雙側壁導坑法不同開挖順序對隧道施工期穩定性的影響

黃柳云，韋思達，李 俊，劉宗輝

（1.廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006；2.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

我國西部地區山嶺眾多，地質、地形條件復雜，隧道的修建往往需要面臨斷面跨徑大、埋深淺、間距小等問題，并且存在偏壓現象，在建設過程中存在一定難度與風險。而雙側壁導坑法可以減小單次開挖面積，使隧道整體受力更為合理，有效控制了支護結構的變形量，但開挖步驟較多，增加了對圍巖的擾動次數，加之圍巖較為軟弱松散，受偏壓影響程度較大，不合理的開挖順序易引發地表塌陷及掌子面坍塌等工程事故。因此，選擇合理的開挖順序，對隧道施工期的安全及進度控制有著重要作用。

目前，針對雙側壁導坑法不同開挖順序對隧道施工期穩定性的影響，各學者主要通過數值模擬、現場監控量測與經驗分析相結合的方法進行研究，部分成果已應用到了隧道設計、施工中，并且得到了良好的反饋效果。柳墩利分析淺埋偏壓隧道在2 種開挖順序下圍巖及支護結構的位移變化特征，認為先開挖淺埋側隧道側導洞安全性更高，且模擬結果與現場監測數據基本吻合；而楊小禮等則重點分析3 種不同開挖順序對小凈距偏壓隧道圍巖位移、應力、塑性區的影響程度，得出了相反的結論。Sharifzadeh 等通過建立三維有限元模型，分析了6 種開挖順序下淺埋隧道圍巖的穩定性，認為先開挖隧道側導洞可有效減少拱頂、地表沉降量，而Li 等認為先開挖隧道上臺階可以加快施工的推進速度，有利于各導洞掌子面保持一定的開挖錯距。綜上所述，不同隧道所處的地質、地形條件不同，開挖斷面劃分方式不同，選用的施工工藝也有所差異，加之評價角度不同，目前在不同開挖順序對隧道施工期安全性問題的討論上出現了不同的研究結論，說明了隧道合理開挖順序的選擇仍處于探索階段，沒有系統完善的研究理論，即實際隧道工程合理開挖順序的選擇還有待商榷。

鑒于此，依托柳州市某隧道項目，運用ABAQUS 軟件模擬不同開挖順序下圍巖的應力、位移變化，重點比較雙側壁導坑法不同開挖順序對隧道拱側墻處偏壓比及各部位圍巖變形量的影響程度，結合現場施工經驗及監控量測結果，優選出該隧道的合理開挖順序，所得結論對特大斷面淺埋小凈距隧道的設計及施工有一定的借鑒價值。

1 依托的隧道工程概況

隧道項目位于柳州市某生活區，隧道埋深5～45 m，凈距16～23 m，最大開挖跨度及高度分別為19.50 m、13.06 m，地表坡度15°～30°。結合地質勘查報告資料及超前地質預報探測報告，隧道主要穿越構造剝蝕丘陵地貌，洞身段主要處于斷層破碎帶，圍巖以強—中風化泥質粉砂巖夾紅褐色黏土、碎石為主，碎石土厚度在47.50～61.30 m，碎石粒徑一般為5～20 mm，質量分數為3%～40%，成份雜亂，無明顯分層節理，巖土體較破碎，掌子面干燥，圍巖自穩能力差，容易出現掉塊現象，圍巖等級屬于Ⅴ級。

2 模型的建立與開挖方案的設計

2.1 模型信息

通過ABAQUS有限元軟件建立某隧道二維數值模型，模型寬度取180.00 m，左邊界高度為73.45 m，右邊界高度為90.47 m，最大高度為101.80 m，隧道底拱中心處距離底部邊界60.00 m，先行、后行隧道頂部分別距離地表26.55 m、20.08 m。由于對支護結構進行混凝土噴射，支護結構表面粗糙，與圍巖之間咬合緊密，界面力較大，因此，接觸類型選擇綁定約束，進行力學計算約束數值模型左右兩側邊界水平方向以及底部豎直方向的位移。頂面設置為自由邊界條件，為簡略的自然地形，整個模型一共有5 936 個單元，6 940 個結點。圍巖采用Mohr-Column 本構關系，支護結構采用線彈性本構關系，圍巖單元選用CPE4（四節點平面應變單元），支護結構單元選用CPE4（I四節點平面應變非協調元），錨桿的錨固效果則是通過提高作用區域內圍巖的彈性模量、黏聚力、內摩擦角參數強度來實現。開挖方式選擇軟化模量：①施加重力場，移除支護結構單元，計算初始地應力，再通過導入初始地應力ODB 文件進行地應力平衡；②在每個施工步中設置3 個分析步，首先將待開挖區域內土體彈性模量衰減40%，然后激活對應支護結構單元，最后移除開挖區域內土體單元并提高錨桿作用區域內圍巖參數強度15%。有限元計算模型信息如圖1、圖2所示。

