陡坡偏压小净距隧道施工扰动空间效应研究

吴德兴，李伟平，谢宝超，，王薇，潘文硕

(1.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

陡坡偏压小净距隧道施工扰动空间效应研究

吴德兴1，李伟平1，谢宝超1，2，王薇2，潘文硕2

(1.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要:为了解陡坡偏压小净距隧道施工对围岩的空间扰动影响，以排头隧道为工程依托，依据工程实际进行隧道施工全过程三维数值模拟，对隧道施工影响下的围岩扰动效应进行深入分析，重点考虑了中夹岩柱的位移及应力演化特征及规律，研究结果表明：由于地形偏压与施工偏压的叠加效应导致后行洞开挖初期为施工全过程中变形控制的最关键阶段，中夹岩柱受力状态控制的关键时期及重点控制区域为先行洞开挖期间先行洞的外侧拱脚区域及后行洞开挖期间先行洞外侧拱脚至墙脚及后行洞内侧拱脚至墙脚区域。

关键词：小净距；偏压隧道；中夹岩柱；扰动空间效应

伴随国家交通基础设施建设的迅猛发展，隧道工程得以广泛运用，受隧道选型、线路走向及地形地质等因素限制，越来越多的偏压小净距隧道出现在工程实践中[1]，近几年，在杭新景、龙浦等高速公路中出现了坡度大于30°的陡坡偏压小净距隧道的工程案例，陡坡偏压小净距隧道施工过程中由于受到多重因素耦合效应，相较与常规隧道其隧道结构及围岩力学效应更复杂、施工难度、施工风险更高，如何准确把握好其施工力学效应是隧道施工与运营期间安全保障的关键。

国外学者们在小净距公路隧道的受力模式、爆破对隧道的影响及隧道间距对地表位移与围岩压力的影响等方面做了相关研究[2-4]，国内学者们通过数值计算、模型试验、理论分析、现场实测等方法在偏压小净距隧道施工力学效应方面开展了大量的科研工作[5-15]，但目前针对陡坡偏压小净距复杂条件下的研究非常少，对于小净距隧道开挖后围岩二次应力场分布及施工过程中围岩应力动态变化过程及其分布规律的研究也很少，因此，考虑实际工程的需要并为更清楚地了解陡坡偏压小净距隧道施工条件下围岩位移及应力场的动态演化特征及规律，有必要对陡坡偏压小净距隧道施工空间扰动效应进行深入的分析。

1 数值计算模型

1.1依托工程概况

排头隧道位于龙泉至浦城(浙闽界)高速公路工程LP04合同段，为双洞单向行车双车道小净距隧道。左洞长280m，右洞长267m。隧道建筑限界净高5m，净宽10.75m。龙泉端两洞设计线最小净距9.86m，浦城端两洞设计线最小净距6.14m。隧道处于单斜地貌，右洞较左洞埋深浅，偏压较为严重。IV级围岩区段，先掘进洞采用短台阶法施工，后掘进洞采用短台阶、拱部留核心土弧形开挖法施工，隧道施工先掘进洞主洞超前后掘进洞开挖工作面不小于40m。

1.2模型尺寸及工况设计

依据设计图纸确定模型尺寸，单洞开挖跨度13.14m，净距8m，拱肩厚度8m，地面坡度45°，模型纵向深度100m。整体模型网格划分如图1所示。围岩采用摩尔库伦本构方程，单元类型为实体单元C3D8R，支护采用壳单元S4R。

图1　数值计算模型图Fig.1 Numerical calculation model

图2　模型开挖示意图Fig.2 Model excavation sketch

围岩及支护结构材料属性见表1。

表1　材料参数表

依据实际施工情况进行施工过程的数值模拟，先开挖深埋侧洞，采用台阶法，后开挖浅埋侧洞，采用环形开挖留核心土法，开挖循环进尺2m，台阶法上下台阶错开间距16m，先行洞上台阶与后行洞上台阶错开距离40m，开挖示意图如图2。

