大断面小净距公路隧道施工动态数值分析

李 帅，王 飞，刘以臣，贾 磊

（1.河北建研工程技术有限公司，石家庄 050021；2.河北建研科技有限公司，石家庄 050021）

0 引言

随着我国西部大开发战略的逐步推进，交通基础建设规模不断扩大。虽然城市发展迅速，但同时出现了用地紧张、人口密集、交通拥堵等一系列城市病态问题。当前，为了满足日益增长的交通量需求，许多城市公路因交通量饱和而被扩建。

小净距隧道是指上下行双洞洞壁净距较小，隧道中间岩柱厚度小于规范建议值，不能按独立双洞隧道考虑的隧道结构，其双洞净距一般小于1.5倍的洞径［1］。

由于大断面小净距隧道结构形式较为复杂，其施工过程中隧道的稳定性受到岩石的形成条件和地质作用的影响，结构承受的围岩压力较大，受力条件较为复杂，加上施工期间诸多工序非同步施工的影响，导致围岩极易发生失稳和隧道衬砌结构开裂、破坏等现象，因而，有必要对施工过程中的围岩、衬砌结构进行分析，进一步指导施工、完善设计［2］。

近年来，一些学者对大断面小净距隧道进行了研究，如刘艳青等［3］通过对招宝山小净距并行隧道的试验模型进行研究，得出了地面沉降、洞周收敛、围岩应力等的变化规律；李云鹏等［4］针对小净距隧道的中隔墙进行了分析。在此，本文在这些研究的基础上，以某一实际工程为研究背景，以ADINA 有限元软件为计算平台，对大跨度小净距并行隧道的施工过程进行了仿真模拟，为大跨度小净距隧道设计和现场施工提供参考。

1 模型建立

本文以某大断面小净距公路隧道工程为研究背景，隧道断面形式按工程实际进行选取，单洞最大开挖跨度为16.07m，最大开挖高度（含仰拱）为10.07 m。隧道净距取为0.8 B（B 为隧道跨度），即为12.86m。工程采用新奥法施工，隧道开挖采取双侧壁超前开挖法。隧道设计断面尺寸与施工方法如图1所示。具体开挖过程为：①先行导坑上部开挖→②先行导坑下部开挖→③后行导坑上部开挖→④后行导坑下部开挖→⑤中央部拱顶开挖→⑥⑦中央其余部开挖。支护过程为：Ⅰ先行导坑上部喷锚支护→Ⅱ先行导坑下部喷锚支护及仰拱混凝土→Ⅲ后行导坑上部喷锚支护→Ⅳ后向导坑下部喷锚支护及仰拱混凝土→Ⅴ中部导坑上部喷锚支护→Ⅵ中部仰拱混凝土→Ⅶ施做二次衬砌。施工过程为先进行左洞开挖右洞后开挖，即左洞为先行隧洞，右洞为后行隧洞。

图1 隧道开挖支护工序

1.1 模型及单元选取

以大型有限元软件ADINA 为计算平台，考虑隧道围岩的工程地质条件与力学性态，采用平面弹塑性有限元法进行模拟，计算中围岩采用2－D 平面弹塑性材料，遵循M－C 屈服准则，初衬及二衬采用2－D 平面弹性单元，锚杆采用Rebar单元进行模拟，围岩加固注浆以及小导管注浆采用提高围岩级别进行模拟。

为减少二维有限元模型中边界条件对计算结果产生的不利影响，有限元计算模型严格按照隧道力学分析结果进行确定，其横向边界到隧道外侧的距离约4倍洞径，取为60m，将其水平方向（Y 向）进行约束；下边界到隧道底边的距离大于3倍洞径，取为50m，将其竖直方向（Z向）进行约束。隧道埋深取30m，表面设为自由。由此建立隧道开挖过程有限元计算模型，如图2所示。

图2 隧道计算模型

1.2 材料选取

为使计算分析所得结果的规律具有普遍性，本次计算围岩主要考虑Ⅳ级，其力学参数指标参照《公路隧道设计规范》以及实际隧道工程地质勘查报告综合选取，岩体和支护材料物理力学参数，见表1。

