小凈距隧道雙洞錯(cuò)距對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響研究

摘要：文章以龍勝—峒中口岸公路上思至峒中口岸段那麗隧道作為工程依托，采用數(shù)值模擬的方法建立那麗隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三維模型，并分別設(shè)置0 m、9 m、18 m、30 m共4種不同的雙洞錯(cuò)距隧道開(kāi)挖施工工況，根據(jù)模擬結(jié)果，分別從地表沉降、拱頂下沉、拱腰收斂以及圍巖塑性區(qū)分布4個(gè)方面分析雙洞錯(cuò)距對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，小凈距隧道施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中巖柱上方的地表沉降情況，防止其變形超過(guò)規(guī)定的限度，適當(dāng)增大小凈距隧道雙洞錯(cuò)距有利于控制拱頂沉降的變形速率。同時(shí)，根據(jù)拱腰收斂變形和圍巖塑性區(qū)分布分析，確定那麗隧道的雙洞錯(cuò)距設(shè)置為18 m較為合適。

關(guān)鍵詞：緩傾；層狀巖體；小凈距隧道；雙洞錯(cuò)距；數(shù)值模擬

0引言

隨著高速公路建設(shè)在西南山區(qū)的不斷延伸，將會(huì)有越來(lái)越多的隧道工程穿越層狀巖體。層狀巖體的穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面控制，不同巖層傾角條件下圍巖穩(wěn)定性差異顯著［1-3］，在此條件下修建的隧道工程結(jié)構(gòu)受力形式與變形機(jī)理較為復(fù)雜，往往需要更加謹(jǐn)慎的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案設(shè)計(jì)才能降低其誘發(fā)施工安全風(fēng)險(xiǎn)事故的概率［4］。

小凈距隧道的概念于2004年在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）［5］中正式提出。小凈距隧道能較好地滿足某些特定的地質(zhì)和地形條件，有效解決了分離式隧道接線難度大、占地面積廣等問(wèn)題［6］，同時(shí)也能克服連拱隧道造價(jià)昂貴、工藝復(fù)雜、施工質(zhì)量難控制等缺陷［7-8］。因此，小凈距隧道在山區(qū)公路隧道得到了較為廣泛的應(yīng)用［9-10］。

小凈距隧道的本質(zhì)是雙洞施工的互相影響，其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形特征以及圍巖的穩(wěn)定性特征都比普通隧道要復(fù)雜得多［11］。進(jìn)行小凈距隧道雙洞開(kāi)挖時(shí)，先行洞與后行洞掌子面錯(cuò)距較小則雙洞施工互相影響顯著，不利于圍巖變形的控制；掌子面錯(cuò)距較大則會(huì)影響施工工期，不利于高效的進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)［12］。因此，相當(dāng)一部分研究人員對(duì)小凈距隧道合理錯(cuò)距開(kāi)展了研究［13-16］，雖然取得了一定的建設(shè)性成果，但仍不夠全面，尤其針對(duì)層狀地層條件下的小凈距隧道合理錯(cuò)距的研究目前還較少開(kāi)展。因此，本文依托實(shí)際在建工程，通過(guò)數(shù)值分析的方式研究緩傾層狀地層條件下小凈距隧道的合理錯(cuò)距。

1 工程概況

在建的那麗隧道位于防城港市峒中鎮(zhèn)那麗村北西約1.8 km處，屬于龍勝—峒中口岸公路上思至峒中口岸段。隧道全長(zhǎng)1.1 km，開(kāi)挖寬度為18.48 m，毛洞開(kāi)挖高度為12.56 m，Ⅴ級(jí)圍巖段開(kāi)挖方式為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，具體開(kāi)挖順序及支護(hù)形式如圖1所示。那麗隧道左、右線平行布置，中間巖柱最小間距為15 m，僅為0.81D（D為隧道開(kāi)挖寬度），為小凈距隧道。隧道埋深約為50 m，屬于淺埋隧道。上覆巖體主要為層狀中風(fēng)化砂巖，巖層走向與隧道徑向基本平行，傾斜方向與水平面呈15°角，如圖2所示。

