分離式雙隧道圍巖支護與沉降規律研究

李朝陽，李 鵬，歐陽旺，劉錢豐，劉正興，楊儉興，王圣龍，崔夢園，劉濤影

（1.廣西六賓高速公路建設發展有限公司，南寧 530023；2.湖南聯智科技股份有限公司，長沙 410200；3.中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083）

隨著“十三五”規劃綱要的提出，廣西繼續施行交通發展是第一要務的戰略，不斷地加快廣西的交通基礎設施建設。自從1997 年廣西的第一條高速公路建成通車，廣西高速公路開始飛速發展。高速公路總里程達到6 803 km，建成高速公路28 條，構建了極其龐大和復雜的高速公路網，基本實現了高速公路縣縣通，大大提高了運輸能力和效率[1]。高速公路建成過程中，往往會遇到隧道開挖問題，現如今施工方法越來越精進，施工步驟越來越多，從傳統的礦山法、鉆爆法到如今的中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）、雙側壁導坑法等。隧道施工穩定性研究，是工程中必不可少的一部分，可提供一些施工建議和安全保證。何信[2]利用有限元軟件FLAC3D 模擬分離式隧道開挖和支護，得出分離式隧道開挖間距應在2 倍洞徑左右。邢立志[3]對分離式隧道圍巖支護穩定性進行研究，提出一種新式的隧道圍巖支護方法。伍達富等[4]對有限元的無支圓形隧道拱頂下沉進行分析，得出隧道拱頂下沉值變化關系。汪振眾[5]采用MIDAS/GTS NX 有限元方法對不同側覆土厚度下偏壓隧道圍巖拱頂沉降的時空規律進行研究，發現側覆土厚度較大時，偏壓隧道最大沉降位移逐漸向拱頂轉移。本文以廣西高良隧道為依據，研究中度埋深分離式隧道分步開挖的施工過程中的隧道拱頂位移變化、隧道周圍變形、初支應力、內撐受力、二襯受力、錨桿受力和分離式隧道中間巖石受力及地表沉降規律。利用理論與實際參數相結合，模擬結果與實際的監測數據進行對比，研究分離式隧道CRD 法同時開挖的隧道影響規律，為同類型工程提供一定理論依據。

1 工程概況

高良隧道進洞口位于南寧市賓陽縣陳平鎮高良村東北側，出洞口位于陳平鎮譚沖村西南側，為分離式雙洞隧道；左幅起訖里程為ZK32+647.00～ZK34+955.00，長2 308 m，最大埋深約374 m，右幅起訖里程為K32+636.00～K34+917.00，長2 281 m，最大埋深約378 m。本文根據施工設計，取右線K34+620~K34+680 及其對應左線部分，長60 m，隧道斷面寬為12.02 m，高為8.53 m，兩隧道間距離為20 m，模擬部分埋深為95.31 m。暗挖隧道區段土層由上到下依次為全風化碎巖、強分化巖和中風化巖。暗挖隧道圍巖級別為Ⅴ級，采取CRD 法施工[6]，使用超前小導管[7]進行超前支護，初支為噴砼、鋼筋網、錨桿支護，設防水層，再進行二次襯砌和鋪底。

2 隧道數值模擬模型構建

為了分析分離式隧道施工過程中隧道、支護、圍巖等受力情況，構建了如圖1 所示的長度為60 m 的分離式隧道模型。考慮到數值模擬的精準度，隧道左右圍巖大于5 倍洞徑寬度，隧道下部圍巖大于5 倍洞徑高度，最后構建出的模型尺寸為180 m×60 m×175 m。模型中圍巖部分、二襯部分為實體單元，采用摩爾-庫倫本構模型，具體材料物理力學參數見表1；初支及內撐采用板單元模擬，錨桿采用一維植入式桁架模擬，均采用彈性本構模型進行模擬，網格構建使用混合四面體網格，模型邊界設置自動約束，同時設置自重。隧道模型分為左線和右線2 部分，每一部分都采用CRD 法開挖，開挖步驟分為30 步，每次開挖循環設置為2 m，模型施工過程與實際施工同步驟，減少誤差。最終構建模型包含有10 萬個網格單元，如圖1 所示。

表1 材料物理力學參數

圖1 分離式隧道模型

3 隧道施工模擬結果分析

3.1 監測點布置

為了增加數值模擬的準確度，隧道開挖過程與實際開挖對應，隧道開挖、初支、內撐、二襯及錨桿等都采用對應模擬材料進行模擬。首先開挖左側隧道，利用CRD 法進行施工模擬，開挖順序如圖2 所示，首先開挖隧道①部分，隨后進行初支和內撐的支護，隨后再依次進行隧道②、隧道③、隧道④部分的開挖和支護；隧道①部分開挖時，相鄰開挖臺階錯距6 m。CRD 法開挖的施工準則為管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉和勤量測，自上而下，分塊成環，隨挖隨撐，及時做好初期支護，開挖的每一步都各自封閉成環，兼有臺階法和雙側壁導坑法的優點，有利于圍巖穩定，保證施工安全[8]。為測量隧道施工過程中隧道圍巖沉降情況，現每個隧道界面上設置4 個監測點，每20 m 設置一組監測點，總共4 組監測點。同樣，左側隧道開挖結束后進行右側隧道的開挖，順序及步驟同左側是對稱的，同樣設置4 組監測點，每組設置4 個監測點，監測隧道開挖過程中隧道拱頂沉降、洞周收斂、隧道變形等，監測點位置如圖3 所示。