2围岩扰动效应分析

2.1围岩位移场演化特征

2.1.1竖向位移场演化特征

先行洞开挖时，选取断面开挖深度z=20m为分析目标断面，断面分析测点及测线布置见图3。

(a)测线布置；(b)测点布置图3　测线及测点布置图Fig.3 Arrangement of line and point

图4反映了地表测线L沉降槽曲线随开挖进行的演化特征，图4表明如下结论：

1)先行洞开挖时地表沉降曲线呈现中间大，两边小槽型分布特征，先行洞开挖期间，地表沉降槽曲线的中心线约在中夹岩柱中心线偏先行洞一侧，当后行洞隧道进行开挖后，地表沉降槽曲线中心线向后行隧道偏移，最终位置在后行洞隧道轴线与中夹岩柱中心线之间；

图4　地表沉降槽曲线变化图Fig.4 Curve of surface subsidence

2)当深埋侧先行洞开挖时，由于存在偏压情况，深埋侧洞外侧覆土厚度大于内侧，受隧道开挖扰动影响的围岩范围较大，导致围岩外侧松动压力较大，呈现出松动圈内土体下沉量外侧大于内侧，此差异程度随着拱顶覆土厚度的增加而减小，如图5(a)所示，因此地层变形传递到地表时，地表沉降最大值出现在深埋侧隧道内侧边墙与中夹岩柱中心线之间；

3)当浅埋侧隧道开挖后，由于覆土厚度较浅，浅埋侧隧道拱顶以上土体受施工影响产生整体下沉，并且带动深埋侧土体有向浅埋侧移动的趋势，呈现出深浅埋两侧隧道竖向位移最大区域向中夹岩柱逐渐偏移的现象，这种现象将随着开挖的进行越为明显，当纵向开挖70m后，地表沉降最大值出现在浅埋隧道轴线靠近中夹岩柱5m左右，当内外洞拱肩位置最大竖向位移等值线相交后，形成潜在破裂面，容易引起此破裂面以下的中夹岩柱土体松动及崩塌，如图5(b)所示。

(a)Z=40 m；(b)Z=70 m图5　竖向位移等值线图Fig.5 Vertical displacement contour

研究表明，先行洞在开挖全过程中每开挖10m引起的地表沉降值变化较为稳定，而后行洞开挖过程中地表沉降变化明显，先行洞开挖第一个10m引起先行洞16%的地表下沉，后行洞开挖第一个10m引起后行洞34%的地表下沉，表明在先行洞开挖的基础上进行后行洞开挖时，后行洞初期开挖为地表变形关键控制阶段。

为研究先行洞开挖后，拱圈及隧道周边围岩体位移场扰动特征及演化规律，取洞周特征部位进行竖向位移监测。图6为Z=20m断面拱圈特征点位移值随开挖进行演化曲线。

图6　先行洞竖向位移演化曲线Fig.6 Vertical displacement evolution curve of the exsiting tunnel

图6反映了Z=20m监测断面先行洞拱圈各特征点随掌子面推进竖向位移演化规律，由图可知：

1)拱圈各特征点约在距离监测断面前方18m时开始产生竖向位移，表明先行洞开挖引起拱圈围岩产生扰动效应的影响范围大致为1.5B；

2)掌子面经过监测断面后，除左右墙脚位置当掌子面经过后出现小幅度的隆起之外各特征点竖向位移显著增加，就增加幅度而言，从大到小依次为拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱脚及右拱脚，总体呈现为左侧竖向位移大于右侧，与上述地表沉降规律一致，原因不再赘述；

3)当后行洞开挖后，各特征点竖向位移呈持续增大趋势，但增加幅度存在明显差异，即在拱肩、拱脚及墙脚位置均呈现右侧竖向位移增加速率大于左侧，如图所示，当开挖76m时右拱肩竖向位移已超过左拱肩，若掌子面继续掘进，右侧位移大于左侧位移的趋势将愈发明显，上图也表明后行洞开挖对先行洞拱圈各特征点竖向位移影响程度为拱顶>拱肩>拱脚。

