三导洞施工法对偏压连拱隧道周边围岩的影响

韩任清*，朱苦竹，汪志刚

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

三导洞施工法对偏压连拱隧道周边围岩的影响

韩任清1*，朱苦竹，汪志刚

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

通过Abqus12.0建立二维有限元模型，对其一危险断面进行了三导洞施工法的动态数值模拟，并结合实际施工的病害进行分析。通过分析在三导洞法在不同施工步下对拱顶围岩、中隔墙顶部围岩、中隔墙以及隧道上部滑坡带的竖向位移以及大主应力变化，对三导洞法在不同施工步下对周边关键部位围岩的影响有了进一步认识，对类似隧道的实际施工有一定借鉴作用。

偏压连拱隧道;二维有限元模型;动态模拟;关键部位围岩影响

位于某高速公路上的带中隔墙的双连拱隧道全长235 m，由于地形限制，展线困难，隧道由B河右岸边坡中通过。山体斜坡坡度为35°，顶部坡度稍缓，山岭标高1 110～1 350 m，相对高差约240 m。整体南北向延伸，破面东倾，山露元古界深变质岩地层，岩性主要为花岗岩片麻岩，岩石坚硬，差异风化显著，斜坡表层为崩坡积的块石分布，有松动的现象。隧道从坡体中下部横穿而过。隧道设计为带中隔墙的整体双跨连拱结构，净高7.9 m，单跨净宽10.62 m，中墙厚2 m，总净宽25.24 m。

目前三导洞法在此类偏压连拱隧道的施工中运用较为广泛，但对于三导洞施工在不同阶段对隧道关键部位围岩的影响认识还不够深入。本文通过对此类偏压连拱隧道的某危险断面的三导洞施工进行动态数值模拟并进行适当的对比分析，为今后在相似隧道中的不同施工段如何更好地发挥围岩的自承载能力，对各施工段的支护时机与对易破坏处进行提前处理提供参考和借鉴。

1 非线性有限元模型的建立

1.1 计算模型

本文采用Abaqus 12.0有限元程序，利用其特有的非线性求解器对该偏压连拱隧道的某危险断面在三导洞法下进行二维动态开挖模拟。模型按实际地层情况分3层建立，尺寸范围:X方向为0→180;Y方向为-40→70，模型地层分布和整体网格模型如图1所示。

图1 模型地层分布和整体网格模型

围岩和衬砌均采用CPE4R实体平面应变单元模拟，锚杆采用T2D2杆件单元模拟。隧道的衬砌和锚杆网格模型如图2所示。

图2 衬砌和锚杆网格模型

边界条件采用位移边界条件，上边界取至地面为自由边界，左右边界约束U1(侧面法向约束)，底部边界约束U1和U2(固定约束)。

1.2 计算模型物理力学参数

隧道的围岩和混凝土采用弹塑性材料进行分析，其中塑性模型采用Mohr-Coulomb模型;锚杆采用线弹性材料。特别注意，Mohr-Coulomb模型采用的是非关联流动法则，凌平平等［9］通过边坡的有限元试验，证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应取 /2。计算采用的主要材料物理参数如表1所示。

表1 模型材料物理参数

1.3 施工过程的模拟

图3 施工顺序

隧道开挖的模拟以“弱爆破、短进尺，少扰动、早锚喷、勤测量、紧封闭”为核心思想，采用三导洞法施工。开挖顺序为Ⅰ→①→Ⅱ→②→Ⅲ→③→Ⅳ→④→Ⅴ→⑤→Ⅵ→⑥→Ⅶ→⑦，如图3所示。其中:Ⅰ为中导洞开挖;Ⅱ为左导洞开挖;Ⅲ为开挖左洞上半断面核心土;Ⅳ为开挖左洞下半断面核心土;Ⅴ为右导洞开挖;Ⅵ为开挖右洞上半断面核心土;Ⅳ为开挖右洞下半断面核心土;①为施工中导洞临时支护、锚杆及中墙;②为施工左导洞支护;③为施工左洞上半断面锚杆支护;④为施工左洞仰拱和回填土，并施工左洞二次支护使左洞闭合;⑤为施工右导洞支护;⑥为施工右洞上半断面锚杆支护;⑦为施工右洞仰拱和回填土，并施工右洞二次支护使右洞闭合。

2 数值模拟结果分析

为了反映出实际施工对隧道和围岩的影响，整个开挖模拟尽量接近实际施工，一共分为28个分析步(steps)。由于建模地表为不规则地表，所以采用自导入积分点应力分量法进行计算。

2.1 初始地应力场(Step1为模型在自重应力下地应力的平衡)

通过*initial conditions，type=temperature命令对开挖区定义初始温度场，使其与周围围岩具有一致的材料属性，并通过*initial conditions，type=stress，input=XXX.csv导入事先算好的积分点应力分量来对模型进行地应力平衡。

2.2 中导洞施工数值模拟分析(Step2～4)

