淺埋偏壓小凈距隧道掌子面施工錯距優(yōu)化研究

中圖分類號：U452；TQ170.1+5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0203-04

Research on staggered distance optimization of shallow buried bias small spacing tunnel face construction

CHEN Jingbo'， CHEN Jiazheng23，LI Zhong23

（1. China Communications Construction Rail Transit Branch Co.，Ltd.，Beijing 1013Oo，China; 2.Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang O5oO43，China; 3.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control，Shijiazhuang O5oo43，China）

Abstract：Whenthesmall spacing tunnel is in thecomplex terainconditionof shallow buried bias，thedeformationand stress superposition of the surrounding rock of the tunnel are seriously affcted by thesmall spacing between the left and right holes，and the construction safety hazards are multiplied.In order to reduce the superimposed influence caused by the excavation of the left and right holes，the appropriate construction stagger distance should beselected to controlthe deformation and stress of the surounding rock and ensurethe stabilityof the surrounding rock.Taking the tunnel entrance section of Yiliang section of Chongqing-Kunming high-speed railway as theengineering background，F(xiàn)LAC3Dnumerical simulation is used tosimulate theinfluence of diffrentconstructionstagger distances ofleft and right tunnelfaces onthestabilityof surounding rock，andthe appropriateconstructionstagger distance of tunnel face isselected through comparativeanalysis.Theresults showthat the construction distanceof theleftand right tunnelfaceof theshallow buried biassmall clear distance tunnel inYiliang section should be kept at 50m or more. The research can provide reference value for the construction of this project.

Key words：shallow buried; bias voltage;smallspacing tunnel; construction stagger distance of working face;numerical simulation

隨著我國交通基建規(guī)模不斷擴大，隧道建設(shè)得到迅速發(fā)展[1-3]，其中小凈距隧道以施工工藝簡單、經(jīng)濟成本低等優(yōu)點得到大量應(yīng)用[413]。但小凈距隧道施工時掌子面合理施工錯距的選擇對中夾巖柱及圍巖整體自穩(wěn)性至關(guān)重要[1418]

由于隧道工程地質(zhì)條件的不同，使得小凈距隧道掌子面施工錯距尚未形成統(tǒng)一規(guī)定要求，大多基于已有的工程案例經(jīng)驗而確定，且當?shù)匦翁幱跍\埋偏壓情況下時，針對小凈距隧道掌子面施工錯距的研究相對較少。因此以彝良隧道洞口段為工程背景，采用FLACD數(shù)值模擬分析方法，對淺埋偏壓小凈距隧道左右洞掌子面不同施工錯距進行數(shù)值模擬研究，分析掌子面施工錯距與圍巖穩(wěn)定性間的聯(lián)系，以確定合適的掌子面施工錯距。

1工程概況

彝良隧道洞口段為雙洞單線隧道，左右洞凈距小于 25m ，斜坡高陡，分布有危巖體，地層軟硬相間、線路方向凹凸交替，陡坡地帶基巖大片裸露，覆土薄，表面植被發(fā)育一般，屬于淺埋隧道。該段整體坡度 40^°～70^° ，斜坡傾向約 84^° ，自然橫坡 10^°～45^° ，隧道偏壓嚴重。根據(jù)地勘報告，隧道洞口段圍巖地層巖性主要為泥盆系下統(tǒng)坡腳組、邊箐溝組 （D1b+q 砂巖夾灰?guī)r、頁巖。洞身穿越軟硬相間地層，巖層產(chǎn)狀為 N40^° ～55^°E/47^°～70^°SE ，巖層走向與線路夾角 0^°～16^° ，橫斷面視傾角 47^°～70^° ，傾向線路左側(cè)，隧道右側(cè)存在偏壓，綜合各因素考慮，采用三臺階臨時仰拱法施工方法，深埋側(cè)隧道先行開挖，淺埋側(cè)隧道后行開挖。

2數(shù)值模型建立

2.1 模型假設(shè)

（1）假設(shè)圍巖體為連續(xù)、均勻的彈塑性介質(zhì)，變形為各向同性；（2）由于隧道洞口段埋深較淺，初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力的作用，暫不考慮構(gòu)造應(yīng)力；（3）隧道二次襯砌支護主要作為安全儲備考慮，因此只考慮初期支護的作用。

2.2 模型建立

根據(jù)彝良隧道洞口段實際情況，采用FLAC3D有限差分軟件建立三維數(shù)值模型。為消除模型邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)圣維南原理，模型水平方向取3倍隧道開挖寬度為 110m ，上部取至地表面，下部取3倍隧道開挖寬度，模型縱向開挖長度為 80m 模型左右側(cè)邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎直位移約束，地表為自由邊界。

2.3參數(shù)選取

隧道圍巖采用實體單元模擬，遵從M-C屈服準則，錨桿采用cable單元模擬，噴射混凝土采用shell單元模擬。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察報告和鐵路隧道設(shè)計規(guī)范，各材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

Tab.1Physical andmechanical parametersof surrounding rock and support structure

2.4 監(jiān)測點布置

因彝良隧道洞口段開挖對圍巖的影響具有時空效應(yīng)且模型本身存在邊界效應(yīng)影響，因此選取模型中間斷面 Y=40m 處作為監(jiān)測斷面，監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1監(jiān)測點布置示意圖 Fig.1Schematic diagramof the layout ofmonitoringpoints

