陡坡偏压小净距隧道合理施工方法研究

李伟平, 邓学斌，王薇，谢宝超，，邹江海

(1. 浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006；2. 浙江金丽温高速公路有限公司，浙江 杭州 310020；3.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



陡坡偏压小净距隧道合理施工方法研究

李伟平1, 邓学斌2，王薇3，谢宝超1，3，邹江海3

(1. 浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006；2. 浙江金丽温高速公路有限公司，浙江 杭州 310020；3.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要:为了确定陡坡偏压条件下小净距隧道的合理施工方法，结合工程实例，考虑单侧壁导坑法与环形开挖留核心土法的3种不同组合下的施工方案，通过有限元软件ABAQUS建立三维弹塑性分析模型，对V级围岩陡坡偏压条件下小净距隧道的3种不同施工方案进行施工全过程数值模拟，重点分析隧道开挖对地表、围岩等的扰动效应，包括地表位移、围岩塑性区以及围岩特征区域的位移，确定了单侧壁导坑法为陡坡偏压条件下小净距隧道的合理施工方法，研究结果可为类似条件下陡坡偏压小净距隧道的设计、施工提供借鉴。

关键词：陡坡；偏压；小净距隧道；施工方法；ABAQUS

由于受地形、地质条件限制以及隧道建设带来的展线困难与占地多等因素的影响，工程上越来越多地选择小净距隧道的结构形式[1]，目前，国内外学者对小净距公路隧道已进行了相关的研究，Lo等[2-3]对于小净距隧道施工过程中的受力模式及隧道之间的相互影响进行了相应的研究和探索；Mo[4]研究了爆破对小净距隧道的影响；Tan[5]采用数值模拟的手段研究了小净距隧道间距对地表位移和围岩应力的影响；何珺等[6]以试验研究为基础，分析了砂卵石地层小净距隧道围岩的应力场特征和结构内力的分布规律并揭示了其最终破坏形态；祁寒等[7]以数值模拟为手段，研究了在不同地层条件下浅埋偏压小净距隧道的施工力学效应；近年来，国内许多学者[8-17]也对小净距隧道的施工方法与顺序、施工力学状态、施工相互影响等方面进行了研究，逐步积累了一定的经验和成果，但研究对象基本集中在无地形偏压或地形偏压坡度不大于30°的情况，对大于30°陡坡偏压情况下小净距隧道的研究较少，研究成果也不多见，在如何选择合理、最优的施工方法来保证围岩的稳定性方面也存在很大的争议，但实际工程应用难以避免遇到陡坡偏压的情形，特别是在建的杭新景高速、龙浦高速等由于地形复杂、选线难度大，出现了几座陡坡偏压的小净距隧道，迫切需要通过相关研究降低其施工与运营风险，进一步优化设计施工的关键技术参数。因此，本文拟通过数值模拟，并结合工程实例，对相同条件下陡坡偏压小净距隧道的3种不同施工方法进行对比分析，研究陡坡偏压条件下小净距隧道的合理施工方法，为本工程施工提供指导，并为以后类似工程提供设计与施工方面的借鉴。

1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，起迄桩号为ZK21+900～ZK22+180；右洞长267m，起迄桩号为：YK21+908～YK22+175。隧道建筑限界净高5m，净宽13.14m。龙泉端两洞设计线最小间距22.40m，最小净距9.86m；浦城端两洞设计线最小间距18.68m，最小净距6.14m，隧道按新奥法原理施工，采用复合式支护结构形式，V级围岩区段，先掘进洞采用拱部留核心土弧形开挖，后掘进洞采用侧壁导坑开挖。隧道位于低山丘陵区，基岩主要为片麻岩，岩体破碎，构造发育。隧道进出洞口段均为V级围岩进出洞，隧道中部为IV级围岩，偏压较为严重，因此该隧道适合作为本研究的依托工程。

