小凈距隧道雙洞錯距對圍巖穩定性的影響研究

摘要：文章以龍勝—峒中口岸公路上思至峒中口岸段那麗隧道作為工程依托，采用數值模擬的方法建立那麗隧道雙側壁導坑法三維模型，并分別設置0 m、9 m、18 m、30 m共4種不同的雙洞錯距隧道開挖施工工況，根據模擬結果，分別從地表沉降、拱頂下沉、拱腰收斂以及圍巖塑性區分布4個方面分析雙洞錯距對圍巖穩定性的影響。結果表明，小凈距隧道施工過程中應重點關注中巖柱上方的地表沉降情況，防止其變形超過規定的限度，適當增大小凈距隧道雙洞錯距有利于控制拱頂沉降的變形速率。同時，根據拱腰收斂變形和圍巖塑性區分布分析，確定那麗隧道的雙洞錯距設置為18 m較為合適。

關鍵詞：緩傾；層狀巖體；小凈距隧道；雙洞錯距；數值模擬

0引言

隨著高速公路建設在西南山區的不斷延伸，將會有越來越多的隧道工程穿越層狀巖體。層狀巖體的穩定性主要受結構面控制，不同巖層傾角條件下圍巖穩定性差異顯著［1-3］，在此條件下修建的隧道工程結構受力形式與變形機理較為復雜，往往需要更加謹慎的支護結構設計與施工方案設計才能降低其誘發施工安全風險事故的概率［4］。

小凈距隧道的概念于2004年在《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）［5］中正式提出。小凈距隧道能較好地滿足某些特定的地質和地形條件，有效解決了分離式隧道接線難度大、占地面積廣等問題［6］，同時也能克服連拱隧道造價昂貴、工藝復雜、施工質量難控制等缺陷［7-8］。因此，小凈距隧道在山區公路隧道得到了較為廣泛的應用［9-10］。

小凈距隧道的本質是雙洞施工的互相影響，其支護結構受力與變形特征以及圍巖的穩定性特征都比普通隧道要復雜得多［11］。進行小凈距隧道雙洞開挖時，先行洞與后行洞掌子面錯距較小則雙洞施工互相影響顯著，不利于圍巖變形的控制；掌子面錯距較大則會影響施工工期，不利于高效的進行施工組織設計［12］。因此，相當一部分研究人員對小凈距隧道合理錯距開展了研究［13-16］，雖然取得了一定的建設性成果，但仍不夠全面，尤其針對層狀地層條件下的小凈距隧道合理錯距的研究目前還較少開展。因此，本文依托實際在建工程，通過數值分析的方式研究緩傾層狀地層條件下小凈距隧道的合理錯距。

1 工程概況

在建的那麗隧道位于防城港市峒中鎮那麗村北西約1.8 km處，屬于龍勝—峒中口岸公路上思至峒中口岸段。隧道全長1.1 km，開挖寬度為18.48 m，毛洞開挖高度為12.56 m，Ⅴ級圍巖段開挖方式為雙側壁導坑法開挖，具體開挖順序及支護形式如圖1所示。那麗隧道左、右線平行布置，中間巖柱最小間距為15 m，僅為0.81D（D為隧道開挖寬度），為小凈距隧道。隧道埋深約為50 m，屬于淺埋隧道。上覆巖體主要為層狀中風化砂巖，巖層走向與隧道徑向基本平行，傾斜方向與水平面呈15°角，如圖2所示。

2 隧道施工模擬

2.1 數值模型

為模擬那麗隧道Ⅴ級圍巖段的動態施工過程，采用FLAC 3D軟件建立三維數值模型。模型高度為90 m，隧道上覆巖體高度約為50 m，下覆巖體高度約為40 m；根據隧道開挖的邊界效應，模型的寬度應至少取至5倍的隧道洞徑，約為90 m，但考慮到本模型為雙洞隧道且存在中巖柱，因此將模型寬度適當加大，設置為120 m，中巖柱的厚度設置為15 m，兩隧道對稱布置，模型縱向長度為30 m，模型整體尺寸為90 m×120 m×30 m（高×寬×縱深）；數值模型上邊界設置為自由邊界，除上邊界外，各方向的邊界均約束其法向速度為0（如圖3所示）。

隧道及圍巖采用實體單元zone模擬，本構模型采用Mohr-Columb模型。隧道的初期支護采用FLAC 3D軟件內置的shell單元模擬。力學參數設置見表1。

為了使模型能夠有效地反映那麗隧道層狀圍巖的特征，將模型按照圖2所示進行分組，共計分為15組，在兩個分組的交界處設置接觸面（interface），用來模擬層狀圍巖的交界面（如圖4所示）。接觸面（interface）的力學參數見表2。

