不同開挖工法下淺埋偏壓小凈距隧道及邊坡穩定性研究

徐松

摘 要：【目的】隧道施工中常遇到小凈距偏壓隧道與邊仰坡相互作用的情況，可能導致隧道塌方及邊坡失穩，因此在建設過程中應及時對二者進行加固，尤其是淺埋小凈距偏壓黃土隧道。【方法】以中蘭客專引入蘭州樞紐配套工程白石一號隧道為工程背景，采用數值模擬的方法對不同開挖工法及施工順序下小凈距隧道的穩定性進行研究。【結果】淺埋偏壓小凈距隧道開挖形成的塑性區與邊坡潛在滑動面貫通，極易使隧道坍塌，使隧道鄰近邊坡發生失穩災害。采用三臺階臨時橫撐法的開挖方式對圍巖的擾動范圍最小，且先對靠近山體的隧道開挖所得的邊坡穩定安全系數較大，更有利于小凈距隧道及邊坡的安全穩定；三臺階臨時橫撐的開挖工法使得臨時橫撐與襯砌共同承擔荷載，可最大限度地抑制隧道拱頂和仰拱的圍巖變形，繼而保證施工安全。【結論】針對小凈距隧道中巖柱穩定性問題提出了相應的加固建議，為類似淺埋小凈距隧道施工提供參考。

關鍵詞：淺埋；小凈距隧道；偏壓；開挖工法；穩定性；數值模擬

中圖分類號：U455? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0064-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.013

Study on the Stability of Shallow-Buried Bias Voltage Neighbourhood Tunnel and Slope Under Different Excavation Methods

XU Song

（China Railway 22nd Bureau Group Co.， Ltd.， Beijing 100043， China）

Abstract： [Purposes] The interaction between the neighbourhood bias tunnel and the side slope is often encountered in the construction of the tunnel， which may lead to tunnel collapse and slope instability. Therefore， it is necessary to reinforce the two in time during the construction process， especially the shallow buried neighbourhood bias loess tunnel. [Methods] Based on the project background of Baishi No.1 Tunnel， a supporting project of Lanzhou Hub introduced by Zhonglan Passenger Dedicated Line， the stability of small clear distance tunnel under different excavation methods and construction sequence is studied by numerical simulation. [Findings] The results show that the plastic zone formed by shallow-buried unsymmetrical tunnel excavation with small clear distance is connected with the potential sliding surface of the slope， which is easy to collapse the tunnel and cause landslide disaster near the slope. The excavation method of three-step temporary cross brace has the smallest disturbance range to surrounding rock， and the slope stability safety factor obtained by excavating the tunnel near the mountain is larger， which is more conducive to the safety and stability of the small clear distance tunnel and slope. The excavation method of three-step temporary cross brace makes the temporary cross brace and lining share the load， which can restrain the deformation of surrounding rock of tunnel vault and inverted arch to the maximum extent， and then ensure the construction safety. [Conclusions] The corresponding reinforcement suggestions are put forward for the stability of rock pillars in small clear distance tunnels. The research results can provide reference for similar shallow-buried tunnels with small clear distance.

Keywords： shallow burial; neighbourhood tunnel; bias voltage; excavation method; stability; numerical simulation