表1 岩体和支护材料物理力学参数

1.3 初始地应力

由于隧道埋深较浅，初始地应力以围岩自重产生的应力为主，数值计算时，竖向为γh，隧道轴向和垂直隧道边墙方向为（γ为泊松比）。

2 结果分析

有限元动态仿真数值模拟计算范围内的主要考察结果是每个施工工序下的地表位移、衬砌内力及位移、锚杆轴力及隧道围岩应力分布规律。结果分析控制点如图3所示。

2.1 地表位移分析

2.1.1 地表水平位移分析

随着隧道双洞导坑的开挖，地表土体会随着导坑的开挖产生相应的水平位移。根据数值模拟结果，绘制地表控制点水平位移曲线如图4所示。左、右隧洞上部地表的水平位移方向大体呈现相反的发展趋势，左洞上部地表有向右下方运动的趋势，而右洞上部地表有向左下方运动的趋势。由图中可以看出，先行隧洞上部地表水平位移值略大于后行隧洞上部地表水平位移值，左洞最大水平位移值为＋2.715 39mm，右洞最大水平位移值为－2.704 47mm，这是由于后行隧洞的开挖对先行隧洞上部地表产生了扰动作用，而先行隧洞初期支护为后行隧洞的开挖提供了比较好的围岩环境。

图3 结果分析点布置示意图

图4 地表控制点水平位移曲线

先行隧洞拱顶上部控制点在左洞进行开挖时产生了负方向的水平位移，这是由于先行隧洞开挖过程中，首先进行左侧导洞的开挖，使得上部地表控制点产生了偏向左侧的水平位移，随着先行洞右侧导洞的开挖，上部地表水平位移开始恢复，向右侧发展，但是发展比较缓慢，后行隧洞的开挖使得地表受到较大的干扰，水平位移急剧向右侧发展；双洞隧道中部地表控制点位移随先行隧洞的开挖首先产生偏向左侧的水平位移，但是在后行隧道开挖进行过程中，水平位移开始慢慢恢复，向右侧偏移，直至产生了偏向于右侧的水平位移。这表明，在隧洞开挖过程中应充分考虑后行隧洞开挖对先行隧洞及其周边地表土体的扰动作用，及时进行监测并采取必要的防护措施。

2.1.2 地表竖向位移分析

在进行地表土层沉降分析时，不考虑未开挖时土层随时间变化而产生的固结沉降，仅考虑由于隧道开挖而引起的地表沉降值，根据数值模拟结果，绘制水平位移曲线如图5所示。其沉降的基本规律是上下导坑的开挖都将导致其上方地表沉降量增大明显，同时在中央部位拱顶土体开挖后，地表沉降出现较大浮动，各控制点沉降值增长迅速，最终最大沉降量出现在隧道中部岩柱上方，最大值为2.975 9mm。

先行隧洞开挖后，随着后行隧洞开挖的进行，左洞土体受到扰动，导致其地表沉降继续增大，而由于先行隧洞初期支护结构对土体产生的稳固效果，后行隧洞地表沉降明显小于左洞。

由于隧洞中央部位上部土体的开挖，使得隧洞上方地表沉降出现急剧变化区域，且在后行隧洞开挖中央部位拱顶土体时表现得更为明显。因此，采用双侧壁导坑法进行隧道施工的过程中，在开挖隧洞中央上部土体后，应及时进行初期支护结构的施工，并采取必要的防护措施，避免因土体开挖对隧洞及其上部地层产生较大的扰动。导坑开挖完毕，地表沉降量仍缓慢发展，随着远离隧道，地表沉降量逐渐减小。

图5 地表控制点竖向位移曲线

2.2 衬砌位移及内力分析

隧道衬砌最大竖向位移出现在先行隧洞的拱顶位置，最大值为2.002 8mm，由于先行隧洞开挖后及时进行初期支护，使得周围岩体具有了较好的稳定性，但是受到后行隧洞开挖扰动的作用，使得先行隧洞衬砌各控制点位竖向位移值均高于后行隧洞。

表2 衬砌控制点位移及最大主应力

2.3 锚杆轴力分析

在隧道模型分析过程中，对于锚杆轴力的控制分析主要是为了了解锚杆的受力状态和轴力大小，从而为施工过程中合理布置锚杆间距，适当调整锚杆的其他施工参数提供依据。

本文模型中锚杆轴力如图6所示。从图中可以看出，锚杆轴力较大值集中分布在隧道的拱腰与拱脚位置。左、右两侧导坑部位的锚杆轴力大于中部导洞部位锚杆轴力，最大轴力值为19.167kN，位于先行隧洞左拱腰位置。最大轴力并未出现在拱顶部位，其原因是隧道的初期支护喷射混凝土衬砌，使隧道拱顶围岩具有良好的整体性能，有效地抑制了拱顶上部围岩的竖向位移。