后行洞拱圈各特征点竖向位移随掌子面开挖变化曲线如图7所示，由图可知：

1)当先行洞开挖时，后行洞拱圈各特征点竖向位移缓慢增加，增加速率由大到小依次为左拱肩、左拱脚、左墙脚、拱顶、右拱肩、右拱脚及右墙脚，此规律表明先行洞开挖对后行洞的影响程度左侧显著大于右侧；

2)当后行洞开挖后，各特征点竖向位移增大速率发生小幅度突增，当掌子面经过监测断面后，各特征点位置出现急剧增加，左拱肩及拱顶竖向位移增加速率最大，其次为左拱脚，此阶段为后行洞竖向位移变形控制关键阶段，应加强观测及监测。

图7　后行洞竖向位移演化曲线Fig.7 Vertical displacement evolution curve of the following tunnel

2.1.2水平位移场演化特征

图8反映了测线L0水平位移随深度变化的演化特征，由图可知如下结论：

1)测线L0各个测点水平位移随掌子面推进发生明显变化，从Z=10m至Z=40m之间，测线水平位移的分布规律是一致的，随着掌子面推进，水平位移逐渐增加；

2)当Z=10m即掌子面刚经过监测断面时，先行洞隧道掌子面区域地层水平位移为正，即向右侧有滑动位移产生，其他区域的水平位移均向左，随深度变化，地层水平位移分布大致为“M”型，水平位移最大值出现在深度为10m左右位置，即拱顶上方14m；

3)从Z=40m至Z=50m时，即后行洞掌子面推进后，测线各测点产生了向左侧的整体水平位移；

4)当Z=70m时，即后行洞已开挖30m后，测线上水平位移的最大值由拱顶上方14m位置变化到隧底位置。由图可知Z=70m曲线与Z=40m曲线的交点大致位于拱顶位置，拱顶上方测点随后行洞开挖水平位移向右，拱顶下方围岩水平位移向左；

基于上述分析可以得到测线竖向不同区域在施工过程中水平位移的变化规律，拱顶上方区域在先行洞开挖期间水平位移向左不断增大，当后行洞开挖后水平位移方向改变向右不断增加；掌子面区域在先行洞开挖期间水平位移向右不断增加，当后行洞开挖后水平位移发生突变，方向向左；隧道下方区域在施工全过程中水平位移不断增大，方向始终向左。

图8　水平位移随深度变化曲线Fig.8 Horizontal displacement with depth curve

2.2围岩应力场演化特征

为了研究隧道施工过程中围岩压力偏压程度的演化规律，分别计算先行洞及后行洞的洞周对称点的围岩竖向应力的压力比，以此衡量偏压程度的大小，压力比越接近1，表明偏压程度小，压力比远离1则表明偏压程度大。

先行洞竖向应力及后行洞竖向应力偏压比变化曲线如图9所示。由图9(a)可知：

1)原岩应力场下，由于拱脚位置覆土厚度大于拱肩引起先行洞拱脚偏压比大于拱肩，可以初步判断，初始状态下，偏压比随深度的增加而增大。

2)先行洞开挖过程中，拱肩及拱脚偏压比均呈现降低趋势，拱肩降低速率较快，当开挖Z=5m时，左右拱肩竖向应力出现相等的情况即不存在偏压，而后继续开挖，偏压比呈反向减小，右侧拱肩竖向应力大于左侧，拱脚偏压比随先行洞开挖逐渐减小，而后进入稳定状态；

