復雜地層下小凈距隧道開挖穩定性分析

摘要：為研究復雜地層下小凈距隧道開挖穩定性，文章依托某高速公路大斷面小凈距隧道工程，通過FLAC 3D軟件進行數值模擬，分析了掌子面距離和圍巖彈性模量對復雜地層下小凈距隧道開挖穩定性的影響，得出結論：小凈距隧道的地表沉降曲線大致呈現左右不對稱的“W”形，先行洞由于受到后行洞的影響，其沉降變形明顯大于后行洞；隨著掌子面距離逐漸增大，整個區域的沉降值出現顯著減小，兩隧道間的相互影響逐漸減弱，隧道拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減??；隨著圍巖彈性模量的增大，隧道地表沉降、拱頂變形和水平收斂變形均呈減小的趨勢，當圍巖彈性模量＞1.0 GPa后，隧道的地表最大沉降值和拱頂變形基本保持穩定；當圍巖彈性模量＜0.233 GPa時，隧道地表最大沉降值＞30 mm的限值，應對該類圍巖進行加固處理。

關鍵詞：小凈距隧道；掌子面距離；圍巖彈性模量；FLAC 3D

中圖分類號：U456.3

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，高速公路與高速鐵路的覆蓋范圍愈發完善。然而，我國山地面積占比＞30%，在山地修建公路和鐵路不可避免地要進行大量隧道的建設，受諸多條件的限制，可選擇的隧道類型較少，其中小凈距隧道是最常見的隧道類型之一。在山區修建隧道，由于工程地質條件復雜，在開挖過程中，由于高地應力或軟弱圍巖等問題發生的塌方事故逐年增多，因此，研究小凈距隧道開挖穩定性具有較大的實際意義。

目前對小凈距隧道圍巖穩定性的研究已有了較多成果。王峰、薛然、劉二強等［1-3］均依托小凈距隧道實際工程，分別利用有限元和離散元方法進行數值模擬，對小凈距隧道的圍巖變形規律進行研究，發現隧道圍巖應力及變形均隨著隧道開挖逐漸增大。葛晨雨等［4］利用ABAQUS軟件對某高速公路小凈距隧道進行數值模擬，研究不同支護下的小凈距隧道淺埋段的應力與變形特征，發現襯砌對抑制拉應力擴展及控制圍巖變形有較好效果，而錨桿的作用不明顯。潘子葉［5］依托黃家夼隧道工程，利用FLAC 3D軟件進行數值模擬，研究了不同施工方案下偏壓小凈距隧道在施工過程中的圍巖變形特征，發現先內后外的施工順序對保證偏壓小凈距隧道的施工安全最有利。王海豐等［6］依托某巖溶地區的小凈距雙向隧道實際工程，通過現場監測和FLAC 3D數值模擬的方法對隧道圍巖變形特征進行分析，發現巖溶空腔與隧道的相對位置對圍巖的影響較大。閆振虎等［7］依托德陽市白竹山1號隧道實際工程，通過理論推導和有限元數值模擬方法，對不同凈距下隧道圍巖的受力變形特征進行分析，確定了小凈距[JP+1]隧道的合理凈距。王瑋、李慶洲、胡展等［8-10］分別依托不同的小凈距隧道工程，利用數值模擬方法，研究了開挖工法、覆土厚度和施工順序等因素對隧道圍巖穩定性的影響。

本文依托廣西某高速公路大斷面小凈距隧道工程，通過FLAC 3D軟件對其進行數值模擬，分析掌子面距離和圍巖彈性模量對復雜地層下小凈距隧道開挖穩定性的影響，以期為實際工程提供參考。

1 工程背景與數值建模

本文以某高速公路大斷面小凈距隧道工程為例，利用FLAC 3D軟件對其進行數值模擬，對小凈距隧道圍巖穩定性及影響因素進行研究。隧址區地貌主要為低山丘陵，地勢起伏較大，隧道最大埋深為50 m，地層自上向下分別為素填土、強風化片麻巖和中風化片麻巖，其中隧道穿過的地層主要為強風化片麻巖，隧道圍巖等級為Ⅴ級，地下水較為發育。左右隧道采取相同的設計斷面，斷面形狀為馬蹄形，寬度w為15.0 m，高度h為10.0 m，左右隧道之間的凈距d為10.0 m。數值模型依據隧道實際斷面進行建立，為盡可能消除因邊界效應導致的計算誤差，選取模型尺寸為100 m×64 m×100 m（長×寬×高），建立數值模型如下頁圖1所示。

