施工顺序对浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性影响的分析∗

凌同华1，谢伟华1，周凯1，何瀚1，李洁2

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.新余学院建筑工程学院，江西新余 338000）

施工顺序对浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性影响的分析∗

凌同华1，谢伟华1，周凯1，何瀚1，李洁2

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.新余学院建筑工程学院，江西新余 338000）

为深入分析小净距隧道围岩在不同施工顺序下的稳定性，以浙江省苍南县藻溪隧道为工程背景，运用FLAC3D进行模拟计算。隧道深埋侧采用预留核心土法、浅埋侧采用单侧壁导坑法开挖施工，针对不同隧道净距的浅埋偏压小净距隧道，对采用“深—浅”和“浅—深”两种施工顺序下围岩位移变化和塑性区发展情况进行对比分析。结果表明，在Ⅴ级围岩情况下，合理的隧道开挖净距为10m，开挖方案为“浅—深”，并且随着隧道净距的增加，施工顺序的不同对偏压隧道围岩稳定性的影响程度减弱。

隧道；浅埋；偏压；施工顺序；隧道净距；数值模拟

浅埋偏压小净距隧道在开挖过程中可能会出现如塌方、冒顶等重大工程事故，对人们生命财产安全构成极大威胁。因此，加强对浅埋偏压小净距隧洞围岩稳定性的研究具有很强的实际意义。文献［1］～［6］运用不同数值模拟软件对不同施工顺序下围岩稳定性进行了分析研究，并提出优化方案指导施工；文献［7］～［10］针对隧道净距对围岩稳定性的影响进行了分析研究。该文基于浙江省苍南县藻溪隧道，针对目前浅埋偏压小净距隧道的实际应用情况，运用FLAC3D进行数值模拟，对比分析不同净距隧道在“深—浅”、“浅—深”两种施工顺序下中夹岩及围岩的应力、变形和塑性区发展情况，以选择合理的隧道净距及施工顺序，为类似浅埋偏压小净距隧道施工和设计提供参考。

1　数值模拟

1.1工程概况

该隧道位于苍南县藻溪镇灵炎公路旁，进口段YK8+070—120隧道浅埋侧，埋深为12～16m，地表倾斜角度为30°。进洞口段岩性主要为强风化角砾玻屑熔结凝灰岩，较破碎、坚硬，呈碎裂结构，围岩级别为Ⅴ级。

隧道洞口及洞身加强段深埋侧采用预留核心土法施工，浅埋侧采用单侧壁导坑法施工。隧道开挖宽度为12.1m，高度为9.8m，净空断面为三心圆，采用复合式衬砌。初期衬砌由系统锚杆、钢筋焊接网、喷射砼及钢拱架组成，其中系统锚杆采用4m长φ25× 5中空注浆锚杆，环向间距1.0m，纵向间距0.5m；钢筋网采用φ6@15cm×15cm；喷射25cm厚C20砼；钢拱架采用I18工字钢，纵向间距0.5m。

1.2模型建立与参数选择

分别建立隧道净距为5、10及15m时数值计算模型（见图1）。根据地下结构受力分析，受洞室开挖影响的围岩变形范围一般为开挖宽度的3～5倍。结合该工程实际情况，计算模型宽x方向取140m，轴线y方向取60m，下边界z方向距模型中心40 m，上边界直至地表，地表斜坡倾斜角度为30°。模型的边界约束条件为：模型左右两侧边界均受x方向水平位移约束，底部边界受x、y、z三向位移约束，前后边界受y方向位移约束，地表为自由边界。

图1　藻溪隧道数值计算模型

模型选用Mohr-Coulomb屈服准则，将围岩视为各向同性介质。其中锚杆采用杆单元模拟，其余部分均采用实体单元模拟，钢拱架采用等效模拟，即将钢拱架的弹性模量折算到钢筋砼上，钢筋网不予模拟。结合JTGD70-2004《公路隧道设计规范》与工程实际得出模型计算参数（见表1）。

2　施工方案及控制点的布置

为研究小净距隧道在不同施工顺序下隧道围岩的整体稳定性，分别采用“深—浅”和“浅—深”两种施工顺序进行模拟施工。

表1　围岩及支护材料计算参数

“深—浅”施工工序为深埋侧上部弧形岩体开挖与支护→深埋侧上部核心岩体开挖→深埋侧下台阶开挖与支护→浅埋侧先行导坑开挖与支护→浅埋侧上台阶开挖与支护→浅埋侧下台阶开挖与支护→二次衬砌及防水施工。

“浅—深”施工工序为浅埋侧先行导坑开挖与支护→浅埋侧上台阶开挖与支护→浅埋侧下台阶开挖与支护→深埋侧上部弧形岩体开挖与支护→深埋侧上部核心岩体开挖→深埋侧下台阶开挖与支护→二次衬砌及防水施工。其中深埋侧核心岩体落后环形岩体6m开挖，下台阶落后核心岩体12m开挖，浅埋侧上台阶落后侧壁导坑土体12m开挖，下台阶落后上台阶12m开挖，每循环进尺为2.0m。施工工序过程见图2。