3)当Z=40m即后行洞开挖后，拱脚偏压比快速减小直至为0。而拱肩偏压比受后行洞开挖影响较小，一直处于稳定状态。拱肩最终偏压比为0.84。

上述分析表明，后行洞开挖对减轻拱肩偏压比有利，对拱脚偏压比影响较小。

图9(b)反映后行洞拱肩及拱脚偏压比随施工进程的演化特征，由图可知：

1)初始状态下，与先行洞一致，表现为覆土厚度越大，偏压比越大，拱肩及拱脚的初始偏压比分别为1.4及1.48；

2)先行洞开挖，后行洞拱肩及拱脚偏压比均呈现增大趋势，拱脚偏压比增大速率更快，表明先行洞开挖引起地形偏压与施工偏压的叠加，加剧了后行洞的偏压程度；

3)当后行洞开挖后，应力释放并重新调整，拱脚及拱肩偏压程度均减轻，拱肩偏压比减小速率更快，并在Z=48m左右出现反向减小，即右侧拱肩竖向应力大于左侧，初步分析，随后行洞不断掘进，由于后行洞覆土较浅，拱部上方围岩受开挖扰动影响持续增加直至贯穿至地表，浅埋侧拱部上方围岩松动压力持续增加而引起后行洞右侧拱肩竖向应力大于左侧，而拱脚偏压比则呈单向减小，最终稳定在1.4左右。

(a)先行洞竖向应力偏压比变化曲线；(b)后行洞竖向应力偏压比变化曲线图9　竖向应力偏压比变化曲线Fig.9 Curve of vertical stress bias ratio

分别提取初始状态、后行洞开挖及最终状态3个关键时间点的双洞拱肩和拱脚偏压比数据，如表2所示。由表2可知，初始状态下，后行洞围岩竖向应力偏压程度明显大于先行洞，当先行洞开挖过程中，先行洞偏压程度减轻而后行洞偏压程度继续加重，后行洞拱脚位置偏压比达1.9，后行洞开挖后，后行洞偏压程度逐渐减轻，最终状态时先行洞偏压程度微弱，而后行洞偏压程度较强。

表2　偏压比值

3中夹岩柱扰动效应分析

在小净距隧道施工过程中，中夹岩柱厚度较小，多次受到扰动，使得围岩及支护结构的力学行为变得更为复杂，中夹岩柱是小净距隧道围岩稳定性控制的关键部位，因此，以下对中夹岩柱的位移场及应力场随开挖进程的演化特征进行分析。

3.1位移演化特征

各施工步的中夹岩柱区域竖向位移场分布如图10所示。

(a)Z=10 m;(b)Z=30 m;(c)Z=40 m;(d)Z=50 m;(e)Z=60 m;(f)Z=70 m图10　中夹岩柱竖向位移分布图Fig.10 Vertical displacement distribution of the middle rock pillar

图10反映了中夹岩柱在各施工步竖向位移分布规律，由图10可知：

1)在Z=10～40 m区间，中夹岩柱竖向位移场的分布规律是一致的，由于先行洞开挖，造成地形偏压与施工偏压的叠加，中夹岩柱竖向位移场的分布明显呈现偏压特征，即总体上中夹岩柱区域左侧竖向位移显著大于右侧；

2)在Z=50～70 m区间，由于后行洞开挖，引起中夹岩柱区域竖向位移场分布规律的改变，当Z=50 m时，中夹岩柱竖向位移场分布偏压特征基本消失，随后行洞掌子面继续掘进，竖向位移场呈现偏压特征，总体上中夹岩柱右侧竖向位移大于左侧。

上述分析表明，先行洞开挖时中夹岩柱受扰动区域及影响程度较小，与单洞偏压隧道的位移分布规律一致，后行洞开挖后，中夹岩柱受扰动影响愈为强烈，中夹岩柱竖向位移场分布规律发生较为明显的改变，后行洞开挖引起的竖向位移场与先行洞引起的位移场产生叠加，这种叠加效应在后行洞开挖初期有助于改善先行洞开挖引起的中夹岩柱竖向位移场偏压特征，而后行洞继续开挖后，此叠加效应引起竖向位移场产生向后行洞偏移的偏压特征。