在模擬隧道開挖的計算過程中，先對左側隧道進行開挖，完成一個開挖步后再左右同時開挖，每次開挖的循環進尺為3 m。選取監測斷面為沿隧道開挖方向的中軸平面，即Y=32 m平面。模型邊界條件為：模型上邊界為自由邊界，模型下邊界施加水平和豎直方向的約束；模型側面施加垂直側面的約束。圍巖的本構模型采用摩爾-庫侖模型，圍巖等級為Ⅴ級，在隧道開挖過程中只考慮初期支護，其中初期支護的本構模型采用線彈性模型，彈性模量為40.0 GPa，泊松比為0.21，等效厚度為0.3 m。如下頁表1所示。

2 掌子面距離對圍巖變形的影響

大量研究表明，在小凈距隧道工程中，兩隧道掌子面錯開的距離對圍巖穩定性有重要影響，因此本文利用控制變量法對掌子面距離對圍巖穩定性的影響進行定量研究，控制隧道埋深、隧道凈距等參數不變，設計掌子面距離分別為0 m、3 m、6 m、9 m、12 m五個計算工況，分別進行數值計算，研究掌子面距離對地表沉降和隧道變形的影響。

2.1 地表沉降規律

根據數值計算結果，提取監測斷面（Y=32 m）的地表平面的沉降值進行分析，得到不同掌子面距離下的地表沉降曲線如圖2所示，掌子面距離與地表最大沉降關系曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可知，地表沉降曲線沿X方向沉降曲線大致呈現左右不對稱的“W”形，即隧道拱頂位置對應的地表沉降值遠大于周圍區域的土體變形，沉降值隨著距兩隧道拱頂位置的距離增大而不斷減小，先行洞（左洞）由于受到后行洞（右洞）的影響，其沉降變形明顯大于右洞。隨著兩隧道掌子面距離的逐漸增大，整個區域的沉降值出現顯著減小，且沉降值減小的速率逐漸增大，兩隧道掌子面距離為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m時，左隧道的地表最大沉降值分別為19.09 mm、18.52 mm、16.95 mm、15.31 mm、10.59 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比沉降值減小的比例分別為0、2.99%、11.21%、19.80%、44.53%，右隧道的最大沉降值分別為16.05 mm、15.34 mm、14.34 mm、12.62 mm、8.05 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比沉降值減小的比例分別為0、4.42%、10.65%、21.37%、49.84%。隧道中夾巖中心線的地表沉降值是研究區域內地表沉降最小的位置，兩隧道掌子面距離為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m時，中夾巖中心線的地表沉降值分別為2.82 mm、2.61 mm、2.46 mm、2.39 mm、2.04 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比沉降值減小的比例分別為0、7.45%、12.77%、15.25%、27.66%。兩隧道掌子面距離對兩隧道拱頂位置的地表沉降值影響較為顯著，對中夾巖中心線的地表沉降值也有一定的影響。同時還可發現，隨著兩隧道掌子面距離的逐漸增大，左右隧道之間最大沉降值的差值逐漸減小，即沉降曲線由左右不對稱的“W”形逐漸向左右對稱的“W”形過渡，說明隨著兩隧道掌子面距離的逐漸增大，圍巖的穩定性逐漸增大，且兩隧道之間的相互影響逐漸減弱。