图2　隧道施工工序示意图

分别选取左、右两线的拱顶、拱腰及拱肩关键点作为模拟分析的控制点，控制点的布置见图3。

图3　模拟分析控制点布置示意图

3　数值模拟结果对比分析

选取模型y=10断面作为计算研究面，对采用“深—浅”、“浅—深”两种施工顺序开挖完成后隧道周边围岩的位移及塑性区变化进行对比分析，确定最优施工方案。

3.1隧道周边围岩位移结果对比分析

图4～7为隧道在两种方案开挖完成后的围岩位移云图，表2为各控制点的位移，图8～10为各控制点的位移变化趋势。

图4　围岩竖直方向位移云图（净距5m）

图5　围岩水平方向位移云图（净距5m）

图6　围岩竖直方向位移云图（净距15m）

图7　围岩水平方向位移云图（净距15m）

由图4～7及表2可知：隧道开挖完成后，竖向位移云图呈不对称分布，竖直位移较大值主要分布在拱顶处，深埋侧拱顶沉降量远大于浅埋侧。而在地形偏压影响下，围岩水平位移云图呈明显斜向倾斜，隧道两侧拱肩均出现较大水平位移，并在浅埋侧内侧拱肩达到水平位移最大值。隧道净距为5m时，两洞开挖完成后云图呈现相互连通的趋势，相互影响区域较大，采用“浅—深”方案开挖时，浅埋侧隧道最终拱顶下沉、周边收敛及仰拱隆起值均小于“深—浅”方案，深埋侧则正好相反。由于地形偏压的影响，开挖过程中隧道拱肩出现变形破坏的可能性较大，采用“浅—深”方案时浅埋侧拱肩位移比采用“深—浅”方案时减少0.26mm，能有效控制其浅埋侧水平位移。隧道净距为10m时，围岩位移云图还存在一定程度的相互重叠影响区域，但相对于净距为5m时已明显减少。隧道净距为15m时，两洞开挖后云图类似于单洞开挖时情形，位移相互重叠影响区域已很少，“浅—深”方案比“深—浅”方案对浅埋侧拱肩位移的控制仅减少0.03mm，两种方案下各控制点位移变化大小及趋势基本一致，施工顺序对隧道周边围岩位移变形的影响已很小。

表2　隧道周边控制点的位移

图8　净距为5m时控制点的位移变化趋势

图9　净距为10m时控制点的位移变化趋势

图10　净距为15m时控制点的位移变化趋势

由图8～10可知：隧道净距为5m时，施工顺序的不同对隧道周边围岩位移变化的影响最大，可明显看到在两种施工顺序下各控制点位移曲线的相互差值；随着净距的增加，当隧道净距为10m时，两种施工顺序下各控制点位移变化曲线持续接近；当隧道净距为15m时，两种施工顺序下各控制点位移变化曲线已基本重合，施工顺序的影响已很小。

一般情况下，浅埋偏压小净距隧道由于浅埋侧上层覆岩厚度不够，开挖过程中难以形成有效的成拱效应，浅埋侧发生坍塌的几率会大于深埋侧，需重点加强支护。而“浅—深”方案相对于“深—浅”方案能更好地控制浅埋侧隧道周边岩体的竖直位移及水平位移，且对开挖过程中发生水平位移变形较大的隧道拱肩处能形成良好的支护作用，能有效保证围岩在开挖过程中的稳定性。整体来讲，在不同隧道净距（5、10、15m）条件下，“浅—深”方案对于隧道周边围岩变形的控制优于“深—浅”方案，且当隧道净距为5m时优势更明显，随着净距的增加施工顺序对其影响程度逐渐减弱。

3.2塑性区分布结果对比分析

不同隧道净距下采用两种方案开挖后隧道围岩塑性区分布见图11～13。

图11　开挖后隧道围岩塑性区分布图（净距5m）

图12　开挖后隧道围岩塑性区分布（净距10m）

图13　开挖后隧道围岩塑性区分布（净距15m）

由图11～13可知：1）隧道净距为5m时，围岩塑性区面积整体较大，采用“深—浅”方案时隧道浅埋侧内侧拱肩及仰拱处产生小范围的拉伸屈服区域，中夹岩柱区域出现大面积的剪切屈服连通区域，存在发生剪切破坏的较大可能性，且由于地形偏压的影响，深埋侧拱肩产生一定范围的剪切屈服区域。采用“浅—深”方案时，围岩处于塑性屈服状态的区域明显减少，中夹岩柱之前所出现的剪切屈服区域也基本消失，能有效保证中夹岩柱在开挖过程中的稳定性，而深埋侧塑性区分布状态与“深—浅”方案相差不大。2）隧道净距为10m时，采用“深—浅”方案时，中夹岩柱存在少量的塑性区连通区域，浅埋侧内侧拱肩及仰拱处同样存在一定区域的剪切和拉伸屈服区域；采用“浅—深”方案时，中夹岩柱已无塑性区连通区域，浅埋侧内侧拱肩及仰拱处于塑性屈服状态的区域也基本消失，围岩处于稳定状态，仅在拱腰处产生极小范围的剪切屈服区域，相对于净距为5m时，围岩处于塑性屈服状态的区域已减少很多，尤其在中夹岩区域，但“浅—深”方案优势有所减弱。3）隧道净距为15m时，采用两种方案开挖后围岩塑性区整体分布基本一致，中夹岩柱塑性区连通状态已完全消失，“浅—深”方案对于浅埋侧仰拱及深埋内侧拱肩塑性区发展的控制同样优于“深—浅”方案，但优势已不明显。