2 隧道施工模擬

2.1 數(shù)值模型

為模擬那麗隧道Ⅴ級(jí)圍巖段的動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，采用FLAC 3D軟件建立三維數(shù)值模型。模型高度為90 m，隧道上覆巖體高度約為50 m，下覆巖體高度約為40 m；根據(jù)隧道開(kāi)挖的邊界效應(yīng)，模型的寬度應(yīng)至少取至5倍的隧道洞徑，約為90 m，但考慮到本模型為雙洞隧道且存在中巖柱，因此將模型寬度適當(dāng)加大，設(shè)置為120 m，中巖柱的厚度設(shè)置為15 m，兩隧道對(duì)稱布置，模型縱向長(zhǎng)度為30 m，模型整體尺寸為90 m×120 m×30 m（高×寬×縱深）；數(shù)值模型上邊界設(shè)置為自由邊界，除上邊界外，各方向的邊界均約束其法向速度為0（如圖3所示）。

隧道及圍巖采用實(shí)體單元zone模擬，本構(gòu)模型采用Mohr-Columb模型。隧道的初期支護(hù)采用FLAC 3D軟件內(nèi)置的shell單元模擬。力學(xué)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

為了使模型能夠有效地反映那麗隧道層狀圍巖的特征，將模型按照?qǐng)D2所示進(jìn)行分組，共計(jì)分為15組，在兩個(gè)分組的交界處設(shè)置接觸面（interface），用來(lái)模擬層狀圍巖的交界面（如圖4所示）。接觸面（interface）的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2 隧道三維動(dòng)態(tài)模擬

左、右洞隧道均按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工順序施工，左洞為先行洞，右洞為后行洞，每次開(kāi)挖進(jìn)尺為3 m。為了對(duì)比左、右洞不同錯(cuò)距條件下圍巖的變形特征，分別將雙洞錯(cuò)距設(shè)置為0 m、9 m、18 m、30 m（先行洞貫通）進(jìn)行隧道施工動(dòng)態(tài)模擬，因此，此次模擬共設(shè)置4種工況，如表3所示。

為了方便對(duì)比各種工況下隧道的變形特征，在模型的中部Y=15處分別設(shè)置地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置7個(gè)，拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

分別對(duì)4種工況進(jìn)行模擬，得到了各個(gè)工況下的模擬結(jié)果。為研究不同掌子面錯(cuò)距對(duì)圍巖變形的影響，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行提取、處理與分析。

2.3 地表沉降

淺埋隧道在施工過(guò)程中對(duì)地表沉降有著較高的要求。對(duì)于小凈距隧道，一個(gè)合理的掌子面錯(cuò)距應(yīng)能在一定范圍內(nèi)使隧道總體的地表沉降值較小，這樣能更加有效地保障淺埋隧道上覆巖體的圍巖穩(wěn)定性。

提取地表沉降點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別繪制4種工況條件下地表沉降隨著隧道開(kāi)挖施工的變形曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，在小凈距隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，雙洞隧道不同掌子面錯(cuò)距下地表沉降變形的趨勢(shì)保持一致，當(dāng)左洞（先行洞）開(kāi)挖后，地表沉降進(jìn)入快速變形狀態(tài)，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，地表沉降值逐漸增大，當(dāng)右洞（后行洞）開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面后，隨著隧道的開(kāi)挖，各地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值趨于穩(wěn)定，基本不再發(fā)生變化。

對(duì)比圖6中的工況1、工況2、工況3、工況4可以發(fā)現(xiàn)，地表沉降變形穩(wěn)定的時(shí)間隨著雙洞錯(cuò)距的增加而增加，雙洞錯(cuò)距為0 m、9 m、18 m、30 m時(shí)對(duì)應(yīng)的地表沉降變形穩(wěn)定時(shí)步分別為15步、18步、21步、25步。這說(shuō)明對(duì)于某個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，雙洞隧道的左、右洞均開(kāi)挖至該監(jiān)測(cè)斷面后，隧道開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面地表沉降的影響才算結(jié)束。也就是說(shuō)，在不考慮變形值只考慮變形持續(xù)時(shí)間的條件下，雙洞錯(cuò)距越短，地表沉降就越能夠快速地趨于穩(wěn)定。