2.2 隧道變形規律

根據數值計算結果，得到不同掌子面距離下的監測斷面（Y=32 m）左洞拱頂的沉降曲線和隧道水平方向的收斂變形隨左洞掌子面位置的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，不同掌子面距離下隧道的變形存在顯著差異。不同掌子面距離下左洞拱頂變形曲線均呈現“Z”字形，即在掌子面向前推進的過程中，掌子面未達到監測斷面時，監測斷面中左洞拱頂變形均幾乎為0 mm，水平收斂在≤1 mm的范圍內變化；當掌子面即將到達監測斷面時（Y=30 m），監測斷面中左洞拱頂變形和水平收斂變形均出現小幅度的增大；當掌子面到達監測斷面時（Y=32 m），監測斷面中左洞拱頂變形和水平收斂變形均出現大幅增大；當掌子面超過監測斷面后，監測斷面中左洞拱頂變形和水平收斂變形均持續增大；當掌子面到達Y=44 m斷面時，監測斷面中左洞水平收斂變形開始保持不變；直至掌子面到達Y=46 m斷面時，監測斷面中左洞拱頂變形開始保持不變，并有一定幅度的減小。隨著掌子面距離的逐漸增大，左洞拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減小，當掌子面到達監測斷面時，兩隧道掌子面距離分別為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m的工況下，左洞拱頂變形分別為26.68 mm、25.58 mm、21.99 mm、14.68 mm、8.34 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比拱頂變形減小的比例分別為0、4.12%、17.58%、44.98%、68.74%，左洞的水平收斂變形分別為12.25 mm、11.27 mm、10.28 mm、8.52 mm、6.82 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比水平收斂變形減小的比例分別為0、8.00%、16.08%、30.45%、44.33%。當掌子面超過監測斷面時，兩隧道掌子面距離分別為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m的工況下，左洞拱頂最大變形分別為37.41 mm、33.14 mm、29.69 mm、22.79 mm、16.03 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比拱頂變形減小的比例分別為0、11.41%、20.64%、39.08%、57.15%，左洞的水平收斂最大變形分別為11.98 mm、11.00 mm、10.07 mm、8.31 mm、6.13 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比水平收斂變形減小的比例分別為0、8.18%、15.94%、30.63%、48.83%。綜上可知，兩隧道掌子面距離越大，隧道開挖過程中產生的變形越小，隧道越穩定。

3 彈性模量對圍巖變形的影響

隧道圍巖的力學性質在很大程度上影響隧道圍巖的穩定性，該隧道工程中，Ⅴ級圍巖所占比例最大，約為65.3%，Ⅳ級和Ⅲ級圍巖各占20.6%和14.1%，因此研究圍巖的力學特性對隧道穩定性的影響具有重要意義。本文考慮不同級別圍巖的力學參數，利用控制變量法對圍巖彈性模量對隧道穩定性的影響進行定量研究，設計圍巖彈性模量分別為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa 5個計算工況，分別進行數值計算，研究圍巖彈性模量對地表沉降和隧道變形的影響。

3.1 地表沉降規律

由前文可知，隧道左洞的變形大于右洞，因此本節以隧道左洞的沉降數據為例進行分析。根據數值計算結果，提取監測斷面（Y=32 m）的地表平面的沉降數據，得到不同圍巖彈性模量下的地表沉降曲線如圖5所示，圍巖彈性模量與地表最大沉降關系曲線如圖6所示。

由圖5和圖6可知，隧道左洞附近的地表沉降曲線大致呈“凹槽”形，即在隧道拱頂位置對應的位置地表沉降最大，隨著距隧道軸線距離的增加，地表沉降值迅速減小。隨著圍巖彈性模量的增大，隧道地表沉降呈減小的趨勢。圍巖彈性模量為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa時，左隧道的地表最大沉降值分別為34.19 mm、14.52 mm、12.10 mm、10.81 mm、9.84 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，沉降值減小的比例分別為0、57.53%、64.61%、68.38%、71.22%；當圍巖彈性模量由0.2 GPa增大到0.5 GPa時，左隧道的地表最大沉降值的下降幅度最大；當圍巖彈性模量超過1.0 GPa后，隨著圍巖彈性模量增大，隧道的地表最大沉降值基本保持穩定。同時還發現，當圍巖彈性模量為0.2 GPa時，左隧道的地表最大沉降值達到了34.19 mm，超過了規范要求的限值。通過擬合曲線可知，當圍巖彈性模量＜0.233 GPa時，左隧道的地表最大沉降值超過30 mm的限值，因此應對彈性模量＜0.233 GPa的圍巖進行加固處理。

