多孔小凈距隧道施工工序數值模擬分析

池春生

(福建省交通規劃設計院有限公司，福建 福州 350004)

1 概述

小凈距隧道是種常見的隧道形式，相比于普通的分離式隧道，隧道的開挖支護會產生相互影響[1]。特別在淺埋多孔小凈距隧道的施工條件下，合適的開挖支護方式對隧道的設計施工至關重要。目前針對小凈距隧道的研究主要包括隧道深淺埋界限，小凈距隧道圍巖壓力[2-4]，小凈距隧道的施工工法[5-7]以及隧道施工和運營過程中的隧道受力和圍巖變形[8]。但目前的研究大多集中在雙洞小凈距隧道，關于多孔小凈距隧道施工工序的研究較少。本文依托龍興嶺隧道，通過數值模擬的方式，對比分析多孔小凈距隧道的施工工序，以期得到優化的施工方案，并對類似工程的設計和施工提供參考。

1.1 工程概況

龍興嶺隧道位于福建丘陵地區，隧道全長500 m，屬于五孔隧道，包括兩條機動車行隧道，兩條非機動車行隧道和一條電力隧道。機動車道最大埋深為30.04 m，非機動車道最大埋深為34 m，電力隧道最大埋深為37 m。龍興嶺隧道整體埋深較淺，地面無明顯的偏壓區域。兩條機動車道最小開挖間距為5.5 m，非機動車道和機動車道之間最小間距為8.04 m，屬于多孔小凈距隧道。隧道布設形式如圖1所示。

1.2 施工工法

機動車道最大開挖寬度達16 m，開挖斷面較大，采用雙側壁導坑式施工方法。非機動車道最大開挖寬度達9.5 m，采用CD法施工，電力隧道開挖斷面較小，最大開挖斷面為4.1 m，采用全斷面開挖方式。機動車道和非機動車道開挖斷面較大，本文重點分析研究機動車道和非機動車隧道不同開挖支護順序所造成的影響，在數值模擬中，電力隧道置于最后開挖。

2 計算說明

2.1 模型范圍

計算重點是對隧道的施工開挖過程進行三維模擬，利用Abaqus有限元計算軟件建立分析模型，為了保證模型可以完整地模擬隧道的一個施工循環步驟，同時從提高計算效率的角度出發，沿隧道軸向取40 m作為計算模型的縱向長度。模型的橫向長度以可以包括5條隧道為原則，同時應該能夠盡可能包含隧道施工周邊的影響區，選取150 m作為模型的橫向計算長度。模型的豎向長度取60 m。分析模型如圖2，圖3所示。

計算涉及5條隧洞，襯砌類型均為復合式襯砌，模型從左至右依次為左側非機動車道、左側機動車道、右側機動車道、右側非機動車道和電力隧道。機動車道采用雙側壁導坑法施工，非機動車道采用CD法施工，電力隧道采用全斷面開挖。圍巖和襯砌均采用實體單元模擬。

2.2 計算參數

1)圍巖力學參數。隧道周邊圍巖為強風化凝灰巖，地表有5 m厚的表層覆土，圍巖采用彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb屈服準則，結合工程實際勘察資料，計算采用的圍巖物理力學參數如表1所示。

2)結構支護參數。隧道采用復合式襯砌形式，5條隧道的襯砌厚度略有不同，初襯材料為C25噴射混凝土，二襯材料為C35鋼筋混凝土，襯砌結構模擬采用彈性本構模型，力學參數如表2所示。

表2 襯砌支護參數

2.3 計算工況

計算模型包含5條隧道，為方便之后的敘述，將5條隧洞分別進行編號，從A至E分別代表非機動車道、機動車道以及電力隧道。各個隧道的不同開挖部分也做編號如圖4所示，隧道編號再加開挖截面編號可以表示該開挖截面，例如A1代表左側非機動車道右側上臺階開挖塊。

本次模擬計算主要針對兩條機動車道和非機動車道的施工工序進行對比分析，電力隧道截面斷面較小，放置于最后開挖。參考設計資料，隧道施工進尺為4 m，本文選擇三種可能的施工工序進行模擬分析。

第一種工況為兩側非機動車道先開挖，隨后兩個機動車道分步開挖；

第二種工況為右側機動車道先開挖，隨后左側機動車道和右側非機動車道開挖，最后左側非機動車道開挖；

第三種工況為機動車道分步開挖，隨后非機動車道同時開挖。

三種施工工況的施工順序如下：

第一種工況：D，A同時開挖→C開挖→B開挖；

第二種工況：C開挖→B,D同時開挖→A開挖；

第三種工況：C開挖→B開挖→D，A同時開挖。

開挖支護過程的模擬采用單元復制的方式，具體來說即通過elcopy命令的方式對軟件生成的inp文件進行修改，在需要修改的集合的原位置，用單元復制的方式，重新定義新的集合，并為新的集合定義相應位置的襯砌材料。在地應力平衡分析步中，移去新定義的集合，實現地應力平衡。在分析步中，用step中的model change命令依次實現隧道的相應分析步中的開挖與支護。