2.2.1 时间效应的应用

由于实际施工衬砌并不是开挖前或开挖完成后才加上的，其中存在着一个时间历程即时间效应。为模拟时间效应，笔者采用材料参数衰减法。以Step2(开挖区材料参数衰减)为例，为了得到一定的安全储备，通过经验试算得出一个相对极限的衰减量，具体做法是:以30%的衰减量作为起点、5%的幅度递增进行验算，当递增到55%时衰减部位出现过度变形导致计算不收敛，则初定55%为临界衰减量;然后再以55%为起点、1%的幅度递减，当递减到53%时计算刚好收敛，则53%为此开挖步的临界衰减量(极限误差程度小于1%)。本文以下各施工步时间效应的模拟衰减量的取值均按照此方法进行试算，不再赘述。

2.2.2 中导洞开挖围岩应力位移分析(step1～4)

从图4(a)可知，在中导洞施加中隔墙位置的顶部部位围岩最大主应力约为-0.327 MPa。从图4(b)可知，中隔墙顶部围岩竖向位移达到2.234 mm，仅次于中导洞右侧拱腰偏上部位的最大值2.689 mm(此部分在右洞开挖时将被移除)，而造成右侧拱腰上部出现竖向位移最大值的原因在于隧道本身建于斜坡体上，而且右侧山体为高坡。

图4 中导洞最大主应力和竖向位移云图

图5 左洞施工完成大主应力和竖向位移云图

由以上数据可知，中导洞施工时中隔墙顶部的围岩对于中隔墙的施工存在一定的影响，即中隔墙起到了承受顶部围岩压应力传递的作用。同时由竖向位移分布可以看出，此时的隧道围岩已经呈现出小偏压现象(竖向位移出现偏峰值)，这对后面的施工在预防偏压上有着前瞻作用，同时也证明了实际施工中先开挖围岩扰动较小的左侧是最优选择。

2.3 左右洞施工

2.3.1 左洞施工开挖应力位移分析(step5～16)

由图5可知，左洞拱顶围岩最大主应力为-0.175 MPa，而中隔墙顶部围岩最大主应力为-0.248 MPa，显然中隔墙已经起到压应力传递的作用。左洞拱顶上方围岩竖向位移相对周边出现最大值为9.983 mm，仰拱处围岩出现上凸位移为7.236 mm，中隔墙顶部围岩竖向位移增大至4.83 mm。这说明左洞的施工对拱顶围岩的影响最大，并且在一定程度上影响了中隔墙顶部围岩的稳定性。

2.3.2 右洞施工(step17～28)

右洞施工完成时，左洞和右洞拱顶的最大主应力都为-0.370 Mpa，其中左洞拱顶主应力由-0.175 Mpa变为-0.370 MPa。中隔墙顶部围岩最大主应力由-0.248 Mpa变为-0.512 Mpa。这说明右洞开挖后围岩开始卸载，对左洞的围岩和中隔墙顶部的围岩产生了影响，上方围岩在下方隧道开挖的过程中已经对其岩体的整体性造成了破坏，使得岩体朝凌空面调整，以求其应力状态达到二次平衡。同时可以看出，左洞和右洞在施工完成时的大主应力基本一致是岩体自我调节的表现。值得注意的是，中隔墙底部的围岩的大主应力出现部分应力集中达到一个较大的值，约为0.994 Mpa，这是左右洞开挖围岩卸载和中隔墙受力引起的。

图6 施工完成最大主应力和竖向位移云图 图7 中隔墙水平最大位移 图8 塑性区分布

如图6所示，左右洞拱顶围岩的竖向位移明显比其他部位大很多，且右洞拱顶围岩位移比左洞围岩大，左洞拱顶竖向位移最大值为12.78 mm，右洞拱顶围岩竖向位移最大值为16.74 mm，这是隧道穿过斜坡而产生了偏压造成的。

3 数值模拟结果与实际施工结果对比分析

3.1 中隔墙水平位移分析

在正洞开挖之初，即发现中导坑两侧向中隔墙移动，最大裂缝达15 cm。K235+940～K235+965段中隔墙以路线前进方向的左侧偏移，累计达12 cm。由图7可知，中隔墙在每个开挖步结束后-X向的位移明显比+X向的位移大很多并且呈平稳趋势。整个断面施工结束后-X向(左侧)最大位移已经累计达到20.873 cm，而+X向(右侧)最大位移累计只有3.467 cm，这与施工时中隔墙向左偏移的实际情况一致，证明了数值模拟的准确性。由此可知中隔墙已经出现明显的向左偏压现象而且极其不稳定(在实际施工中隔墙也被推倒重做过)。同时在施工右洞上半核心土开挖完成后，中隔墙向左偏移量增幅较大，这是因为右洞开挖时，中隔墙由于右侧埋深较大且大部分开挖土体被移除造成凌空面，隧道上面的围岩由高程向低程凌空面进行自我调节并将大部分力传递到衬砌和中隔墙造成的。