图6 锚杆轴力分布图

锚杆轴力变化趋势与围岩受力变化趋势相同，锚杆轴力随围岩所受有效应力的增大而增大。锚杆轴力沿其辐射方向呈现出逐渐减小的趋势，仅在拱脚位置处附近出现沿锚杆轴向逐渐增大的趋势。

2.4 围岩受力的分布及其变化规律

对于围岩受力分析，本文以其有效应力作为分析对象。隧道部分施工有效应力模型如图7所示。通过对隧道模型施工过程的分析可知，当围岩位移显著增大时，围岩有效应力值也显著增大，说明导洞的开挖对上部土体产生了扰动，而隧道开挖过程中隧道中央上部土体的开挖导致隧道周围土体有效应力出现较为剧烈的变化，这使得隧道所受有效应力值明显增大，且增大区的范围沿左右拱腰至左右拱脚部位不断扩大。

图7 隧道部分施工模型图

围岩最终有效应力图如图8所示。由图可知，围岩受力以左、右洞拱腰至拱脚部位较为集中，整体上看围岩有效应力随隧道开挖的进行呈现先增大后逐渐发展到稳定值的变化趋势，最大有效应力值为2.78 MPa，位于左洞右拱脚附近位置处。左、右洞围岩有效应力大体呈现对称趋势，但由于大断面小净距隧道分步施工的各工序之间相互的影响，二者实际有效应力值却略有不同，在隧道相同部位，先行左洞周围岩体的有效应力值略大于后行右洞周围岩体的有效应力值，这体现了先行隧道支护结构对于后行隧道开挖起到了稳定岩体的作用，同时，后行隧道的开挖对先行隧道围岩具有扰动作用。

图8 围岩有效应力图

大断面小净距并行隧道中间岩柱有效应力值随隧道开挖不断扩大，且有效应力较大值集中在中部岩柱的上方及下方较大范围区域，而在中部岩柱中心部位形成一个有效应力较小的集中区域，说明在采用双洞导坑超前开挖施工方法时，应对并行隧道附近岩柱采取加强措施，防止由于中部岩柱受力变形太大，而导致围岩出现失稳状况。

3 结论

（1）通过比较左、右隧道的位移及受力状态，可知，先行隧洞的初期支护结构对隧洞开挖区域围岩起到了稳固的作用，有利于后行隧洞的施工，而后行隧洞的开挖对先行隧洞衬砌及其周围岩体均产生较大的扰动作用，因此，在设计及施工过程中应予以慎重考虑，并采取必要的防护措施。

（2）在此隧道中，拱顶锚杆所受轴力较小，而拱腰及拱脚部位锚杆所受轴力较大，表明拱顶部位锚杆对结构的稳定性作用不大，而拱腰及拱脚部位对结构的稳定性具有很大的作用。因此，在设计及施工过程中，应对此处范围内锚杆进行适当的加强处理。

（3）采用双侧壁导坑法施工，左、右侧上下导洞开挖过程时，仅对本洞周围岩体的有效应力和位移产生相应影响，对相邻洞室围岩有效应力和位移影响较小；但对中央部位拱顶导坑进行开挖时，对整个断面的围岩位移和有效应力影响都比较剧烈，因此，隧道开挖过程中应及时进行初期支护，并保证拱顶支护结构与两侧侧导坑支护结构及时封闭连接，成为整体，进而加强支护结构对于隧道围岩的稳定作用。

［1］ 中华人民共和国行业标准编写组.公路隧道设计规范（JTG D70－2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 蒋坤，夏才初.双向八车道小净距公路隧道监控量测分析［J］.岩土力学与工程学报，2010，29（S2）：3755－3761.

［3］ 刘艳青，钟世航，卢汝绥，等.小净距并行隧道力学状态的试验研究［J］.岩土力学与工程学报，2000，19（5）：590－594.

［4］ 李云鹏，韩常领，霍明，等.不同围岩类小净距隧道施工过程模拟研究［J］.岩土力学，2006，27（1）：11－16.