同時(shí)，為了分析小凈距隧道雙洞錯(cuò)距對(duì)地表沉降最終變形值的影響，繪制了不同工況下地表沉降變形的沉降槽曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，地表沉降值以中間巖柱的中線劃分，呈左、右非對(duì)稱分布，左側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體變形大，右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體變形小，這主要是受到了巖體傾向的影響，使隧道整體處于偏壓狀態(tài)。隧道左洞開(kāi)挖后，隧道上部巖體底層應(yīng)力快速釋放，整體向左洞隧道洞內(nèi)擠壓，中巖柱左側(cè)地表沉降較大；當(dāng)右洞隧道開(kāi)挖后，殘余的地層應(yīng)力較小，中巖柱右側(cè)地表沉降也相對(duì)較小。

對(duì)比4種工況下地表沉降值的變化可以看出，隨著雙洞錯(cuò)距的增加，各測(cè)點(diǎn)的地表沉降值逐漸減小。從地表沉降變形最大的DB0點(diǎn)（中巖柱上方）的數(shù)據(jù)來(lái)看，掌子面錯(cuò)距分別為0 m、9 m、18 m、27 m時(shí)，該點(diǎn)地表沉降值分別為13.38 mm、12.95 mm、12.53 mm、12.43 mm，由此可見(jiàn)雙洞錯(cuò)距的增加有助于控制地表沉降變形，但這個(gè)控制作用也是有限的，且雙洞錯(cuò)距為18 m和30 m時(shí)的地表沉降值較為接近。

2.4 拱頂下沉

分別提取左、右洞隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)GDZ、GDY的變形數(shù)據(jù)，繪制變形曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出，在變形穩(wěn)定時(shí)間上，掌子面錯(cuò)距越長(zhǎng)，左、右洞隧道拱頂沉降變形穩(wěn)定所需的時(shí)間也越長(zhǎng)，這與地表沉降保持一致。在變形趨勢(shì)上，左、右洞隧道的拱頂變形在不同的掌子面錯(cuò)距條件下呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)并不相同，左洞隧道拱頂下沉值隨著錯(cuò)距的增加而增加，右洞隧道拱頂下沉值隨著錯(cuò)距的增加而減小。出現(xiàn)這種情況的原因主要在于：對(duì)左洞而言，左洞為先行洞，錯(cuò)距越長(zhǎng)，右洞開(kāi)挖對(duì)左洞的影響持續(xù)時(shí)間也就越長(zhǎng)，因此變形也就越來(lái)越大；右洞則恰恰相反，錯(cuò)距越長(zhǎng)，右洞開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面所需的時(shí)間也越長(zhǎng)，在此期間左洞承擔(dān)的巖體釋放荷載越來(lái)越多，右洞開(kāi)挖后周邊巖體處于相對(duì)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，因此變形也越來(lái)越小。

2.5 拱腰收斂

隧道的拱腰收斂變形反映了隧道的橫向穩(wěn)定性。提取SLZ1、SLZ2、SLY1、SLY2點(diǎn)模擬結(jié)果的X向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并經(jīng)處理得到左、右洞拱腰收斂變形結(jié)果（SLZ1-SLZ2，SLY1-SLY2），繪制變形曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出，左洞的拱腰收斂在不同工況條件下變形趨勢(shì)并不相同，當(dāng)掌子面錯(cuò)距不為0時(shí)，拱腰收斂變形表現(xiàn)為先增大、后減小、最后不變3個(gè)階段：第一階段拱腰收斂快速增加，主要是因?yàn)樽蠖此淼篱_(kāi)挖后，周圍巖體急劇地向洞內(nèi)擠壓；第二階段收斂值減小，主要是因?yàn)橛叶撮_(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面后，巖體部分開(kāi)始向右洞擠壓，因而左洞的拱腰收斂變形會(huì)有一定的減小，錯(cuò)距為0 m時(shí)，左右洞同時(shí)開(kāi)挖，則不存在拱腰收斂減小的情況；第三階段為開(kāi)挖支護(hù)完成后拱腰收斂保持穩(wěn)定。右洞的拱腰收斂在掌子面錯(cuò)距不為0時(shí)，變形階段為先減小再增加最后穩(wěn)定，這個(gè)階段也是與左洞一一對(duì)應(yīng)的，拱腰收斂首先減小是因?yàn)樽蠖撮_(kāi)挖后右洞還沒(méi)有開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨周邊圍巖一起向左洞內(nèi)擠壓，因此右洞的拱腰收斂會(huì)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)然，錯(cuò)距為0時(shí)，若左右洞同時(shí)開(kāi)挖則不存在這種情況。