2.2 隧道三維動態模擬

左、右洞隧道均按照雙側壁導坑法施工順序施工，左洞為先行洞，右洞為后行洞，每次開挖進尺為3 m。為了對比左、右洞不同錯距條件下圍巖的變形特征，分別將雙洞錯距設置為0 m、9 m、18 m、30 m（先行洞貫通）進行隧道施工動態模擬，因此，此次模擬共設置4種工況，如表3所示。

為了方便對比各種工況下隧道的變形特征，在模型的中部Y=15處分別設置地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂監測點，其中地表沉降監測點設置7個，拱頂沉降監測點2個，周邊收斂監測點4個。各監測點布置如圖5所示。

分別對4種工況進行模擬，得到了各個工況下的模擬結果。為研究不同掌子面錯距對圍巖變形的影響，對數值模擬結果進行提取、處理與分析。

2.3 地表沉降

淺埋隧道在施工過程中對地表沉降有著較高的要求。對于小凈距隧道，一個合理的掌子面錯距應能在一定范圍內使隧道總體的地表沉降值較小，這樣能更加有效地保障淺埋隧道上覆巖體的圍巖穩定性。

提取地表沉降點的變形監測結果，分別繪制4種工況條件下地表沉降隨著隧道開挖施工的變形曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，在小凈距隧道開挖施工過程中，雙洞隧道不同掌子面錯距下地表沉降變形的趨勢保持一致，當左洞（先行洞）開挖后，地表沉降進入快速變形狀態，隨著開挖的進行，地表沉降值逐漸增大，當右洞（后行洞）開挖至監測斷面后，隨著隧道的開挖，各地表沉降監測點的變形值趨于穩定，基本不再發生變化。

對比圖6中的工況1、工況2、工況3、工況4可以發現，地表沉降變形穩定的時間隨著雙洞錯距的增加而增加，雙洞錯距為0 m、9 m、18 m、30 m時對應的地表沉降變形穩定時步分別為15步、18步、21步、25步。這說明對于某個監測斷面，雙洞隧道的左、右洞均開挖至該監測斷面后，隧道開挖對監測斷面地表沉降的影響才算結束。也就是說，在不考慮變形值只考慮變形持續時間的條件下，雙洞錯距越短，地表沉降就越能夠快速地趨于穩定。

同時，為了分析小凈距隧道雙洞錯距對地表沉降最終變形值的影響，繪制了不同工況下地表沉降變形的沉降槽曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，地表沉降值以中間巖柱的中線劃分，呈左、右非對稱分布，左側監測點整體變形大，右側監測點整體變形小，這主要是受到了巖體傾向的影響，使隧道整體處于偏壓狀態。隧道左洞開挖后，隧道上部巖體底層應力快速釋放，整體向左洞隧道洞內擠壓，中巖柱左側地表沉降較大；當右洞隧道開挖后，殘余的地層應力較小，中巖柱右側地表沉降也相對較小。

對比4種工況下地表沉降值的變化可以看出，隨著雙洞錯距的增加，各測點的地表沉降值逐漸減小。從地表沉降變形最大的DB0點（中巖柱上方）的數據來看，掌子面錯距分別為0 m、9 m、18 m、27 m時，該點地表沉降值分別為13.38 mm、12.95 mm、12.53 mm、12.43 mm，由此可見雙洞錯距的增加有助于控制地表沉降變形，但這個控制作用也是有限的，且雙洞錯距為18 m和30 m時的地表沉降值較為接近。

2.4 拱頂下沉

分別提取左、右洞隧道拱頂下沉監測點GDZ、GDY的變形數據，繪制變形曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出，在變形穩定時間上，掌子面錯距越長，左、右洞隧道拱頂沉降變形穩定所需的時間也越長，這與地表沉降保持一致。在變形趨勢上，左、右洞隧道的拱頂變形在不同的掌子面錯距條件下呈現出的變化趨勢并不相同，左洞隧道拱頂下沉值隨著錯距的增加而增加，右洞隧道拱頂下沉值隨著錯距的增加而減小。出現這種情況的原因主要在于：對左洞而言，左洞為先行洞，錯距越長，右洞開挖對左洞的影響持續時間也就越長，因此變形也就越來越大；右洞則恰恰相反，錯距越長，右洞開挖至監測斷面所需的時間也越長，在此期間左洞承擔的巖體釋放荷載越來越多，右洞開挖后周邊巖體處于相對較為穩定的狀態，因此變形也越來越小。