圖1 隧道襯砌結構圖（單位：m）

圖2 ABAQUS二維數值計算模型（單位：m）

2.2 模型參數的選取

根據某隧道的地質勘察報告資料與超前地質勘查報告，并結合《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）及文獻[14，20-21]的經驗計算公式，擬定隧道圍巖及支護結構材料的各項物理、力學參數如表1所示。

表1 數值計算采用的物理、力學指標

2.3 開挖方案的設計

由于隧道屬于特大斷面淺埋小凈距隧道，且目標段內圍巖類別均為Ⅴ級，整體穩定性較差，結合目前大部分學者已有的研究結論，普遍將雙側壁導坑法作為該類隧道的推薦施工方法，則隧道暗洞采用新奧法施工，先做超前支護，再采用雙側壁導坑加臨時仰拱法進行開挖。通過對隧址區地形的勘察，洞身段整體呈B 線隧道埋深較A 線隧道更深的趨勢，同時，2 條隧道內側導洞埋深均比外側導洞更深。根據文獻[8]所得結論，針對小凈距偏壓隧道先開挖埋深較深一側隧道更為合理，則本文將B 線隧道作為先行隧道，A 線隧道作為后行隧道。因此，工程前期針對該地質情況，選取洞身段AK5+570、BK5+560 作為研究目標斷面（為中風化泥質粉砂巖與斷層破碎帶過渡段），設計了4 種開挖工序，以探究不同開挖順序對特大斷面淺埋小凈距隧道圍巖以及支護結構穩定性的影響。

為避免中導洞單次開挖面積過大，土體卸荷過快，導致支護結構應力增長過快，同時，方便現場工人安裝鋼拱架以及噴射混凝土，將中導洞核心土分成3個開挖區域，則隧道開挖順序設計方案如圖3所示。完成2條隧道的開挖工作，需要14個施工步驟，對應的4個工序如表2所示。

圖3 隧道開挖順序設計方案

表2 某隧道雙側壁導坑法開挖順序的設計

方案一計算過程：初始地應力平衡—依次開挖側導洞上下臺階并施作初期支護與臨時支撐—開挖中導洞上下臺階并施作初期支護—閉合成環。遵循先開挖側導洞后開挖中導洞的原則。

方案二計算過程：初始地應力平衡—依次開挖側導洞、中導洞的上臺階并施作初期支護與臨時支撐—依次開挖側導洞、中導洞的下臺階并施作初期支護與臨時支撐—閉合成環。遵循先開挖上臺階、后開挖下臺階的原則。

3 數值模擬計算結果分析

3.1 洞周圍巖應力及偏壓比分析

4個工序下隧道洞周圍巖的應力分布及大小并無明顯差異，則選取工序1、工序3 隧道洞周圍巖應力（圖4）進行分析。由于凈距較小，隧道開挖對中夾巖柱的擾動程度較大，開挖結束后，4個工序圍巖的最大應力均出現在先行隧道內側拱側墻處，且內、外側圍巖應力呈不對稱分布，工序3加劇了隧道兩側拱側墻以及中夾巖柱圍巖的受力。為了揭示隧道洞周圍巖應力隨施工步的演化過程，選取拱側墻處內、外側對稱特征點偏壓比進行分析，其偏壓比越接近1，表明隧道受偏壓影響程度越小，圍巖整體穩定性更好。

圖4 （網絡版彩圖）隧道洞周圍巖應力云圖（單位：Pa）

特大斷面淺埋小凈距隧道不同開挖順序所造成的施工偏壓影響程度不同。根據圖5 可知，在坡度較緩的情況下，隧道主要受施工偏壓的影響，偏壓方向由深埋側（內側）指向淺埋側（外側），與坡體方向一致，山體偏壓并不明顯。根據圖5（a）中先行隧道的偏壓比變化曲線，工序3、工序4 偏壓比變化規律基本保持一致，且偏壓比峰值均大于工序1、工序2，即先開挖隧道側導洞可以有效減小施工偏壓的影響；而工序1 在第2 施工步中施工偏壓方向由淺埋側指向深埋側，與坡體方向相反，且偏壓比峰值小于工序2，有效減小了偏壓的疊加效應，即先開挖深埋側隧道導洞圍巖的整體穩定性更好。圖5（b）中，后行隧道在工序4 的第12步施工步中偏壓比峰值達到了2.14，大于其他3個工序，而工序1、工序3 在整個施工步中的偏壓比峰值分別為1.46、1.68，相比于工序2、工序4更加接近于1，即先開挖深埋側隧道導洞更有利于改善后行隧道內外側拱側墻處的受力模式，施工穩定性更好。與先行隧道相比，后行隧道埋深較淺，拱側墻處的偏壓比峰值整體小于先行隧道，即先行隧道受施工偏壓的疊加影響更大。

