隧道開挖面空間效應特征研究及應用

姜彥彥 姜建平 紀 宏

（濟南市公路管理局 濟南 250108）

隨著我國經濟的發展，地下空間開發利用的規模將逐步擴大，地下商場、地下綜合交通樞紐、地下隧道、地下鐵道等將在全國各地全面展開，地下空間開發將迎來高峰期［1］。在地下工程發展的同時，許多工程問題不斷出現［2］，而地下工程開挖面的時空效應問題就是這諸多問題之一。

在巖土體中開挖隧道，伴隨著開挖面向前推進，荷載與約束實質上是處于一個在時間和空間上動態變化的過程，這勢必對圍巖產生影響。因此，可以說圍巖的穩定不僅與最終狀態有關，而且還與過程相關［3］。在這個過程中，圍巖位移不斷調整，尤其是圍巖較好的硬巖隧道，隧道掘進時，開挖面空間效應更加顯著。而對于小凈距隧道，2個工作面之間在空間上產生的疊加效應，使位移分布形式更加多樣，這不僅與施工的工序相關［5］，而且與凈距的大小密切相關。因此，在隧道開挖過程中，如何盡可能地減少對巖體初始狀態的擾動使圍巖處于相對穩定的狀態［6］，是非常復雜的問題，有必要對開挖面空間效應展開特別研究，這對于圍巖穩定及對隧道的順利施工起著至關重要的作用。

對開挖面空間效應進行研究的科技工作者很多，目前多采用粘彈性模型或粘彈塑性模型結合空間效應的流變屬性進行分析，小凈距隧道多將監控量測與數值模擬結合起來進行分析。

趙旭峰［7］計入圍巖流變效應，考慮深部軟巖隧道時空效應影響，得出在作業面影響范圍內開挖面空間效應占主導因素；王軍等［8］對不對稱連拱隧道中墻的破壞機里進行了以監控量測為主的數據統計的方式來展開研究；李術才等［9］采用模型試驗和數值模擬相結合的方法對分岔隧道進行了穩定性分析及施工優化方面的研究，得出不同中墻寬度及裝藥量大小時的優化方案；王者超［10］等對分岔隧道的變形監測展開研究得出針對小凈距隧道的施工對策。

本文采用三維線彈性的有限元數值模擬，分別分析開挖面的空間效應，及小凈距隧道開挖面的疊加效應，并結合現場監測數據，得出有實際意義的結論，見圖1。

圖1 單隧道和小凈距雙隧道三維有限元模型

1 研究方法

研究主要采用ABAQUS軟件，選用20節點六面體單元即C3D20R單元類型對模型統一劃分，假設巖體為線彈性，具體模型尺寸及相關物理參數見表1。物理參數的選取參考了相關實驗數據和工程勘察資料。

表1 模型尺寸與相關物理參數

結合現場工程地質情況，所建模型初始地應力場為自重應力場。模型底部加豎向位移約束，兩側面加左右位移約束，前后面加前后向約束，共5處約束。隧道開挖前采用Geostress分析步進行地應力平衡。

2 隧道開挖面空間效應

2.1 單隧道拱頂沉降規律分析

為研究拱頂沉降全過程曲線，監控模型中間斷面拱頂的沉降變化情況，得到隨著開挖面向前掘進監測斷面拱頂的沉降數據。圖2為監測斷面拱頂沉降變化曲線。由圖2可見，隧道開挖時，在監測點處，即使巖體還未開挖，由于開挖面的向前掘進，監測點處已經產生了沉降，沉降量約為32.4%，而且在開挖面前后1倍洞徑處沉降量較大，占到總沉降量的72.9%。

圖2 拱頂沉降與其擬合曲線

所以監控量測只能根據工程現場條件得到部分變形曲線，而不能得到完整的變形曲線。

由于開挖面的空間約束效應，拱頂沉降是逐步釋放的。開挖面的掘進導致隧道前方一定范圍內圍巖受到擾動，開始產生沉降。同時，由于開挖面空間約束作用，隨著開挖面掘進，其后圍巖應力逐漸釋放，拱頂逐步下沉，當距開挖面一定距離時，洞室圍巖變形不再受開挖面約束。

從模擬曲線中還可發現，曲線斜率在縱軸左側大于右側，說明開挖面對其前方巖體的約束效應大于其后方巖體。這一結果，也符合新奧法中的超前支護理論。

為了得到拱頂沉降與開挖面空間關系，采用式（1）擬合有限元模擬數據。

式中：S為沉降量；n＝L／D為量綱～的量化開挖面與監測點距離，L為監測斷面距開挖面距離；D為隧道洞涇。

其中：S0和c為參數。式（1）滿足以下3個條件：

①當n→－∞時，S＝0 （2）

②當n→＋∞時，S＝S0（3）

③當n＝c時，S＝S0／2 （4）

從上述式子不難看出，S0為隧道最終沉降量。

對式（1）分別求一次和二次導數，得

當n＝c，曲線斜率最大。即開挖面開挖至此處時開挖單位長度隧道引起的拱頂沉降量最大。

將圖2中數據與式（1）擬合，得S0＝1.92 mm，c＝0.25。

將c代入式（1），并令n＝0得

即地下工程開挖面未開挖至監測斷面時，發生的拱頂沉降量約占總沉降量的37.7%。

2.2 現場監控量測數據

圖3為某巷道拱頂沉降典型監測曲線，監測采用水準儀進行。自巷道開挖至最終穩定巷道沉降值S觀為2.76mm。而根據2.1研究結果，在巷道開挖至監測斷面前，巷道拱頂已經發生了部分沉降。