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，基礎設施建設取得了一些成就，鐵路建設也是其中重要一環，鐵路的建設不僅滿足了國民出行需求，且對我國國防事業安全至關重要。我國中西部地區山脈縱橫交錯，尤其是黃土高原地區地質復雜，在鐵路修建時常采用隧道的形式，在存在土地資源緊張和現有居民點的地方可采用小凈距隧道來進行繞避。同時，在偏壓情況下開挖和支護的小凈距隧道由于形式特殊也備受關注。因此，為保證偏壓小凈距隧道及邊坡的施工安全，研究不同工法及施工順序下小凈距隧道開挖穩定性具有重要意義。目前，已有眾多學者對該領域進行了不同角度的研究。李華和彭文波［1］采用有限元方法對超淺埋小凈距隧道進行了施工順序的模擬，表明先施工埋深較淺一側的隧道，可降低襯砌結構所受的內力。李偉平等［2］采用有限元軟件Abaqus對偏壓小凈距隧道的三種不同施工方案進行模擬，確定了單側壁導坑法為陡坡偏壓小凈距隧道的合理施工方案。王春國［3］利用FLAC3D有限差分軟件對大跨偏壓小凈距隧道施工過程中的受力變形規律與施工方案進行對比分析，并與現場實際監測數據做了對比，表明先開挖靠近山體一側的隧道更穩定。曹小平等［4］以某公路隧道為背景，通過建立偏壓小凈距隧道的圍巖壓力計算模型，并對隧道參數變化對圍巖壓力的敏感性進行了分析，結果表明，后行洞施工會使先行洞拱部壓力增大，水平壓力與側壓力減小，同時圍巖側壓力系數也受摩擦角及偏壓坡角的影響。江學良等［5］設計了隧道物理模型，并開展了大型振動臺試驗，研究了不同地震波類型與加速度對偏壓小凈距隧道襯砌結構的應變動力響應規律的影響。騰俊洋等［6］根據淺埋偏壓小凈距隧道推導了其圍巖壓力計算公式，并分析了不同地形坡度及不同埋深對小凈距隧道豎向壓力與側向壓力的影響規律。孫振宇等［7］研究了小凈距隧道圍巖壓力的演變規律，分析了影響圍巖壓力的主要因素，討論了小凈距隧道中夾巖柱側向壓力與隧道圍巖參數的關系，進而建立了相應的計算模型來進一步驗證。劉佳［8］利用三塌落拱理論建立了隧道荷載計算模型，推導了隧道圍巖壓力的理論計算公式，研究了不同埋深與凈距對隧道圍巖壓力的影響規律，提出了小凈距隧道中夾巖柱的加固方式。李然等［9］基于普式理論提出了三種小凈距隧道圍巖壓力的計算方法，分析了凈距和跨度對圍巖壓力分布規律的影響，并與實測數據進行了對比，驗證了方法的合理性和有效性。王趕等［10］以極限平衡法原理為基礎，引入水平地震力系數推導出一種考慮后行洞施工對先行洞影響的淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力的計算方法，并分析了水平地震力對圍巖破裂角的影響規律。

基于淺埋小凈距偏壓黃土隧道穩定性研究的研究現狀，本研究采用數值模擬和分析的方式對不同開挖工法及施工順序下的淺埋偏壓小凈距隧道的穩定性進行研究，并針對偏壓小凈距隧道中巖柱的穩定問題提出相應的加固建議，以期為此類小凈距隧道施工提供參考。

1 工程背景

白石一號隧道地處蘭州市七里河區，全長350 m，地面高程為1 556～1 591 m，相對高差約35 m，最大埋深24 m，最小埋深13 m，屬典型的淺埋小凈距隧道。隧道開挖高度為11.54 m，開挖寬度為8.57 m，隧道凈空斷面面積為85.1 m2，屬于大斷面隧道。隧道起止里程為DK6+170～DK6+520，其中K6+224～DK6+513為暗挖段，凈距為2.52～8.61 m。隧道左線長350 m，右線長342 m，設計進口61 m、出口60.66 m，明洞段共計121.66 m，圍巖等級均為Ⅴ、Ⅵ級。隧道地質巖層主要為雜填土、砂質黃土等，黃土具有大孔隙、強度低、濕陷性等特點，施工過程中易出現隧道拱頂沉降過大、邊坡失穩等現象。現場隧道設計斷面如圖1所示。

2 數值模型建立及參數選取

2.1 模型建立

本研究選用有限元軟件Abaqus建立二維小凈距隧道模型，只考慮圍巖與支護結構自重，土體采用摩爾-庫倫本構模型，初支和二襯為彈性材料。選取隧道的某一截面進行模擬，計算模型如圖2（a）所示。隧道埋深18 m，右線隧道距坡面8.5 m，開挖高度為11.5 m，跨度為8.5 m，屬于典型的淺埋偏壓小凈距隧道。考慮模型的邊界效應，左邊界距左線隧道取為4倍洞徑，底部邊界距隧道底部取為3倍洞徑，右線隧道右上側為邊坡，底部設置固定約束，左右兩側設置水平約束，上部為自由邊界。為分析隧道開挖過程中的邊坡的變形情況，在邊坡上設置了5個測點，如圖2（b）所示。

