小凈距隧道變形監測及穩定性影響因素研究

為評價小凈距隧道在開挖施工過程中的穩定性，文章依托賀州市大壩沖高速公路小凈距隧道實際工程，通過現場監測方法分析了開挖過程中典型斷面的變形特性，采用DIANA軟件研究了凈距和埋深對隧道穩定性的影響，得到結論如下：（1）隧道變形隨開挖進行呈現階梯式增長趨勢，并在開挖后的一段時間內趨于穩定；（2）隧道變形隨埋深增大近似線性增大，隨凈距減小呈現先增大后平緩的變化趨勢，由增長趨勢確定的臨界凈距可作為隧道的最小安全凈距；（3）受臨近后行洞開挖的影響，先行洞變形增長趨勢更加劇烈，近接施工影響值隨埋深的增大而增大，隨凈距的增大而減小，故需對雙洞效應的不良影響引起足夠重視。

小凈距隧道；變形監測；穩定性分析；DIANA軟件

U456.3A471653

作者簡介：

藍" 洋（1978—），高級工程師，主要從事路橋施工工作。

0" 引言

隨著我國經濟的高速發展和交通基建投資的不斷增加，隧道工程數量日趨增多［1］。隧道在跨越復雜山區過程中會不可避免地受到不良地形地質條件的限制，導致隧道工程在設計和施工過程中面臨嚴峻挑戰。目前，在復雜環境和使用需求的雙重限制下，小凈距隧道這種特殊隧道布置形式得到廣泛應用。但因其結構的特殊性，在開挖過程中的整體穩定性和臨近施工的相互影響，成為工程設計中的重要考量因素。

目前，針對小凈距隧道圍巖變形和整體穩定性的研究已有較多成果。李松濤等［2］依托七沖村一號小凈距公路隧道實際工程，基于現場監測手段研究了CD法+雙側壁導坑法施工段隧道的圍巖變形和結構受力特性。王峰等［3］依托山東三峰山隧道實際工程，利用有限元方法建立數值模型，研究了隧道CRD法施工過程中洞口淺埋段的圍巖變形規律。李然等［4］采用FLAC 3D有限差分軟件研究了京張高鐵長城站小凈距隧道的圍巖變形和支護受力特性，基于計算結果提出了具體的支護措施。呂啟兵等［5］以雄安新區至北京大興國際機場某區間隧道段為研究對象，運用ABAQUS有限元軟件研究了超小凈距隧道盾構開挖對雙線隧道的位移、變形的影響。胡建明等［6］以重慶某小凈距隧道為研究對象，采用ANSYS有限元軟件分析了隧道特征位置的受力、變形特性，探討了后行洞開挖對已建先行洞圍巖變形的影響。

本文以賀州市文竹村大壩沖高速公路小凈距隧道為研究對象，通過現場監測手段研究隧道開挖施工過程中典型斷面的變形特征，利用DIANA有限元軟件進行隧道整體穩定性分析，研究埋深和凈距對隧道穩定性的影響，為小凈距隧道工程設計及施工提供優化建議。

1" 工程概況

本文依托賀州市文竹村大壩沖高速公路小凈距隧道實際工程，隧道埋深約60 m，兩洞全長均為190 m，屬短隧道。隧址區屬構造剝蝕、侵蝕丘陵地貌，地形起伏較大，坡度為25°～45°，總體地勢中間高，北東及南西兩端低，相對高差約為100 m。隧道洞身圍巖以強風化砂巖（Ⅴ級）和中風化砂巖（Ⅳ級）為主，整體穩定性較好。隧道進出洞口均位于斜坡上，上覆粉質黏土，下伏泥質粉砂巖，巖層走向與隧道軸線夾角為5°，傾向SW方向，不利于洞口穩定，需加強支護。隧道選用三臺階法進開挖，采用復合式襯砌，先行洞中巖柱側設置防裂鋼筋，后行洞設置減振孔。隧道采用C25噴射混凝土+Ⅰ20鋼拱架+雙層鋼筋網+鋼花管注漿的形式進行初期支護，選用C30鋼筋混凝土進行二次襯砌，襯砌拱部位置進行超前小導管注漿。隧道斷面支護加固如圖1所示。

2" 小凈距隧道變形監測

2.1" 現場監測方案

為監測隧道施工過程中的圍巖變形特征，在隧道典型斷面多個位置設置變形監測點，研究隧道拱頂沉降、周邊收斂和地表沉降變化規律。具體測點布置情況如下頁圖2所示。其中GDX、GDH位置分別監測先、后行洞拱頂沉降；DZX、DZH位置分別監測先、后行洞洞周收斂；DB位置監測地表位移。

2.2" 隧道變形監測結果分析

2.2.1" 圍巖變形

施工全程隧道典型斷面先行洞圍巖變形時程曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著開挖的進行，隧道拱頂沉降及洞周收斂的變化趨勢可分為四個階段：（1）階段1（0～15 d）：先行洞施工時，拱頂沉降和周邊收斂快速增長；（2）階段2（16～27 d）：中期受下挖臺階工序影響，拱頂沉降和周邊收斂緩慢增長；（3）階段3（28～34 d）：拱頂沉降和周邊收斂受后行洞開挖影響增長劇烈；（4）階段4（35 d后）：施工影響減弱，拱頂沉降和周邊收斂趨于平穩。施工完成后，隧道圍巖變形穩定后的拱頂沉降和洞周收斂值分別為-10 mm和-9.8 mm，圍巖變形較小，位于預警值范圍之內，體現出施工和支護方法的正確性。