2数值模型与工况设计

2.1计算模型与参数

模型几何尺寸的选取应当使边界效应的影响较小，通常情况下隧道以外的模型几何尺寸为隧道直径的4～5倍能满足要求。该陡坡偏压小净距隧道数值模型为双车道隧道，单洞开挖跨度13.14m，净距8m，拱肩覆土厚度8m，地面坡度45°，模型纵向深度100m。在ABAQUS模型中，围岩采用一阶三维实体缩减积分六面体单元C3D8R，喷射混凝土板采用缩减积分四节点壳单元S4R，锚杆采用杆单元T3D2。喷射混凝土和围岩黏结在一起，它们之间通过“Tie”约束建立相互作用，锚杆和围岩之间建立“Embedded”约束。

边界条件均取为位移约束,其中上部为自由边界，左右为水平位移约束边界,下部为竖直位移约束边界[18]，整体及支护结构模型如图1所示。

(a)整体模型；(b)支护结构图1有限元计算模型Fig.1 Model of finite element calculation

数值模拟采用摩尔-库伦强度屈服准则和相关联流动法则，模型参数根据《公路隧道设计细则》(JTG/TD70—2010)给出的岩质围岩基本物理力学参数选取，混凝土的材料模型采用混凝土塑性损伤模型，根据隧道中混凝土的工作状态，本文只考虑塑性，不考虑损伤。初支混凝土材料弹性模型通过截面等效原则，将钢拱架的弹性模量折算成混凝土的弹性模量计算：

(1)

其中：E为折算后初期支护的弹性模量；Ec为喷射混凝土弹性模量；Eg为钢拱架弹性模量；Sc为喷射混凝土截面积；Sg为钢拱架截面积；Lg为钢拱架翼缘长；L为钢拱架间距。

模型中锚杆的长度为3.5m，锚杆纵横间距0.5m×1.0m，喷射混凝土厚度为0.25m。围岩及支护结构材料属性见表1。

2.2工况设计

各施工工法横断面施工步流程图以及开挖三维立体图如表2。

表1　围岩与结构力学参数

表2　施工方案

3计算结果分析

3.1地表位移分析

对于陡坡浅埋偏压小净距隧道，地表位移是判断围岩与边坡稳定性的一个重要标志，地表位移控制往往是隧道建设中的重要环节，也是数值分析的重要指标。

地表位移分析选取初始开挖断面上方的地表测线D1，沿隧道开挖方向先行洞拱顶上方地表测线D2和沿隧道开挖方向后行洞拱顶上方地表测线D3，如图2所示。

图3为先行洞开挖80 m时不同施工方法D1沉降曲线。从图4中可知，三种施工方法下的D1测线沉降规律基本一致，在沉降数值上三者的差异较为明显，沉降值由大到小分别为环形开挖留核心土法(2.03 cm)、组合法(1.89 cm)、侧壁导坑法(1.76 cm)，均发生在距浅埋侧拱顶地表往中夹岩柱中心线一侧5 m处，即D2附近。

图2地表测线示意图Fig.2 Map of surface survey line

图3先行洞开挖80 m时不同施工方法的D1沉降曲线Fig.3 D1 settlement curve of different construction methods in the first tunnel excavation of 80 m

从图4～5可以看出，D3测线在距初始开挖断面0～40m范围内，组合法与侧壁导坑法曲线基本重合，沉降均远小于环形开挖留核心土法，在40～80m范围内，组合法沉降曲线开始偏离侧壁导坑法沉降曲线并逐渐与环形开挖留核心土法曲线重合，两者沉降值均大于侧壁导坑法，D2测线的沉降规律与D3测线基本一致，不再赘述。同时从D2与D3的水平位移曲线图可以看出，在洞口处D3测线的水平位移要远大于D2测线，随着距洞口距离的加大，这种差距逐渐缩小，这也说明高边坡处水平位移要大于低边坡，高边坡近洞口处的水平位移远大于远洞口处，低边坡处水平位移最大在距洞口40m处，即后行动掌子面的位置，从同一测线的数值大小来讲，依然是侧壁导坑法小于其他2种方法，尤其是在远洞口处这种差异更加明显。

图4先行洞开挖80 m时D2与D3沉降曲线图Fig.4 D2 and D3 settlement curve induced by the first tunnel excavation of 80m with differentconstruction methods