2.2 模型參數

參照地勘報告，圍巖及支護結構參數的取值見表1。

2.3 施工工況模擬

在數值模擬分析中，主要利用Abaqus軟件的生死單元功能實現隧道的開挖與支護。模擬的隧道開挖工況包括兩臺階法、三臺階法、環形開挖預留核心土法和三臺階臨時橫撐法等4種，分別分析4種開挖工法下邊坡及圍巖的穩定性，具體工況見表2。

3 邊坡及圍巖穩定性分析

3.1 隧道開挖過程中邊坡塑性區分布

淺埋偏壓小凈距隧道采用兩臺階法開挖，分析隧道開挖前、先左洞開挖后與雙洞開挖后未支護條件下邊坡塑性區分布，結果如圖3所示。由圖3（a）可知，邊坡已有失穩趨勢，塑性區自坡腳延伸至坡體中上部，但還未貫通，邊坡暫時處于穩定狀態。由圖3（b）可知，在左洞開挖后形成了新的塑性區，左洞邊墻兩側產生的新塑性區一直往上延伸與邊坡塑性區相貫通，最終導致隧道左側土體的下滑和坡腳以上土體向隧道右側的塌陷。由圖3（c）可知，在小凈距隧道開挖完成后，中夾巖柱部位產生新的貫通塑性區，右洞拱頂部位產生的塑性區與邊坡塑性區相貫通，極易使右洞發生坍塌。因此，在隧道開挖前務必做好邊坡的預加固措施，否則將發生隧道坍塌和邊坡失穩情況。

3.2 邊坡穩定性分析

3.2.1 不同施工順序下邊坡穩定性分析。兩臺階開挖不同施工順序時，邊坡強度折減系數與坡面監測點水平位移關系曲線如圖4所示。由圖4可知，各測點的水平位移起初隨折減系數的增加而線性增大，之后在一拐點處急劇增大。對于工況1水平位移在折減系數為1.43時出現拐點，故取邊坡安全系數為1.43；對于工況2水平位移在折減系數為1.45時出現拐點，故取邊坡安全系數為1.45。顯然，工況2的安全系數略大，故在淺埋偏壓小凈距隧道施工時應先進行靠山側洞室的開挖。

兩種工況下各施工階段對應的邊坡穩定安全系數見表3。分析表3可知隧道施工過程中邊坡穩定性的演化規律。由計算結果可看出，隨著隧道開挖面的增大，邊坡穩定安全系數逐漸降低，且第二個洞室的上臺階開挖會使得邊坡安全系數大幅降低；工況1和工況2中由開挖第二個洞室上臺階造成的安全系數降低值分別占總安全系數降低值的51.4%和54.6%，說明小凈距隧道的開挖會使圍巖擾動區變大，不利于隧道側向邊坡穩定。

3.2.2 不同工法下邊坡穩定性分析。不同工法下土體強度折減系數與測點水平位移的關系曲線如圖5所示。可見工況3、工況4和工況5邊坡穩定安全系數分別為1.54、1.56和1.62，另外由圖5（b）可知工況2邊坡穩定安全系數為1.45，4種開挖方法都滿足邊坡穩定的要求。通過對比不同開挖方法的邊坡穩定安全系數可知，采用工況5左洞先行三臺階臨時橫撐法開挖，可使邊坡安全系數較其他工況分別提高11.7%、5.2%和3.8%，因此優先采用三臺階臨時橫撐法開挖。

