城市淺埋小凈距隧道合理凈距研究

唐啟童， 胡運春， 陳文宇， 晏啟祥

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031； 2. 中鐵隆工程集團有限公司， 四川成都 610045)

小凈距隧道是指兩隧道之間夾巖的最小寬度小于分離式隧道最小凈距值，該最小凈距與圍巖等級有關[1]。與分離式隧道不同，小凈距隧道中某一洞室的開挖都將改變另一洞室附近的應力場，即雙洞施工存在相互影響[2]。在一般情況下，這種影響處于都較低水平，只有當凈距小于某特定值后，這種影響才會迅速增大，使圍巖的穩定性大幅降低，給施工過程帶來巨大風險，通常將該特定值稱為合理凈距。

圍繞小凈距隧道的合理凈距已有不少的研究成果[3-6]，但這些研究都是將開挖后的支護效應考慮在內，使開挖后的圍巖應力僅部分釋放，雙洞開挖的相互影響無法達到最大，使得到合理凈距欠缺一定的安全性。本文將以濟南市玉函路城市小凈距隧道為研究背景，建立三維有限元數值模型，僅考慮隧道開挖效應，對成洞后的地層應力、位移結果進行對比分析，提出該城市淺埋小凈距隧道合理凈距的取值方案，為類似小凈距隧道的設計施工提供參考依據。

1 工程概況

濟南市玉函路隧道工程北起順河高架路南端南至英雄山路高架路北端，全長3.26km，是濟南市快速路網規劃系統的重要組成部分。該隧道分為明挖段和暗挖段，暗挖段貫穿城市繁華地區，采用小凈距雙隧道設計，兩隧道間距3～5m，埋深8～11m，為五心圓斷面，是淺埋小凈距隧道。地層屬Ⅴ級圍巖，從上至下依次為填土、坡洪積成因的濕陷性黃土、黏性土及碎石，下伏奧陶系石灰巖，地質條件較差。地下水類型有第四系松散巖類孔隙水、灰巖巖溶裂隙水，但水位較低，均處于結構下方。本文將基于該城市小凈距工程，通過研究不同凈距下開挖形成毛洞后引起的地表沉降、洞周水平位移及Mises等效應力的變化規律，提出合理凈距的取值方案。

2 數值模型

2.1 模型尺寸

玉函路小凈距隧道斷面形式為五心圓，最大跨度B為9.732m，高度H為8.21m，埋深為10m。為減小邊界效應的影響，隧道外輪廓與模型左、右、下邊界的凈距均取為3B(即30m)，整體模型總寬度將隨隧道間凈距不同而發生變化，模型高度為48.21m，長度為40m，橫截面尺寸見圖1。

圖1 模型橫斷面尺寸(單位:m)

2.2 參數選取及邊界條件

圍巖設置為單一圍巖，采用D-P塑性本構，用三維實體單元模擬，圍巖相關參數的取值見表1。由于本文僅對隧洞開挖后圍巖的二次應力狀態進行分析，因此未考慮支護結構的作用。模型的整體網格如圖2所示。模型上邊界設置為自由邊界，其余邊界分別約束其法向位移。

表1 模型材料參數

2.3 施工過程模擬

施工方法采用臺階法，上臺階高度為2m。利用單元的鈍化功能，模擬掌子面前方土體的開挖，每次開挖進尺為2m，每個隧道共分成20個施工進尺。該模型中右洞先行開挖，而左洞掌子面落后右洞6m(即三個進尺長度)距離(圖3)。

圖3 掌子面范圍內土體開挖示意

2.4 模型工況

考慮最大跨度B與隧道凈距的關系，本模型中隧道凈距共選取了5種工況：0.2B、0.4B、0.6B、0.8B和1.2B，并添加僅單洞開挖的工況。通過將五種小凈距工況和單洞開挖的工況進行綜合對比分析，保證提出凈距方案的合理性。

2.5 監測斷面及洞周測點布置

考慮到邊界效應的存在，選取模型隧道段1/2位置處的橫斷面作為監測斷面。在隧道開挖全部完成后，對該斷面上的地表豎向位移以及洞周位移、應力的分布情況進行對比分析，其中左右洞洞周測點依照圖4進行布置。單洞開挖時，洞周測點排列順序與左洞相同。

圖4 洞周測點分布

3 計算結果分析

3.1 地表豎向位移

城市淺埋隧道通常下穿城市繁華地段，對于施工期間地表沉降的控制有著嚴格的要求。不同凈距下的地表沉降計算結果見圖5。

圖5 不同凈距下的地表沉降曲線

從圖5可以看出，地表沉降曲線的形狀滿足左右對稱；隨著兩隧道之間凈距的增大，地表沉降值總體上呈減小趨勢。當凈距大于0.6B時，地表沉降曲線表現為“雙槽形”，最大沉降發生在兩隧道中心在地表的投影處；反之，則最大地表沉降發生在夾巖對稱軸處，地表沉降曲線為單一的沉降槽。