圖3 施工巷道后行側0＋180斷面拱頂沉降曲線

假設c＝0.25，則由式（8）得：Sn＝0＝0.377S0，因此S觀＝0.623S0。

圖3曲線起始可視為n＝0，則最終沉降量

因此，圍巖發生的總位移遠大于監測所得位移。

圖4為該斷面拱頂沉降－開挖面距離全過程曲線與由公式（1）得到的當S0＝4.43mm時的擬合曲線。從圖4中可看出，在0～4倍洞徑范圍內，2條曲線出現較大差異。其原因有：

（1）擬合曲線假設，該取值是選用線彈性模型，未考慮時間效應情況下得到的，而實際情況下圍巖本構關系較為復雜。

（2）模型未考慮現場施工條件，比如有爆破及其他人為操作所帶來的振動荷載。

圖4 拱頂沉降監測曲線與擬合曲線

目前，位移反分析是獲取圍巖參數的重要途徑，在反分析中，一個重要的輸入參數是圍巖最終位移量。根據本研究結果，在本研究設定條件下，圍巖發生的總沉降值約為監測值的1.6倍，即：S0＝1.6S觀。

3 小凈距隧道工作面空間效應

隨著高等級公路建設的迅猛發展，山區高速公路選線時上、下行隧道往往受地形限制，使得兩相鄰隧道的最小凈距不能滿足設計規范的要求。而連拱隧道的工程造價、施工難度、施工周期均比雙線雙洞隧道大得多，為此，在工程實踐中衍生出小凈距隧道。小凈距隧道雙洞的中夾巖墻寬度介于連拱隧道和雙線隧道之間，一般小于1.5倍隧道開挖斷面的寬度。由于間距較小，兩側隧道的相互影響作用是小凈距隧道建設中需要特別關注的問題。

3.1 小凈距隧道拱頂沉降規律分析

為研究小凈距隧道拱頂沉降全過程曲線，分別監控兩隧道中間斷面拱頂沉降變化情況。圖5為間距6m時，先行側中間拱頂點豎向位移變化及后行側中間拱頂點豎向位移變化的數值模擬曲線。

圖5 雙隧道先行側、后行側拱頂沉降模擬曲線

如圖5所示（為便于表示，將先行側0～120 m表示為0～10倍洞徑，后行側0～120m表示為10～20倍洞徑 ），先行側拱頂沉降曲線在0～10倍洞徑范圍與圖2拱頂沉降曲線相似，10倍洞徑之后為后行側開挖對先行側待測拱頂點沉降位移的影響。隨開挖面在后行側掘進，先行側拱頂沉降進一步釋放，位移曲線繼續上升，在開挖面與待測點平行時，曲線斜率出現陡增，而后又漸漸趨于平緩。從后行側拱頂沉降變化曲線中可看出，當開挖面在先行側掘進時，后行側就已經開始產生拱頂沉降。從圖5中還可以看出2個開挖面空間約束效應疊加：在先行側開挖完后，其變形已趨于穩定，但由于后行側開挖面空間效應的影響，圍巖應力狀態經歷了新的調整。表現為先行側拱頂豎向位移曲線在開挖至15倍洞徑處斜率上升，位移量加大。

圖6為不同凈距下，拱頂沉降分布曲線。從圖6可看出，開挖面對相鄰隧道豎向位移的空間約束效應隨著兩隧道凈距的減小而增大。凈距為8m時，后行開挖隧道開挖至12倍洞徑時，先行側拱頂位移曲線已趨于穩定。而隨著凈距的減小，后行隧道對先行隧道的影響增大，即后行隧道開挖面要掘進更遠的距離，先行隧道拱頂點的豎向位移才會趨于穩定。所以小凈距雙隧道中，開挖面對相鄰隧道豎向位移的影響非常大，當后行隧道開挖時，對于之前變形已監測穩定的先行隧道，仍要進行監控量測，以控制變形。且在施工作業時，兩隧道進程應保持兩倍洞徑以上的距離，防止開挖面空間效應疊加，產生較大的位移變形。

圖6 小凈距隧道先行側中間拱頂點在不同凈距下拱頂沉降曲線

3.2 現場試驗數據分析

滬蓉國道主干線八字嶺隧道小凈距段某斷面兩側隧道拱頂沉降監測數據如圖7所示。該段隧道平均埋深約為100m，巖體以三疊系下統大冶組上段微晶灰巖為主。從圖7中可以看出2個開挖面空間約束的疊加效應：開挖并支護完畢后，經過一段時間的應力調整，先行側隧道在趨于穩定，但由于位于后行側開挖面空間約束效應的影響范圍，圍巖應力狀態經歷了新的調整。表現為先行隧道拱頂下沉曲線在橫坐標3～4倍洞徑處出現一個陡增，下沉明顯加大，但隨著后行側開挖面的掘進，影響逐漸減小，最后下沉曲線趨于穩定?，F場監測結果顯示小凈距隧道兩側隧道相互影響，這與3.1節所獲得的規律一致。

圖7 雙隧道中間拱頂點現場實測沉降變化曲線

4 結論

（1）單隧道拱頂沉降分布規律可采用式（1）進行簡單描述。

（2）根據式（1）可推算地下工程圍巖全部變形量與監測變形量的關系。

（3）在小凈距隧道開挖的過程中，兩側隧道存在相互影響，且這種影響隨間距減小而增大。

本研究成果可為地下工程位移反分析及穩定性評價提供一定依據。

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