3.2 隧道變形規律

根據數值計算結果，得到不同圍巖彈性模量下的監測斷面（Y=32 m）左洞拱頂的沉降曲線和隧道水平方向的收斂變形隨左洞掌子面位置的變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，不同圍巖彈性模量下左洞拱頂變形曲線均呈現“Z”字形，變化規律與前文的描述一致。隨著圍巖彈性模量的逐漸增大，左洞拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減小，當掌子面到達監測斷面時，圍巖彈性模量為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa的工況下，左洞拱頂變形分別為42.34 mm、24.24 mm、5.96 mm、5.27 mm、4.58 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，拱頂變形減小的比例分別為0、42.75%、85.92%、87.55%、89.18%，左洞的水平收斂變形分別為13.30 mm、10.23 mm、7.84 mm、6.36 mm、3.54 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，水平收斂變形減小的比例分別為0、23.08%、41.05%、52.18%、73.38%。當掌子面超過監測斷面時，圍巖彈性模量為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa的工況下，左洞拱頂最大變形分別為49.62 mm、32.03 mm、12.55 mm、11.52 mm、10.31 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，拱頂變形減小的比例分別為0、35.45%、74.71%、76.78%、79.22%，左洞的水平收斂最大變形分別為13.67 mm、10.81 mm、8.74 mm、7.26 mm、4.56 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，水平收斂變形減小的比例分別為0、20.92%、36.06%、46.89%、66.64%。綜上可知，圍巖彈性模量越大，隧道開挖過程中產生的變形越小，隧道越穩定，圍巖彈性模量在0.2～2 GPa變化時，隨著圍巖彈性模量的增大，隧道水平收斂變形逐漸減小，隧道拱頂變形先快速減?。划攪鷰r彈性模量超過1.0 GPa后，隧道拱頂變形逐漸保持穩定，在修建隧道的過程中，可考慮對彈性模量＜1.0 GPa的圍巖進行注漿加固處理。

4 結語

（1）小凈距隧道的地表沉降曲線沿X方向沉降曲線大致呈現左右不對稱的“W”形，沉降值隨著距兩隧道拱頂位置的距離增大而不斷減小，先行洞（左洞）由于受到后行洞（右洞）的影響，其沉降變形明顯大于右洞。

（2）隨著掌子面距離的逐漸增大，整個區域的沉降值出現顯著減小，左右隧道之間最大沉降值的差值逐漸減小，說明兩隧道之間的相互影響逐漸減弱，隧道拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減小，因此兩隧道掌子面距離越大，隧道開挖過程中產生的變形越小，隧道越穩定。

（3）隨著圍巖彈性模量的增大，地表沉降、隧道拱頂變形和水平收斂變形均呈減小的趨勢，當圍巖彈性模量＞1.0 GPa后，隨著圍巖彈性模量增大，隧道的地表最大沉降值和隧道拱頂變形基本保持穩定。當圍巖彈性模量＜0.233 GPa時，隧道地表最大沉降值超過30 mm的限值，應對該類圍巖進行加固處理。

參考文獻

［1］王 峰，李鑫博，楊金凱，等.小凈距大跨度隧道洞口淺埋段圍巖穩定性分析［J］.黑龍江交通科技，2023，46（7）：133-135.

［2］薛 然.基于離散元方法的小凈距隧道圍巖穩定性分析［J］.福建交通科技，2021（6）：61-65.

［3］劉二強.軟巖小凈距公路隧道設計優化及穩定性研究［J］.廣東交通職業技術學院學報，2023，22（1）：21-27.

［4］葛晨雨，李彬偉，伏永貴，等.淺埋小凈距隧道洞口穩定性及合理支護方法分析［J］.工業建筑，2023，53（S1）：519-524.

［5］潘子葉.偏壓小凈距公路隧道施工圍巖變形破壞規律研究［J］.粉煤灰綜合利用，2022，36（6）：22-27，34.

［6］王海豐，趙明喆，李亞修.復雜巖溶空腔對小凈距隧道穩定性影響的數值分析［J］.建筑結構，2022，52（S1）：2 894-2 899.

［7］閆振虎，王 凱，唐 坤，等.淺埋小凈距隧道中夾巖柱穩定性及加固方案研究［J］.長江科學院院報，2022，39（11）：126-134.

［8］王 瑋，史 奎，鄭茂源，等.開挖工法對灰巖地區小凈距公路隧道穩定性影響研究［J］.價值工程，2023，42（32）：144-146.

［9］李慶洲，劉 曉，楊金凱，等.覆土厚度對大跨度小凈距隧道穩定性影響研究［J］.山西建筑，2023，49（2）：152-156.

［10］胡 展.不同施工順序下小凈距隧道穩定性分析［J］.科學技術創新，2021（20）：100-101.

收稿日期：2024-03-25

作者簡介：支 鋒（1979—），工程師，主要從事公路工程監理工作。