2.5 拱腰收斂

隧道的拱腰收斂變形反映了隧道的橫向穩定性。提取SLZ1、SLZ2、SLY1、SLY2點模擬結果的X向位移監測數據，并經處理得到左、右洞拱腰收斂變形結果（SLZ1-SLZ2，SLY1-SLY2），繪制變形曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出，左洞的拱腰收斂在不同工況條件下變形趨勢并不相同，當掌子面錯距不為0時，拱腰收斂變形表現為先增大、后減小、最后不變3個階段：第一階段拱腰收斂快速增加，主要是因為左洞隧道開挖后，周圍巖體急劇地向洞內擠壓；第二階段收斂值減小，主要是因為右洞開挖至監測斷面后，巖體部分開始向右洞擠壓，因而左洞的拱腰收斂變形會有一定的減小，錯距為0 m時，左右洞同時開挖，則不存在拱腰收斂減小的情況；第三階段為開挖支護完成后拱腰收斂保持穩定。右洞的拱腰收斂在掌子面錯距不為0時，變形階段為先減小再增加最后穩定，這個階段也是與左洞一一對應的，拱腰收斂首先減小是因為左洞開挖后右洞還沒有開挖，監測點隨周邊圍巖一起向左洞內擠壓，因此右洞的拱腰收斂會出現減小的趨勢，當然，錯距為0時，若左右洞同時開挖則不存在這種情況。

從拱腰收斂變形值來看，左、右洞掌子面錯距是否為0（即左、右洞是否同時開挖）對左洞拱腰的收斂變形影響顯著，當掌子面錯距為0時的拱腰收斂變形值明顯較大，但當掌子面錯距不為0時，錯距的增加對左洞拱腰收斂變形基本沒有影響。同時，對于右洞而言，其拱腰收斂變形值基本保持不變，不受掌子面是否為0以及掌子面錯距大小的影響。

2.6 塑性區

圍巖塑性區的大小反映了巖體的破壞范圍，能夠直觀地體現出隧道開挖對周邊巖體的影響范圍。為分析不同掌子面錯距對隧道塑性區的影響，借助FLAC 3D軟件內置的Fish語言開發代碼，用于自動計算塑性區體積，計算結果見表4，并繪制掌子面錯距-塑性區體積變化曲線圖，如圖10所示。

根據表4、圖10可知，當隧道掌子面錯距為0時，塑性區體積最大為22 457.86 m3；當錯距為30 m時，塑性區體積最小為19 694.02 m3，塑性區體積隨著掌子面錯距的增加而減小。這主要是因為左、右洞隧道開挖掌子面距離越近，雙洞之間的影響就越強，圍巖擾動的范圍也越大，所以隧道周邊圍巖的塑性破壞區域也就越大。同時，從圖10可以看出，隨著掌子面錯距的增大，塑性區體積減小的幅度越來越小，當掌子面錯距＞18 m時，隨著錯距的增加，塑性區體積減小不再明顯，這也說明雙洞隧道掌子面開挖的影響范圍約為18 m，即1D（為隧道開挖寬度）。

3 結語

緩傾層狀巖體條件下，小凈距隧道雙洞錯距對圍巖穩定性的影響相對復雜。本文采用隧道三維動態數值模擬的方法，重點分析了雙洞掌子面錯距對隧道變形的影響，主要得到以下結論：

（1）緩傾層狀巖體條件下淺埋小凈距隧道的地表沉降變化是非對稱的，以中巖柱劃分，左側變形大，右側變形小，中巖柱中心處的地表沉降最大。因此，在現場施工時應重點監控中巖柱上方的地表沉降，避免其變形超限。

（2）雙洞錯距的大小對拱頂下沉最終值影響較小，但對變形穩定時間影響明顯，較短的雙洞錯距會使拱頂下沉在短時間內達到較大的一個值，變形速率過大會提高現場施工的風險。

（3）左、右洞的拱腰收斂較為明顯地反映出小凈距隧道雙洞的互相影響，雙洞同時施工時拱腰收斂變形激增。經過對巖體塑性區的分析，基本確定本文的小凈距隧道掌子面開挖對周邊巖體的影響范圍約為18 m。

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基金項目：廣西重點研發計劃項目“隧道施工風險信息精細化采集、分析及數字管理平臺研發”（編號：桂科AB22080033）

作者簡介：周邦鴻（1988—），工程師，研究方向：工程管理。