從拱腰收斂變形值來(lái)看，左、右洞掌子面錯(cuò)距是否為0（即左、右洞是否同時(shí)開(kāi)挖）對(duì)左洞拱腰的收斂變形影響顯著，當(dāng)掌子面錯(cuò)距為0時(shí)的拱腰收斂變形值明顯較大，但當(dāng)掌子面錯(cuò)距不為0時(shí)，錯(cuò)距的增加對(duì)左洞拱腰收斂變形基本沒(méi)有影響。同時(shí)，對(duì)于右洞而言，其拱腰收斂變形值基本保持不變，不受掌子面是否為0以及掌子面錯(cuò)距大小的影響。

2.6 塑性區(qū)

圍巖塑性區(qū)的大小反映了巖體的破壞范圍，能夠直觀地體現(xiàn)出隧道開(kāi)挖對(duì)周邊巖體的影響范圍。為分析不同掌子面錯(cuò)距對(duì)隧道塑性區(qū)的影響，借助FLAC 3D軟件內(nèi)置的Fish語(yǔ)言開(kāi)發(fā)代碼，用于自動(dòng)計(jì)算塑性區(qū)體積，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，并繪制掌子面錯(cuò)距-塑性區(qū)體積變化曲線圖，如圖10所示。

根據(jù)表4、圖10可知，當(dāng)隧道掌子面錯(cuò)距為0時(shí)，塑性區(qū)體積最大為22 457.86 m3；當(dāng)錯(cuò)距為30 m時(shí)，塑性區(qū)體積最小為19 694.02 m3，塑性區(qū)體積隨著掌子面錯(cuò)距的增加而減小。這主要是因?yàn)樽蟆⒂叶此淼篱_(kāi)挖掌子面距離越近，雙洞之間的影響就越強(qiáng)，圍巖擾動(dòng)的范圍也越大，所以隧道周邊圍巖的塑性破壞區(qū)域也就越大。同時(shí)，從圖10可以看出，隨著掌子面錯(cuò)距的增大，塑性區(qū)體積減小的幅度越來(lái)越小，當(dāng)掌子面錯(cuò)距＞18 m時(shí)，隨著錯(cuò)距的增加，塑性區(qū)體積減小不再明顯，這也說(shuō)明雙洞隧道掌子面開(kāi)挖的影響范圍約為18 m，即1D（為隧道開(kāi)挖寬度）。

3 結(jié)語(yǔ)

緩傾層狀巖體條件下，小凈距隧道雙洞錯(cuò)距對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響相對(duì)復(fù)雜。本文采用隧道三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的方法，重點(diǎn)分析了雙洞掌子面錯(cuò)距對(duì)隧道變形的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）緩傾層狀巖體條件下淺埋小凈距隧道的地表沉降變化是非對(duì)稱的，以中巖柱劃分，左側(cè)變形大，右側(cè)變形小，中巖柱中心處的地表沉降最大。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控中巖柱上方的地表沉降，避免其變形超限。

（2）雙洞錯(cuò)距的大小對(duì)拱頂下沉最終值影響較小，但對(duì)變形穩(wěn)定時(shí)間影響明顯，較短的雙洞錯(cuò)距會(huì)使拱頂下沉在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較大的一個(gè)值，變形速率過(guò)大會(huì)提高現(xiàn)場(chǎng)施工的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）左、右洞的拱腰收斂較為明顯地反映出小凈距隧道雙洞的互相影響，雙洞同時(shí)施工時(shí)拱腰收斂變形激增。經(jīng)過(guò)對(duì)巖體塑性區(qū)的分析，基本確定本文的小凈距隧道掌子面開(kāi)挖對(duì)周邊巖體的影響范圍約為18 m。

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基金項(xiàng)目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“隧道施工風(fēng)險(xiǎn)信息精細(xì)化采集、分析及數(shù)字管理平臺(tái)研發(fā)”（編號(hào)：桂科AB22080033）

作者簡(jiǎn)介：周邦鴻（1988—），工程師，研究方向：工程管理。