注：水平位移为正，表明水平位移方向向右。图5先行洞开挖80 m时D2与D3水平位移曲线Fig.5 D2 and D3 horizontal displacement curve induced by the first tunnel excavation of 80m with differentconstruction methods

因此，从地表位移控制的角度来分析隧道开挖对地表的扰动效应，可知陡坡偏压小净距隧道施工采用侧壁导坑法要优于其它两种方法，组合法次之。

3.2围岩塑性区分析

在地下工程中，隧道的开挖势必引起应力的重分布，在应力重分布过程中，局部区域由于发生应力集中现象，超过了其屈服强度而发生塑性屈服，通过不同开挖方法产生的围岩塑性区能够对围岩的受力性态和破坏机理进行定性的比较和分析，3种施工方法开挖后围岩的塑性区分布如图6所示。

(a)环形开挖留核心土法；(b)组合法；(c)单侧壁导坑法图6不同施工方法下围岩塑性区分布Fig.6 Distribution of plastic zone of surrounding rock under different construction methods

由于山体的偏压作用，无论采用哪种施工方案，围岩塑性区均呈现不对称分布，浅埋洞隧道外侧受山体偏压作用影响明显。

在隧道开挖结束后，每一种开挖方法产生的塑性区的主要分布规律大体一致，主要集中在隧道深浅埋洞左、右墙脚，中夹岩柱底部以及浅埋洞外侧区域。各工法产生的塑性区范围呈现各自的特点，留核心土法与组合法均会在浅埋侧隧道外侧形成竖向和水平向延伸至地表的塑性区，而侧壁导坑法只形成竖向延伸至地表的塑性区，分析原因为浅埋侧隧道埋深较浅，且内侧大于外侧，由于留核心土法与组合法在浅埋侧隧道开挖时的土体被大面积掏空，致使埋深较浅的上部围岩具有整体下沉的趋势，而出现贯穿地表的竖向塑性区，同时浅埋洞内侧由于埋深较深会约束其围岩体的下沉趋势，因此竖向塑性区只出现在浅埋侧隧道的外侧。在中夹岩柱底部区域，留核心土法与组合法也会形成比较明显的塑性区相互贯通区域。从塑性区的产生范围来看，在陡坡偏压小净距施工过程中，浅埋侧隧道外侧地表是施工监控和围岩稳定性控制的重点。在施工中没有严格监控和按照规划进行设计和施工有可能使得该处的塑性区最终发展与地表贯通，导致发生地表较大沉降，甚至发生塌陷和滑坡，造成事故。从3种开挖方式产生的最大塑性应变的数值来看，侧壁导坑法为0.019 9，环形开挖留核心土法为0.024 1，组合法为0.019 6，环形开挖留核心土法要远大于其他2种方法。而组合法虽然在塑性区范围上大于侧壁导坑法，但塑性应变最大值两者差别不大。

采用侧壁导坑法产生无论是塑性区范围还是大小均小于另外2种，是因为侧壁导坑法施工先行开挖侧导洞，减小隧道开挖跨度，同时采用中隔墙支护，且在初期支护成形之后才拆除，可以有效防止围岩失稳，围岩相对不易屈服，而台阶法开挖时，由于开挖断面较大，围岩约束解除的比较快，不利于控制围岩的变形，尤其是在软弱围岩地段，开挖上半部时，由于跨度大、矢跨比小，在上台阶的两个下端会产生很大的应力集中，不利于承受外部荷载。在Ⅴ级围岩条件下采用侧壁导坑法和组合法可较好的控制围岩变形和稳定，而台阶法则相对最不利。

3.3围岩特征点位移分析

特征点的位移是不同施工方法下围岩变形中最直观的表现，同时也是评价围岩稳定性的一个重要指标。围岩特征点的布置如图7所示。

图7围岩特征点分布Fig.7 Distribution of surrounding rock feature points

提取初始开挖断面各特征点在隧道开挖完成后的位移见图8，水平位移负值表示水平位移向山体里侧，正值表示水平位移向山体外侧，竖向位移负值表示竖向位移向下即沉降，正直表示竖向位移向上。