2.2.2" 地表沉降

施工全程隧道典型斷面地表沉降時程曲線如圖4所示。由圖4可知，施工過程中，地表沉降也表現出四個階段的發展趨勢：（1）階段1（0～19 d）：地表沉降受超前管棚施工影響表現出先迅速增長、后緩慢增長的變化趨勢；（2）階段2（20～41 d）：地表沉降受先行洞開挖影響持續

增長；（3）階段3（42～81 d）：后行洞開挖導致地表沉降快速增長；（4）階段4（82 d后）：所有施工工序完成，拱頂沉降趨于平穩。對比地表不同位置沉降值的大小可以發現：斷面右側沉降值大于左側，表明在雙洞效應的作用下，右側先行洞地表位移在左側后行洞開挖影響下呈現進一步增大趨勢。

3" 小凈距隧道穩定性影響因素研究

3.1" 模型的建立

前文監測了實際隧道工程在開挖施工過程中圍巖變形和地表沉降的變化情況，在此基礎上，采用DIANA非線性有限元軟件探討凈距和埋深兩個因素對隧道穩定性的影響，為類似隧道設計、施工方案優化提供參考。模型采用與實際隧道相同的設計斷面，隧道洞徑w為11.80 m、高h為8.20 m。為消除邊界效應對計算結果的影響，模型邊界考慮3～5倍洞徑，模型總長90 m、高80 m（見圖5），下邊界及左右邊界設置法向約束，上邊界不設約束。模型考慮6種埋深（15 m、20 m、25 m、30 m、40 m、50 m）和5種凈距（0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m），共計30種工況，模型巖體參考Ⅴ級圍巖進行取值，選用Mohr-Coulomb本構模型模擬；初期支護包括C25噴射混凝土和鋼拱架，鋼拱架采用梁單元模擬；二次襯砌為55 cm厚的C30混凝土。圍巖和支護參數取值如表1所示。模型工序完全按照三臺階法進行，具體設置如下：

（1）初始地應力平衡。

（2）開挖先行洞上、中、下臺階并施作初支。

（3）對先行洞進行二次襯砌。

（4）開挖后行洞上、中、下臺階并施作初支。

（5）對后行洞進行二次襯砌。

3.2" 結果分析

計算不同工況先行洞最終拱頂沉降值，繪制拱頂沉降隨埋深和凈距的變化曲線如圖6所示。由圖6可知，同一凈距條件下，先行洞拱頂沉降隨埋深的增加近似線性增長，表明埋深對小凈距隧道圍巖變形和位移影響顯著；同一埋深條件下，先行洞拱頂沉降隨凈距減小總體呈現先增長后平緩的變化趨勢。凈距0.5～1.0 m范圍內，拱頂沉降增長劇烈；凈距gt;1.0 m后，拱頂沉降增長緩慢。因此，小凈距隧道在設計和施工過程中應注意左右洞口距離的把控，存在一個臨界凈距。當左右洞口設計距離超過臨界凈距后，凈距對隧道圍巖穩定性的影響較小；而一旦左右洞口設計距離小于臨界凈距，隧道極易產生不可預測的變形，或發生失穩破壞。由數值模擬結果可知，該工程的臨界凈距為1.0 m。

為進一步量化小凈距隧道雙洞效應的影響，定義近接施工影響值為支護完成后后行洞與先行洞拱頂沉降之差。近接施工影響值隨凈距的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在其他條件一致的情況下，近接施工影響值隨埋深的增大而增大，隨凈距的增大而減小，表明小凈距隧道后行洞臨近施工對先行洞圍巖的位移、變形影響顯著，其影響隨埋深增大和凈距減小而增大。在凈距0.6 m、埋深50 m的最不利工況下，近接施工影響值已達4.038 mm，十分不利于隧道穩定，小凈距隧道設計和施工過程中需對臨近施工的不良影響引起足夠重視。

4" 結語

（1）現場監測結果表明：隧道拱頂沉降、洞周收斂及地表沉降均隨開挖工序的推進呈現階梯式增長趨勢，各項位移在施工后的一段時間內趨于穩定。在雙洞效應的作用下，受臨近左側后行洞開挖影響，右側先行洞地表位移呈現出更大的增長趨勢。

（2）數值模擬結果表明：隧道圍巖變形隨埋深增大近似線性增大，隨凈距減小呈現先增大后平緩的變化趨勢，由增長曲線拐點確定的臨界凈距可作為小凈距隧道安全凈距的最小取值。

（3）小凈距隧道后行洞臨近施工對先行洞圍巖穩定性影響顯著：近接施工影響值隨埋深的增大而增大，隨凈距的增大而減小，因此需對臨近施工的不良影響引起足夠重視。

［1］洪開榮，馮歡歡.中國公路隧道近10年的發展趨勢與思考［J］.中國公路學報，2020，33（12）：62-76.

［2］李松濤，譚忠盛，杜文濤.特大斷面小凈距公路隧道力學效應分析［J］.土木工程學報，2017，50（S2）：292-296.

［3］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.

［4］李" 然，陳" 平，張頂立，等.大斷面三孔小凈距隧道圍巖穩定性數值研究及工程實踐［J］.土木工程學報，2022，55（11）：83-95.

［5］呂啟兵，董亞博，羅明福，等.超小凈距盾構隧道施工對既有隧道變形分析［J］.山西建筑，2023，49（21）：140-143.

［6］胡建明，張永興.小凈距公路隧道施工相互作用的有限元分析［J］.重慶建筑大學學報，2006（6）：68-71，134.

20240426