圖2 分離式隧道開挖順序圖

圖3 分離式隧道監測點布置圖

3.2 拱頂沉降

分別在左側隧道和右側隧道拱頂安裝沉降檢測裝置，經過模擬結果分析做出沉降變化曲線，如圖4 所示。B1為左側隧道洞口頂部監測點，對0、20、40 和60 m 處的沉降變化進行數據分析，發現0 處沉降大致為反曲線形狀，Step1~5 中隧道①部分開挖后導致隧道頂部受力不均衡，下方支撐力急速下降至0，導致隧道頂部迅速下沉，隨后隧道初支及內撐的布置完成，使得隧道頂部受力均衡，Step6~10 下降速度緩和，在Step30 以后，隧道下降趨勢基本穩定在5.2 mm 處。在距離洞口20 m處拱頂監測數據顯示，在開挖進行到Step7 時，對此處頂部基本無影響，當越來越接近Step10 時，距離洞口20 m 處的拱頂下沉趨勢越來越明顯；當經過Step10~14時，隧道頂部下沉曲線同上述情況相同，由于下方的支撐巖石被開挖，導致受力不均衡，拱頂迅速下沉，在初支和內撐布置完成以后，下沉趨勢減小，受力趨于平衡。而距洞口40、60 m 處沉降曲線與距洞口0、20 m 處基本一致，數據顯示60 m 處隧道沉降達到最大7.01 mm，而0、20、40 m 處的最大下沉分別為5.3、5.8、5.9 mm。隧道右側拱頂沉降曲線與左側開挖曲線基本一致，洞口處最大下沉發生在Step1~5 處，下沉值約為5 mm，隨后下沉值越來越低，趨于平衡。右側隧道最大下沉值分別為6.7、6.8、6.9 和7.8 mm。

圖4 B1、B2 處拱頂沉降變化曲線

3.3 隧道底部變形

兩側隧道開挖過程中均呈現為底部隆起[9]，變形如圖5 所示。測點0 處在Step1~5 過程中呈直線上升趨勢，曲線斜率先增大再減小，同拱頂沉降曲線不同，主要原因為對測點C1處影響最大的隧道②、④部分為后開挖巖石，所以測點C1的受力在隧道②、④部分開挖完成后達到最大，所以會出現增長斜率先增大后減小。此效應在測點20 m 處最為明顯，測點20 m 處在Step5~10 發生微小的上升位移，原因是10~20 m 隧道開挖時對此測點造成應力干擾，在開挖越是接近20 m處，對測點20 m 的影響就越來越大。測點40、60 m 處的隧道底部變形會先發生下沉再上移，主要原因是隧道開挖后，測點處前側巖石開挖減少過程中，測點處地應力重分布后，開挖側圍巖減少，對測點處的應力降低，導致測點處發生變形，變形方向為開挖側。隨后測點處經歷圍巖開挖、初支、錨固和二襯，受力趨于平衡，位移基本穩定。左側隧道在測點0、20、40 和60 m處的最大位移量為5.9、6.8、6.9 和7.5 mm；右側隧道在測點0、20、40 和60 m 處的最大位移量為7.0、6.9、7.1 和7.5 mm。兩隧道底部變形基本一致，最大變形均為7.5 mm。

圖5 隧道底部變形曲線

3.4 隧道圍巖變形情況

圖6 為分離式隧道4 個監測點在不同的4 個側位處變形曲線，設置向隧道洞外位移為正。分析圖形可知，左右2 條隧道變形曲線相似，不同測點處變形也基本一致，都是先增大后減小再趨于穩定，主要原因為隧道①部分開挖后，左側壁下部荷載消失，使得地應力集中在左側壁處，導致左側壁向洞內凸起，并向周圍施壓，導致S1測點處先是受到左側壁應力影響發生正向位移；隨后隨著隧道②、③、④部分開挖完成，測點S1處左側壁應力與右側壁應力影響平衡，而測點上部圍巖失去下部支撐導致其發生向洞內的位移。4 個測點在開挖完成后的最大變形量為3.5 mm，最小變形量為2.2 mm；而4 個測點最大正向位移量為0.9 mm，最小正向位移量為0.2 mm。

圖6 雙隧道周邊變形曲線

3.5 支護受力分析

圖7 為初支主應力云圖，展示隧道開挖后最大主應力和最小主應力在初支結構上的分布。模擬結果顯示2 條隧道最大主應力分布均勻，最大拉應力為2.25 MPa，分布在初支上部和下部，如圖7（a）所示；最大壓應力為25.6 MPa，分布在初支結構兩側位置處，如圖7（b）所示。

圖7 初支主應力云圖

二襯支護應力云圖如圖8 所示，得出了各個二維平面內二襯支護的應力云圖。二襯厚度為35 cm，內有錨桿支護。數值模擬結果表示最大拉應力分布在二襯的兩側位置，最大壓應力分布在二襯頂部及底部位置。

圖8 二襯支護應力云圖

4 結論

本文根據數值模擬實驗分析分離式隧道施工過程，得出拱頂沉降云圖、底部變形云圖、洞周收斂云圖、初支應力分析、二襯應力分析和隧道周圍圍巖受力分析等，對隧道施工過程做出以下總結。

1）隧道在開挖過程中，頂部最大沉降速率出現在隧道①、③部分開挖后，當初支完成后，沉降速率大大下降，即使周圍巖石繼續開挖的過程中會對頂部造成干擾，但一旦完成初支、錨固、二襯，最大沉降值就會趨于穩定。

2）左側隧道開挖結束后頂部最大沉降值為6.9 mm，底部最大隆起值為7.2 mm，但由于右側隧道的開挖，地應力重分布，導致左側隧道最終下沉值為7.01 mm，最大隆起值為7.5 mm。

3）右側隧道開挖時會對左側已開挖的隧道造成影響，所以在右側隧道開挖過程中，需要加強對左側隧道的監測，尤其是拱頂、拱底及拱角處。