為更清晰地說明地表沉降與凈距的關系，繪制了地表最大沉降-凈距關系曲線(圖6)。根據圖6的曲線能夠看到，地表最大沉降隨著凈距的增大逐漸減小且趨于平緩。當凈距與跨度之比超過0.6時，地表最大沉降隨凈距的變化非常緩慢，沉降值的大小也接近單洞開挖的結果，可以認為此時兩隧道之間的相互作用已處于較低水平。當凈距達到1.2B時，開挖產生的地表最大沉降與單洞開挖的結果幾乎一致。

圖6 地表最大沉降與凈距的關系

3.2 洞周水平位移

玉函路隧道是水平方向上的小凈距隧道，左右洞的先后開挖對洞周位移的影響將主要集中在水平方向上。對不同凈距下左右洞洞周各測點上水平位移曲線(以向夾巖處移動為正)見圖7、圖8。

圖7 不同凈距下左洞洞周水平位移

圖8 不同凈距下右洞洞周水平位移

由圖7、圖8可知，左右洞洞周在同一測點處水平位移相差不大，最大僅相差0.2mm；凈距改變對洞周水平位移的影響范圍主要集中在17～22號測點，其余各測點的水平位移隨凈距的改變幾乎不發生變化；在凈距從0.2B增大至0.6B的過程中，17～22號測點的水平位移迅速減小，當凈距超過0.6B后，凈距變化對17～22號測點的水平位移的影響已非常微小，且此時洞周水平位移曲線與單洞開挖的結果基本一致。

結合圖4可以看出，17～22號測點均位于夾巖附近，其中變化最大的19～21號測點更是集中在夾巖中部。由此可見，當凈距小于0.6B時，凈距的改變對洞周水平位移的影響部位主要集中在夾巖中部附近；凈距超過0.6B后，隨著凈距繼續增加，夾巖的水平位移基本保持不變。

3.3 洞周Mises等效應力

Mises等效應力是判斷材料是否達到塑性的指標，當材料某點處的Mises等效應力超過某規定值時，該點便進入塑性狀態。對于隧道開挖過程，圍巖Mises等效應力過大將使其達到屈服，自承能力大幅降低，嚴重時可能引起圍巖失穩，對施工作業的安全造成極大影響。不同凈距下左右洞洞周各測點上Mises等效應力曲線，見圖9、圖10。

圖9 不同凈距下左洞洞周Mises應力

圖10 不同凈距下右洞洞周Mises等效應力

由圖9、圖10可知，左右洞洞周在同一測點處的Mises等效應力值相差不大，最大僅相差不到3 %；洞周Mises等效應力最大位置均發生在22號測點；凈距改變對洞周Mises等效應力的影響范圍主要集中在17～22號測點，其余各測點的Mises等效應力隨凈距的改變幾乎不發生變化；凈距從0.2B增加至0.6B的過程中，17～19號以及22號測點處的Mises等效應力迅速減小，當凈距超過0.6B后，變化速率明顯放緩，凈距變化對上述測點Mises等效應力的影響已非常微小，且此時凈距與單洞開挖的Mises等效應力曲線基本一致。

根據上述分析可知，當凈距小于0.6B時，凈距的改變主要影響夾巖附近的應力狀態，且此時靠近拱腳處夾巖的Mises等效應力最大，是洞周最易出現屈服破壞的位置；當凈距超過0.6B后，凈距對洞周Mises等效應力的影響很小，可忽略不計。此外，發現20號、21號測點與凈距無明顯規律，這可能是凈距改變過程中夾巖附近應力重分布的結果。

4 結束語

本文依托濟南玉函路隧道工程，采用數值模擬的研究方法，分別對不同凈距條件下毛洞開挖后的地表沉降、洞周水平位移、洞周Mises等效應力的計算結果進行了對比分析，得到以下結論：

(1)對比地表沉降的計算結果可知，凈距較小時，夾巖對稱軸處的地表沉降最大，沉降曲線為單一沉降槽；凈距繼續增大超過0.6B后，地表最大沉降位置將變為隧道中心在地表的投影處，沉降曲線呈“雙槽形”，同時地表最大沉降變化也趨于平緩。

(2)對比洞周水平位移的結果可知，凈距對洞周水平位移的影響范圍主要集中在夾巖中部附近，凈距較小時，水平位移隨凈距的變化非常敏感；凈距增加超過0.6B后，洞周水平位移將幾乎不受凈距的影響。

(3)對比洞周Mises等效應力的結果可知，凈距的改變主要影響夾巖附近的應力狀態，拱腳附近的夾巖的Mises等效應力最大，是洞周最易出現屈服破壞的位置；凈距超過0.6B后，凈距對洞周Mises等效應力的影響很小，可忽略不計。

(4)綜合本文的分析結果，對于類似的城市淺埋小凈距隧道，可將0.6倍隧道跨度作為合理凈距的參考依據。