3.3 圍巖穩定性分析

3.3.1 不同施工順序對圍巖穩定性影響。以兩臺階法施工為例，對左右洞不同開挖順序下的隧道拱頂沉降進行模擬計算，如圖6所示。由圖6可知，先右洞兩臺階開挖法對圍巖造成的擾動范圍較廣一些，最大豎向位移為25.96 mm，左洞先開挖造成的最大豎向位移為23.47 mm，較右洞減小9.6%。由此可知，先進行左洞兩臺階開挖對邊坡及圍巖的影響較小，可有效降低圍巖的豎向沉降。

3.3.2 不同開挖工法對圍巖穩定性的影響。根據上述分析所得結論，本研究采用左洞先行的開挖順序對兩臺階法、三臺階法、環形開挖預留核心土法和三臺階臨時橫撐法等進行對比分析不同開挖工法下的圍巖沉降變形，得到偏壓狀態下最優的開挖工法。不同開挖工法下圍巖位移云圖如圖7所示。由圖7可知，在隧道開挖作用下，圍巖與邊坡均有不同程度的變形。對于豎向位移，拱頂沉降并非在中心處，而是向深埋側偏移，兩臺階開挖引起的沉降最大為23.47 mm，三臺階開挖引起的拱頂沉降最小為19.17 mm，環形預留核心土開挖與三臺階開挖引起的拱頂沉降基本一致，三臺階臨時橫撐法開挖引起的拱頂沉降比兩臺階法、環形開挖預留核心土法和三臺階法減小了18.3%、8.4%和7.7%；類似地，兩臺階法開挖引起的仰拱隆起最大為21.29 mm，三臺階臨時橫撐法引起的仰拱隆起最小為20.18 mm，環形開挖預留核心土法和三臺階法引起的仰拱隆起也基本一致，三臺階臨時橫撐法引起的仰拱隆起較兩臺階法、環形開挖預留核心土法和三臺階法減小了5.2%、3.5%和2.9%，差別較小。整體對比拱頂沉降與仰拱隆起發現數值均不大，主要原因是隧道埋深較淺，上覆土壓力較小，并且地應力較小，進而導致圍巖變形較小。對于水平位移，主要集中在隧道拱頂及右洞拱腳處。在隧道開挖工程中臨空面的產生，使得邊坡下滑，產生的下滑力進而造成邊坡水平位移增大。采用三臺階開挖引起的水平位移最小為4.9 mm，最大為10.6 mm，分別比兩臺階法、三臺階法和環形開挖預留核心土法減小了15.3%、14.0%和3.0%。由此可知，三臺階臨時橫撐法開挖對隧道圍巖擾動最小，引起的豎向位移和水平位移也最小。采用該種工法的臨時橫撐可和初期支護封閉成環，共同承擔土體荷載，顯著增強了圍巖的變形穩定性。

3.4 中巖柱加固措施

在實際工程施工中，小凈距隧道施工勢必會對中巖柱造成多次擾動，并且雙洞開挖造成的擾動相互疊加，更加容易使中巖柱變形，不利于隧道的穩定，因此應對其進行工程加固。目前，常用于小凈距隧道中巖柱加固方式有注漿加固、貫通長預應力錨桿加固以及幾種方法組合的方式。根據施工經驗，單通過注漿加固的方式難以增強中巖柱區域土體的黏聚力，而單通過預應力錨桿的方式則難以控制施工成本。本研究中白石一號小凈距隧道中巖柱采用注漿與預應力錨桿相結合的方式進行加固，從而保證了隧道施工的安全性。

4 結論

①淺埋偏壓小凈距隧道開挖形成的塑性區與邊坡潛在滑動面貫通，極易使隧道坍塌，使小凈距隧道鄰近邊坡發生失穩。

②采用三臺階臨時橫撐法的開挖方式對圍巖的擾動范圍最小，且先對靠近山體的隧道開挖所得的邊坡穩定安全系數較大，更有利于小凈距隧道及邊坡的安全穩定。

③三臺階臨時橫撐的開挖工法使得臨時橫撐與襯砌結構共同承擔荷載，可最大限度地抑制隧道拱頂和仰拱的圍巖變形，繼而保證施工安全。

④為避免小凈距隧道中巖柱塑性區貫通，可以采用注漿加固與預應力錨桿相結合的方式對中巖柱區域進行加固。

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