先行洞（右洞）的支護結構水平變形更明顯。

圖4 初期支護水平收斂變形圖

4.2 豎向收斂位移

由圖5 可知，由于掌子面開挖和洞周開挖與支護二者間不可避免的時間間隔，將產生地應力釋放。在進行初期支護施工之前，圍巖產生了一定的收斂變形，曲線起始點指示的位移即為圍巖應力釋放引起的圍巖變形。其中，圍巖應力釋放引起的拱頂沉降位移為1.28 cm，圍巖應力釋放引起的仰拱抬升位移為1.42 cm。在計算模擬過程中，初期支護施加的瞬間位移應為0，由于程序沒有自動將位移清零，因此位移云圖中的位移量是經過減去初始位移計算得出的，為支護結構施加后的真實變形。隧道開挖過程中初期支護拱頂最大下沉位移為2.04 cm，出現在拆除臨時支撐的時候；左洞拱頂最大下沉位移為1.86 cm，同樣出現在拆除臨時支護的時候。

圖5 初期支護豎向收斂邊形圖

4.3 襯砌內力及安全系數

在隧道分步開挖過程中，隧道初期支護及臨時支護的軸力彎矩均逐漸增大。由圖6 可知，隧道開挖后右洞先行洞軸力最大值2 185 kN，左洞后行洞軸力最大值1 932 kN；右洞彎矩最大值244 kN·m，左洞彎矩最大值188 kN·m。先行洞的彎矩軸力要大于后行洞，說明先行洞承擔的荷載更多。此外，在后行洞開挖過程中，兩洞結構內力逐漸呈現非對稱特征，在兩洞中夾巖柱附近的支護結構內力較大（拱腳、墻腳處最為明顯），說明小凈距條件下中夾巖柱土體的擾動增大了結構荷載。根據軸力彎矩可計算得到先行洞與后行洞的安全系數，所有安全系數均滿足要求，其中墻腳處安全系數較小，且兩洞都是靠近中夾巖柱一側的襯砌墻腳安全系數最小，經計算得到的左、右洞隧道襯砌各部位安全系數表詳見表2。

圖6 初期支護結構內力

由表2、表3 可知，先行洞隧道初期支護安全系數在相同位置上普遍小于后行洞，即與后行洞相比，先行隧道襯砌結構受力更加不利；此外，無論是先行洞還是后行洞，安全系數最小值均位于墻腳處，具體說來位于先行洞的左墻腳、后行洞的右墻腳，且左右洞隧道襯砌安全系數分布狀態呈反對稱現象，這是由于小凈距隧道開挖導致中夾巖柱及其上方的圍巖松散荷載更大，造成左右側荷載不對稱，從而使得兩相鄰隧道的彎矩軸力和安全系數出現反對稱現象。

表2 先行洞（右洞）成洞后初期支護安全系數表

表3 后行洞（左洞）成洞后初期支護安全系數表

5 結語

本文依托浙江省富陽市大盤山大斷面、小凈距公路隧道工程（雙向8 車道，凈寬17.75 m，凈高5.0 m，雙洞間凈距10～16 m），開展大斷面、小凈距隧道分步施工全過程條件下的初期支護結構安全性研究，主要從初期支護水平變形、豎向變形、結構安全系數等方面入手，主要得出以下結論：

1）大斷面、小凈距隧道開挖過程中，隧道初期支護隨著施工階段的變化而變化。在施工過程中，先行洞受力更為不利，雙側壁臨時支護的彎矩較大。因此，應注意加強對先行洞和雙側壁臨時支護的安全性驗證工作。

2）由于小凈距隧道開挖過程中，中夾巖柱及其上方的圍巖松散壓力較大，因此，造成隧道荷載不對稱，從計算結果來看，左洞整體向左側位移，右洞整體向右側位移。

3）大斷面、小凈距隧道開挖過程中，不同工程的地應力水平、地層巖性、施工工法等的不同均會影響隧道支護結構的受力情況。