3.2应力演化特征

各施工步的中夹岩柱区域竖向应力场分布如图11所示。

(a)Z=10 m;(b)Z=30 m;(c)Z=40 m;(d)Z=50 m;(e)Z=60 m;(f)Z=70 m图11　中夹岩柱竖向应力分布图Fig.11 Vertical stress distribution of the middle rock pillar

图11反映了中夹岩柱在各施工步竖向应力场的分布规律，由图可知：

1)在Z=10～40 m区间，中夹岩柱竖向应力场的分布规律是一致的，由于先行洞开挖，造成地形偏压与施工偏压的叠加，中夹岩柱竖向应力场的分布明显呈现偏压特征，即总体上中夹岩柱区域左侧竖向应力显著大于右侧，此外在先行洞右侧拱脚位置出现压应力集中，应力集中程度随开挖进行不断增大；

2)在Z=50～70 m区间，由于后行洞开挖，引起中夹岩柱区域竖向应力场分布规律的改变，当Z=50时，中夹岩柱竖向应力场分布偏压特征基本消失，后行洞的左侧拱脚位置出现显著的压应力集中，随后行洞掌子面继续掘进，竖向位移场呈现偏压特征，总体上中夹岩柱右侧竖向应力大于左侧，且随掌子面不断推进，先行洞右侧拱脚及后行洞左侧拱脚部位压应力集中逐渐增强，两侧压应力集中区域相交并重叠，最终可能贯通中夹岩柱区域，因此可知，拱脚区域为中夹岩柱受力最不利区域，应对此区域采取适用的方法进行加固。

4结论

1)由于地形偏压与施工偏压的叠加效应导致后行洞开挖初期为施工全过程中变形控制的最关键阶段。

2)后行洞开挖对减轻先行洞拱肩偏压程度有利，对拱脚偏压程度影响较小，先行洞开挖引起地形偏压与施工偏压的叠加，加剧了后行洞的偏压程度，当后行洞开挖后，应力释放并重新调整，拱脚及拱肩偏压程度均减轻，拱肩偏压比减小速率最快。

3)中夹岩柱受力状态控制的关键时期及重点控制区域为先行洞开挖期间先行洞的外侧拱脚区域及后行洞开挖期间先行洞外侧拱脚至墙脚及后行洞内侧拱脚至墙脚区域。

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Study on construction disturbance spatial effect ofbias tunnels with small interval and steep slope

WU Dexing1，LI Weiping1，XIE Baochao2，WANG Wei2，PAN Wenshuo2

(1．ZhejiangProvinceInstituteofCommunicationsPlanning，DesignandResearch，Hangzhou310006，China；2．SchoolofCivilEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410075，China)

Abstract:In order to understand construction disturbance induced spatial effect of bias tunnels with small interval and steep slope，this paper took the Paitou tunnel as an example to carry out the whole process of three-dimensional simulation of tunnel construction based on the engineering practice and analyze the construction disturbance effect of surrounding rock. The focus was on the evolution characteristics and regularity of displacement and stress in the middle rock pillar. The results show that the early stage of following tunnel excavation is the most important period to control the deformation in the whole process of construction due to the superposition effect of terrain bias and construction bias，and that the key period of stress state control in the middle rock pillar is the stage of existing tunnel excavation. The key region is the arch foot of existing tunnel during the existing tunnel excavation and the arch foot to wall foot of existing tunnel during the following tunnel excavation and the arch foot to wall foot of following tunnel during the following tunnel excavation.

Key words:small interval；bias tunnel；middle rock pillar；disturbance spatial effect

收稿日期：2015-11-22

基金项目：浙江省交通运输厅科研计划资助项目(2013H04)；国家自然科学基金资助项目(51208525)

通讯作者：谢宝超(1982-)，男，湖北随州人，讲师，博士，从事土木工程防灾减灾方面的研究；E-mail: xiebaochao@csu.edu.cn

中图分类号：U455.4

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)05-0906-08