圖5 （網絡版彩圖）隧道拱側墻處圍巖偏壓比隨施工步的演化過程

3.2 位移分析

3.2.1 地表沉降分析

特大斷面淺埋小凈距隧道的開挖必然會對上覆土體產生明顯的擾動效應，因此，土體的位移分析也成為了判斷合理開挖順序的關鍵，而地表沉降量能較直觀地反應不同開挖順序對上覆土體的擾動程度。根據圖6（a）可知，淺埋段地表沉降量與埋深呈一定的正相關關系，隧道開挖結束后，4個工序的地表沉降變化規律基本保持一致，大致呈不對稱凹槽型的分布特征，中夾巖柱中心線在先行隧道與后行隧道之間起到杠桿支點的作用，最大沉降量位于先行隧道的中心線處。對比先行、后行隧道中心線之間的地表沉降量，先開挖隧道上臺階（工序3、工序4）約為先開挖隧道側導洞（工序1、工序2）的1.23 倍。同時，工序1、工序3 在地表沉降量的控制上略優于工序2、工序4，即先開挖深埋側隧道導洞，地表沉降量更小。圖6（b）中，中導洞核心土的開挖，E、F測點處地表發生位移量突增現象，其位移突增量約為總沉降量的54.6%，先行隧道閉合成環后，受后行隧道開挖擾動的影響，F測點的位移增量約占總沉降量的15.8%。

圖6 （網絡版彩圖）隧道地表沉降曲線

3.2.2 拱頂沉降分析

表3 為隧道各導洞拱頂沉降二維數值模擬結果，先行隧道整體拱頂沉降量大于后行隧道，其中，后行隧道左導洞拱頂的沉降量最小，先開挖隧道上臺階（工序3、工序4）產生的拱頂沉降量約為先開挖隧道側導洞（工序1、工序2）的1.28 倍。同時，工序2、工序4 下后行隧道左導洞對應的拱頂沉降均比工序1、工序3 小，而右導洞則相反，即利用拱頂沉降量不能直觀判斷出雙側壁導坑法隧道的合理開挖順序。

表3 隧道各導洞拱頂沉降二維數值模擬結果單位：mm

后行隧道開挖對靠近中夾巖柱一側的隧道導洞影響程度較大，則選取先行隧道左導洞拱頂沉降隨施工步的變化曲線（圖7）進行分析，工序3、工序4下隧道拱頂前期沉降速率大于工序1、工序2，其中導洞核心土開挖引起的位移突增量約占總沉降量的76.4%，同時，后行隧道開挖加劇了先行隧道左導洞的拱頂沉降量，其位移增量約占總沉降量的12.2%。工序1、工序2受兩側圍巖向臨空面擠壓的作用，拱頂向上拱起一定的位移，平衡掉了部分的下沉量，從而前期拱頂沉降存在短暫的平緩階段，其中導洞核心土開挖產生的位移突增量約占總沉降量的79.8%。

圖7 （網絡版彩圖）先行隧道左導洞拱頂沉降隨施工步的變化曲線

4 現場開挖工序的選擇

根據對先行、后行隧道在開挖過程中圍巖偏壓比及地表沉降變化規律的綜合分析可知，先開挖淺埋側隧道導洞更合理，即工序1、工序3更為合理。結合實際工程的施工經驗，工序1可以有效減少支護結構整體閉合成環的時間，拱頂及地表沉降量較小，但連續對隧道側導洞上、下臺階進行開挖不利于縱向工作面的連續作業，開挖效率比較低。而工序3則方便了施工器械與人員的通過，可以加快施工推進速度，且可以保證各導洞掌子面保持一定的開挖錯距。因此，現場施工可根據實際工程的需要在工序1和工序3之間選擇。

根據隧道施工每日進度表可知，先行隧道洞口段施工采取工序3進行開挖，并且一直延用該工序直至目標斷面，而后行隧道選擇了交叉開挖的方式（非本文研究工序）進洞，但進入洞身段后逐漸轉換到了工序3。隧道進洞斷面及目標斷面各臺階的具體開挖日期如表4 所示，圖8 為現場洞身段工序3的施工作業圖。