3 結果分析

分析對比主要從開挖支護后襯砌結構受力和圍巖變形兩個角度著手，由于襯砌結構采用實體單元模擬，選取襯砌單元的Mises應力作為襯砌結構受力大小的一個標準。

3.1 受力對比分析

從計算結果來看，三種施工方案下機動車道和非機動車道襯砌環向最大受力點均在隧道拱腰處，在三維數值模擬中由于存在空間效應，受力在縱向均呈現“波浪狀”，即襯砌結構沿隧道軸向受力不是均勻的，而是呈周期性變化規律。圖5，圖6分別顯示的是在第一種施工方案下左側非機動車道和左側機動車道的襯砌應力圖。

其余工況下的隧道襯砌受力分布也類似，由于存在空間效應，三維計算模擬下的襯砌受力不同于二維計算結果。非機動車道應力沿軸向的變化周期約為5個施工步長(一個施工步長4 m)，機動車道應力沿軸向的變化周期約為4個施工步長。三種方案下最終步的襯砌支護最大Mises應力結果統計如圖7所示。

從受力統計結果來看，三種施工方案的初襯受力要大于二襯受力，二襯的應力約為初襯的10%～45%，非機動車道二襯約為初襯的10%～20%，機動車道二襯約為初襯的30%～40%。非機動車道初襯最大應力在4 MPa左右，機動車道初襯最大應力在6 MPa左右。在開挖支護過程中，襯砌結構受荷并處在彈性工作狀態，4條隧道的結構受力情況整體差距不大，對比左右非機動車道襯砌受力結果，采用第一種施工方案，兩側非機動車道先開挖，非機動車道的襯砌受力低于其余兩種方案。右側機動車道初襯應力略大于其余兩種方案。

根據統計結果，隧道襯砌最大應力位于隧道拱腰。選取非機動車道和機動車道拱腰處觀測點在不同施工方案下的襯砌應力變化，結果如圖8所示。

三種施工方案下的各條隧道的拱腰部位(襯砌應力最大點)的應力變化如圖8所示，在開挖至觀測點并施加初襯結構的過程中，襯砌應力呈階梯狀上升，并最終達到穩定。非機動車道襯砌最大應力最終穩定在4 MPa左右。機動車道襯砌應力最終穩定在6 MPa左右。左側機動車道在施加襯砌約5個～6個施工步后，襯砌應力達到穩定值。右側機動車道在開挖至觀測點并施加初襯結構的過程中，襯砌應力呈階梯狀上升，第一種和第三種施工方案在施加襯砌約5個～6個施工步后，襯砌應力達到穩定值，第二種施工方案在施加襯砌后，襯砌應力逐漸上升，并在約13個施工步后，襯砌應力達到穩定值，可以看出，采用第二種施工方案，在右側機動車道開挖后，在兩側同時進行施工，會使右側機動車道襯砌應力穩定地更慢。

3.2 變形對比分析

從圍巖的變形結果來看，三種方案的圍巖變形規律相似，圍巖的最大變形量均在4 cm左右。隧道襯砌變形矢量圖見圖9，由圖9可見，在淺埋工況下，隧道開挖引起的“卸載效應”不容忽視。特別是在多孔隧道開挖時，隧道群拱底會形成較大的底板隆起。從圖9可以看出，隧道周邊的變形主要是拱頂下沉和拱底隆起。

根據隧道變形矢量圖，選取拱頂下沉和拱底回隆這兩個變量分析圍巖變形。在數值模型中部選取機動車道和非機動車道的拱頂和拱底設置觀察點，考察在該位置上的隧道變形量。

三種施工方案下拱頂和拱底觀察點的位移變形略有差異，參考機動車道變形統計圖，可以看到第一種方案，由于輔洞先行開挖對主洞的施工影響相對較小，所以兩個主洞使用第一種方案下的拱頂位移變形要略小于其余兩種方案。參考圖8，圖10，可以看出采用第二種方案開挖時，輔洞后挖，非機動車道的拱底回隆值要小于其余兩種方案，第二種方案，兩條主洞依次先開挖，輔洞后開挖。主洞先開挖會使“卸載效應”先在主洞拱底釋放一部分，輔洞的拱底回隆要相對較小。

沿橫向選取地表節點，統計地表沉降如圖11所示。可以看到三種施工方案的地表沉降相差不多，在兩個機動車道正上方地表沉降最大，最大沉降約為2.3 cm。在機動車道中夾巖上方沉降約為2 cm。

4 結語

采用Abaqus有限元軟件，對福建龍興嶺五孔小凈距隧道的施工工序進行研究，并選取三種施工工序進行分析。由計算分析可知，三種施工方案的初襯受力要大于二襯受力，二襯的Mises應力約為初襯的10%～45%，非機動車道二襯約為初襯的10%～20%，機動車道二襯約為初襯的30%～40%。采用第一種施工方案(即兩側非機動車道同時開挖-右側主洞開挖-左側主洞開挖)的襯砌受力略低于其余兩種方案。

在淺埋工況下，由于隧道開挖的“卸載效應”，拱底回隆很明顯。拱頂沉降和拱底回隆是隧道周邊圍巖的主要變形。三種施工方案位移變形略有差異，采用第一種方案隧道拱頂位移變形要略小于其余兩種方案。

綜合考慮隧道襯砌受力和圍巖變形，該工程宜采用第一種開挖方式，即輔洞先開挖，主洞分步后開挖的施工開挖方案。