总体来说，在不同隧道净距（5、10、15m）下，一侧洞室的开挖会对另一洞室围岩的稳定性产生影响，“浅—深”方案比 “深—浅”方案更有利于开挖过程中围岩变形及塑性区发展的控制，在浅埋侧位移及塑性区的控制上更为有效；隧道净距为5m时“浅—深”方案优势更明显，但随着隧道净距的增加，施工顺序的不同对围岩稳定性的影响减弱。隧道净距为5m时，开挖过程中中夹岩柱发生破坏的几率很大，而当隧道净距达到10m时，开挖完成后中夹岩柱塑性屈服区域已基本消失，能有效保证中夹岩柱的稳定性。

4　结论

（1）两种不同的开挖方案，隧道深埋侧的围岩变形整体大于浅埋侧，较大变形主要发生在隧道拱顶、拱肩及中夹岩柱处，且由于地形偏压的影响，浅埋侧内侧拱肩处出现水平位移最大值，应重点对其加强支护及监控。

（2）隧道净距为5m时，开挖完成后中夹岩柱发生较大的位移变形，出现塑性区连通现象，中夹岩柱存在剪切破坏的可能性；但当隧道净距增加到10 m时，塑性区明显减少，中夹岩柱塑性屈服区域基本消失，能有效保证开挖过程中中夹岩柱的稳定性，且满足隧道选线要求。因此，合理的隧道开挖净距为10m。

（3）不同隧道净距下开挖时，“浅—深”方案均优于“深—浅”方案，尤其在浅埋侧位移及塑性区的控制上更为有效。因此，合理的施工顺序为“浅—深”。当隧道净距为5m时，“浅—深”方案优势最为明显，但随着净距的增加，当隧道净距为10和15 m时，该方案的优势逐渐减弱，即施工顺序的不同对隧道围岩稳定性的影响相对较弱。

［1］ 邓少军，阳军生，张学民，等.浅埋偏压连拱隧道施工数值模拟及方案比选［J］.地下空间与工程学报，2005，1 （6）.

［2］ 梁勇旗，刘丰铭，刘新荣，等.施工顺序对浅埋偏压黄土隧道稳定性的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2013，9（增刊2）.

［3］ 张运良，扶晓康，刘海林，等.浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨［J］.铁道科学与工程学报，2013，10（5）.

［4］ 李文华，周世生，韩萧，等.超小横净距双线地铁隧道开挖顺序数值模拟分析［J］.施工技术，2014，43（23）.

［5］ 朱正国，乔春生，高保彬.浅埋偏压连拱隧道的施工优化及支护受力特征分析［J］.岩土力学，2008，29（10）.

［6］ 刘建波.浅埋偏压连拱隧道施工工序优化研究［J］.施工技术，2015，44（15）.

［7］ 刘伟，靳晓，陈少华.高速公路小净距隧道合理净距的探讨［J］.地下空间，2004，24（3）.

［8］ 陈秋南，赵磊军，谢小鱼，等.浅埋偏压大跨花岗岩残积土小净距隧道合理间距研究［J］.中南大学学报：自然科学版，2015，46（9）.

［9］ 李岩松，陈寿根，周泽林.盾构隧道近接浅埋式矩形隧道合理净距的研究［J］.铁道标准设计，2014，58（1）.

［10］ 朱桂春，舒家华，唐徐林.小净距隧道合理净距及中岩柱加固方案优化［J］.施工技术，2013，42（19）.

［11］ JTGD70-2004，公路隧道设计规范［S］.

［12］ 靳柒勤，杨峰.隧道掌子面稳定性刚体平动运动单元上限有限元分析［J］.公路与汽运，2014（3）.

［13］ 杨小礼，眭志荣.浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析［J］.中南大学学报：自然科学版，2007，38（4）.

［14］ 葛传峰.影响隧道围岩稳定性的因素分析［J］.公路，2012（5）.

［15］ 晏启祥，何川，姚勇，等.软岩小净距隧道施工力学效应研究［J］.地下空间与工程学报，2005，1（5）.

［16］ 郑昳.大跨度红层围岩隧道CRD开挖稳定性分析［J］.公路与汽运，2015（3）.

［17］ 张军，李晟.大干溪隧道浅埋段现场监测及施工稳定性分析［J］.公路与汽运，2015（4）.

［18］ 高诗明.西施坡隧道浅埋段施工方法及参数优化研究［D］.西安：西安工业大学，2014.

［19］ 刁文超.公路隧道浅埋段爆破开挖及监测技术［D］.北京：北京工业大学，2012.

U451

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2016-02-28