表4 隧道進洞斷面及目標斷面各導洞臺階的具體開挖日期

圖8 工序3下隧道各導洞的開挖與支護

5 現場監控量測數據分析

5.1 監測點的布置

隧道以雙側壁導坑法進行施工，則各導洞拱頂沉降監測點布設在同一斷面上，布置位置及沉降時程曲線如圖9 所示。為了獲取更多、更準確的數據，研究目標斷面監控量測頻率為1 次/d，以全站儀測量為主，測點材料采用30 mm×30 mm 的反射膜片，測站與反射膜片的距離均控制在100 m 內，并在出渣一段時間后洞內粉塵濃度較低的情況下進行測量，現場監測作業如圖10所示。

圖9 （網絡版彩圖）后行隧道斷面AK5+570各導洞拱頂沉降時程曲線

圖10 現場監控量測作業

5.2 拱頂沉降分析

因現場工人未按要求對先行隧道目標斷面進行監測點的布置，則選取后行隧道斷面AK5+570 各導洞拱頂沉降的時程曲線進行分析。圖9中，各導洞拱頂沉降的位移發展規律大致可以分為快速增長—緩慢增長—相對穩定3個階段，其中，中導洞拱頂沉降快速增長階段持續的時間更長，位移增長速率較大，左導洞最小，同時，各導洞在緩慢增長階段、相對穩定階段內拱頂均存在位移量突增的現象，目標斷面閉合成環后趨于穩定，最終左、中、右導洞的拱頂沉降量分別為54.55 mm、69.24 mm、78.12 mm，即右導洞優先開挖且埋深較深，總沉降量最大，而左導洞埋深較淺，前期位移增長速率小于中、右導洞，且較早進入相對穩定階段，總沉降量最小。對比表3中的二維有限元數值模擬拱頂沉降結果，實測值與模擬值并不在一個數量級上，可能原因歸結如下：1）有限元數值模型支護結構通過等效替換成均質體，其強度大于實際支護結構強度，并且現場支護結構強度是由弱到強的過程；2）目標段內實際土體強度低于數值模擬參數強度，導致支護結構整體下沉量更大；3）數值模擬基于理想、簡化的模型，而現場施工錯綜復雜，影響因素眾多，監測點的變形會隨著時間推移不斷發展。

5.3 地表沉降分析

圖11（a）為隧道出口段監測點的地表沉降變化曲線，由于測點之間存在一定的間距，且不在同一個監測斷面上，導致各監測點的地表沉降量離散性較大，但整體仍呈先行隧道上方地表沉降大于后行隧道上方的地表沉降的趨勢，最大地表沉降出現在先行隧道中導洞左上方處（B5監測點）。圖11（b）為隧道出口段A5、B5測點地表沉降時程曲線，后行隧道上方A5 測點地表沉降時程曲線大致呈傾斜階梯狀的發展特征，即在某些時段內地表會發生位移量突增的現象，結合隧道施工每日進度表進行推斷，突增區段大致可分為3個階段：第一階段主要是由臨近測點左導洞上臺階的開挖所致，最大日沉降量達到了7.08 mm；第二階段主要受臨近測點中導洞上臺階開挖的影響，最大日沉降量為4.21 mm；第三階段則是左、中導洞下臺階的施工所致。這3個階段累計產生的位移突變量為35.95 mm，約占最終沉降量的66.1%。而先行隧道上方B5 測點前期的地表沉降量較A5 測點大，中后期位移突增現象并不明顯，其累計突變量為36.65 mm，約占總沉降量的55.6%。

圖11 （網絡版彩圖）隧道出口段地表沉降變化曲線

6 結論

1）先開挖淺埋側隧道導洞，施工偏壓方向由深埋側指向淺埋側，與地形偏壓方向一致，加劇了隧道的施工偏壓效應以及地表沉降量，即先開挖深埋側隧道導洞，圍巖穩定性更高。

2）對比先行、后行隧道中心線之間的地表沉降量，先開挖隧道側導洞，能更有效抑制地表、拱頂沉降量，其產生的位移量約為先開挖隧道上臺階的75%，但不利于縱向工作面的連續作業以及保證各導洞掌子面之間保持一定的開挖錯距，施工效率較低。

3）結合F測點的地表沉降增量及先行隧道左導洞拱頂沉降增量，先行隧道閉合成環后，受后行隧道開挖擾動的影響，其圍巖及支護結構產生的位移增量約占總位移量的14%。

4）結合現場監控量測結果，隧道拱頂、地表沉降均存在位移量突增現象，其中，地表沉降大致存在3 個突增階段，位移突增量約占總沉降量的55.6%。