3.2 围岩塑性区分布与现场CT图的对比分析

由图8可知，左洞拱脚至拱腰部位、中隔墙下方围岩稍偏左的地方和右洞拱脚至拱腰部位都出现小片塑性区。值得注意的是:右洞拱顶偏左处出现条状塑性区，在左洞拱顶上方地层1与地层2交界处也出现小片塑性区，这说明在隧道开挖对拱顶上方滑坡带岩体的扰动是巨大的，尤其在隧道上方软弱带的交界面处，有诱发滑坡的可能。

图9 横断面地质解释图和波速图 图10 关键部位围岩竖向位移变化

由图9可知，隧道所处部位波速变化较大，低速带呈线性分布，说明节理发育，属于节理裂隙岩体类型。节理风化带宽度变化较大，窄的部位3～5 m，宽的部位达到20 m。节理风化带中充填有低波速的砂与粘土，拱顶部位发育有节理带。隧道右侧岩体的波速增高，达到2.0～3.0 km/s，为微风化与未风化花岗片麻岩，岩体完整性好、强度高、稳定性好。上行线左侧岩体高低波速相间分布，说明岩体风化不均，节理裂隙发育，松散土与块状岩体镶嵌分布，造成局部不稳定。该断面地表的崩坡积层，由松散物组成，处于整个滑坡体的边缘地带，存在表层滑移，在这种情况下，滑动面位于隧道的上方岩体。这与数值模拟的结果极为接近。

3.3 隧道周边关键部位围岩竖向位移的变化趋势

由图10可知各开挖步对关键部位沉降的影响。中导洞施工(step2～4)对关键部位沉降有影响但不大;左导洞施工时(step8)存在小幅影响;而左洞上半断面核心土开挖时出现了大幅位移增加，这是开挖步进行中关键部位竖向位移增加的第一个突变，尤其对左洞拱顶围岩的影响最大，其次是中隔墙顶部围岩，最后是右洞拱顶围岩;左洞下半核心土施工时由于已经无法对拱顶岩体造成很大的扰动所以相对稳定;右导洞施工对关键部位也存在小幅影响;同样右洞上半断面核心土施工时也出现竖向位移的大幅突变，右洞拱顶沉降为最大，其次是中隔墙顶部，最后是左洞拱顶。因此，应用三导洞法施工，在左右洞上半核心土的施工时对拱顶和中隔墙顶部围岩的影响最大。

4 结语

1)对建于斜坡上的连拱隧道，在运用三导洞施工法时，浅埋一侧的洞体施工和深埋一侧的洞体施工的时机选取对周边围岩的稳定有很大影响。应先开挖浅埋一侧的隧洞，再开挖深埋一侧的隧洞。

2)由于偏压的影响，中隔墙施工时可能产生偏压侧的破坏，尤其是当三导洞法进行到深埋一侧隧洞上半断面的开挖时，其影响达到最大。建议施工时对中隔墙的性态进行适时观测并提前做好防止中隔墙向偏压侧破坏性偏移的措施。

3)在三导洞施工法中，当进行到两侧洞体上半断面开挖阶段时，对隧洞周围关键部位岩体(两侧拱顶围岩、中隔墙顶部)的扰动最大，且同一侧上半断面施工对该侧的拱顶围岩影响最大，不同侧隧洞施工对另一侧隧洞拱顶围岩也有较大影响，因此应对这些部位进行监测，必要时进行早强处理。

4)虽然三导洞法对于偏压连拱隧道是相对较为稳定的工法，但是对于上部存在稳定岩层和松散层的隧洞，施工时可能会对其产生影响，以至地层间产生错动从而诱发滑坡。

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Research on the Influence of Three Pilot Tunnel Construction Method on Non-symmetric Double-arch Yunnel＇s Surrounding Rock

HAN Renqing* ，ZHU Kuzhu，WANG Zhigang
(Department of Civil and Architecture Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

This article established a 2D finite element model by abaqus12.0 to simulate and conduct an optimal analysis of the actual construction’s disease of the dangerous section of non-symmetric double-arch tunnel.By analyzing the variation of vertical displacement and maximum principal stress of surrounding rock of arch crown and mid-partition、mid-partition and landslide-slip zone ，under the different steps of construction using 3-heading excavation method，the authors had a further understanding of how 3-heading excavation method influencing surrounding rock in different steps.The results provided a reference and guidance for the construction of partial pressure join arch tunnel.

partial pressure join arch tunnel;2D finite element model;dynamic simulate;influence of key parts of surrounding rock

U451

A

2095-5383(2014)02-0077-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.025

2014-01-14

国家自然科学基金项目“基于渐进性破坏的滑坡与隧道相互作用机理研究”(41102202);广西教育厅科研项目“山区公路隧道洞口病害调查与稳定性分析”(200808LX281)

韩任清(1988-)，男(汉族)，广西南宁人，在读硕士研究生，研究方向:隧道与地下工程，通信作者邮箱:176467430@qq.com。

朱苦竹(1976-)，男(汉族)，湖南郴州人，副教授，博士，研究方向:隧道与地下工程、岩土工程、水利水电工程。