3掌子面施工錯距數(shù)值模擬分析

3.1 工況建立

根據(jù)依托工程的地形地質(zhì)條件，在深埋側(cè)隧道先行，淺埋側(cè)隧道后行的原則上，設(shè)置9種數(shù)值模擬工況，通過分析圍巖位移場、應(yīng)力場、剪切應(yīng)變增量和塑性區(qū)來評價不同掌子面施工錯距0、10、20、30、40、50、60、70、80m對圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 圍巖位移場分析

圍巖豎向位移云圖及變化曲線如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，隨著掌子面施工錯距的不斷增大，圍巖拱頂沉降和仰拱隆位移值均不斷減小，在掌子面施工錯距在 0～20m 范圍內(nèi)時，圍巖豎向位移變化較大，掌子面施工錯距在 20～50m 時，圍巖豎向位移變化緩慢，掌子面施工錯距在 50m 以上時，圍巖豎向位移基本無變化。說明左右洞隧道因開挖產(chǎn)生的圍巖位移變形疊加效應(yīng)逐漸減弱，因此建議該隧道洞口段應(yīng)選擇掌子面施工錯距為 50m 合適。

圍巖水平位移云圖如圖4所示。

圖4圍巖水平位移云圖

Fig.4Horizontal displacementcloud of surroundingrock

由圖4可知，當掌子面施工錯距從 0m 增加至 80m時，左拱腰水平位移值增加了 0.403mm ，右拱腰水平位移值增加了 0.527mm ，增加幅度較小且右拱腰位移值與增加幅度明顯大于左拱腰，主要因為地形偏壓影響。

圍巖水平位移變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著掌子面施工錯距的逐漸增大，圍巖左右拱腰水平位移也逐漸增大，當掌子面施工錯距在 0～20m ，圍巖水平位移變化較大，當掌子面施工錯距在 20～50m 時，圍巖水平位移增加緩慢，當掌子面施工錯距在 50～80m 時，圍巖水平位移基本無影響，從掌子面施工錯距對圍巖水平位移變化影響分析，應(yīng)選擇左右洞掌子面施工錯距為 50m 合適。

3.2.2 圍巖應(yīng)力場分析

圍巖水平應(yīng)力曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著隧道掌子面施工錯距的不斷增大，隧道拱頂、左右拱肩的豎向應(yīng)力值及左右拱腰的水平應(yīng)力值在不斷減小，當掌子面施工錯距為 50m 以上時，左右拱腰的圍巖水平應(yīng)力基本穩(wěn)定，因此掌子面施工錯距可選擇為 50m 。

3.2.3 圍巖最大剪切應(yīng)變增量分析圍巖最大剪切應(yīng)變增量變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，隨著掌子面施工錯距的不斷增大，圍巖最大剪切應(yīng)變增量逐漸減小，當掌子面施工錯距在 0～20m 時，圍巖最大剪切應(yīng)變增量變化較大，當掌子面施工錯距在 20～50m 時，圍巖最大剪切應(yīng)變增量變化較為緩慢，當掌子面施工錯距在 50～80m 時，圍巖最大剪切應(yīng)變增量基本保持不變，因此可選擇50m 為左右洞掌子面施工錯距。

3.2.4 圍巖塑性區(qū)分析

不同工況下圍巖塑性區(qū)體積如表2所示。

表2不同工況下的圍巖塑性區(qū)體積 Tab.2 The plastic zone volume of surrounding rock underdifferent working conditions m³

由表2可知，隨著掌子面施工錯距的不斷增大，圍巖塑性區(qū)正處于shear-now體積在不斷減小，而在圍巖塑性區(qū)中，now的塑性區(qū)正處于塑性流動狀態(tài)的區(qū)域，因此掌子面施工錯距的增大有利于左右洞隧道施工。當掌子面施工錯距大于 50m 時，塑性區(qū)體積變化明顯減慢，因此從控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展來說，左右洞隧道掌子面施工錯距應(yīng)為 50m 以上較為合理。

4結(jié)語

（1）當左右洞隧道同步施工時，即掌子面施工錯距為 0m ，對圍巖穩(wěn)定性影響最大，隨著掌子面施工錯距的不斷增加，對圍巖穩(wěn)定性影響逐漸減小并趨于穩(wěn)定；

（2）因小凈距隧道凈距較小，使得左右洞施工對圍巖一定范圍內(nèi)存在變形和應(yīng)力疊加影響，而當?shù)匦螠\埋偏壓情況下，影響疊加顯著。通過研究表明：當左右洞掌子面施工錯距在 0～20m 時，左右洞相互影響明顯，圍巖變形和應(yīng)力疊加顯著，當左右洞掌子面施工錯距在 20～50m 時，左右洞相互影響減弱，圍巖變形和應(yīng)力疊加不明顯，當左右洞掌子面施工錯距在 50～80m 時，左右洞相互基本無影響；

（③）對于彝良隧道洞口段，為減小左右洞因施工造成的圍巖變形和應(yīng)力疊加相互影響，左右洞掌子面施工錯距應(yīng)保持在 50m 及以上。

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