由图8可知，对于这几种工法，各特征点的位移变化规律基本一致。在水平位移图中，由于存在偏压，使得水平位移有整体向外的趋势，深埋隧道各计算点的水平位移中，侧壁导坑法和组合法在深埋洞均为侧壁导坑法施工，所以水平位移基本一致，均小于留核心土法施工的情况。在浅埋侧内侧各计算点(7，8和9)，组合法和留核心土法在此处均为环形开挖留核心土法施工，水平位移基本一致，均大于侧壁导坑法施工的情况。3种施工方法在中夹岩柱两点(5和7)的水平位移接近一致，如图中虚线所示，并没有出现一般分离式隧道和小净距隧道的围岩向开挖隧道挤压变形导致两者水平位移方向相反的现象，这应该是偏压使中夹岩柱整体向外运动所致。3种施工方法在洞周产生的水平位移，侧壁导坑法要明显小于其他2种方法，说明在陡坡偏压条件下，采用侧壁导坑法施工，能够减小围岩向外运动的趋势。采用留核心土法施工产生的竖向位移明显大于其他2种方法，为侧壁导坑法的1.11～1.45倍，最大差距出现在点11，即浅埋侧隧道外侧拱脚处，为组合法的1.08～1.27倍，最大差距出现在点1即深埋侧隧道内侧拱脚处，侧壁导坑法与组合法施工在深埋侧隧道接近一致，在浅埋侧组合法稍大于侧壁导坑法，这均说明采用侧壁导坑法施工，分多部开挖，使得每部开挖土体少，能显著减小洞周围岩的沉降。

(a)竖向位移；(b)水平位移图8不同施工方法下各特征点的位移变化曲线Fig.8 Displacement variation curve of each feature point under different construction method

3.4拱顶上方位移分析

拱顶上方围岩的位移能反映隧道开挖对周边围岩的扰动特征，因此也可作为围岩稳定性的评价指标。拱顶上方测线布置及位移变化如图9～11所示。

图9拱顶上方测线布置Fig.9 Layout of the measuring line above the vault

(a)竖向位移；(b)水平位移图10先行洞开挖80 m时S1测线位移曲线Fig.10 Displacement curve of S1 survery line induced by the first tunnel excavation of 80 m

(a)竖向位移；(b)水平位移图11先行洞开挖80 m时S2测线位移曲线Fig.11 Displacement curve of S2 survery line induced by the first tunnel excavation of 80 m

从S1测线的位移曲线图可知，无论采用何种施工方法，其位移的最终分布规律是一致的。对于竖向位移，在先行洞开挖到40m时，各施工方法的竖向位移曲线基本与水平轴平行，即各点的竖向位移接近一致，大概为4mm左右，此原因可分析为，S1测线的竖向位移是因为浅埋洞的开挖，导致浅埋洞上部土体整体下沉并带动深埋侧土体做向下的移动，此时S1处由于下侧隧道还没有开挖所以土体整体性好，因此各点位移保持一致，当先行洞开挖到80m时，S1测线在距离拱顶0～4m的范围内，竖向位移保持与水平轴平行，说明0～4m可能为拱顶处围岩松动圈的范围，4m以后位移成近似直线变化，在地表处位移最小。3种施工方法中，留核心土法产生的竖向位移最大，接近18mm，另外两种差别不大，约为16mm。对于水平位移，在先行洞开挖到40m时，3种施工方法在S1处产生的水平位移近似呈抛物线增长，拱顶处最小，地表处最大，3种施工方法中，侧壁导坑法产生的水平位移最小，说明侧壁导坑法开挖浅埋侧对深埋侧土体的扰动小于其他2种工法。

从S2测线的位移曲线图可知，竖向位移的分布规律与S1基本一致，在此不再赘述。对于水平位移，在距离拱顶位置4m左右有一个转折点，向上位移越来越大，在地表处达到最大，向下也越来越大，在拱顶处达到最大，因此也进一步支持，拱顶上方0～4m为拱顶上方松动圈的范围。在数值上，依然是侧壁导坑法产生的水平位移小于其它两种方法。

4结论

对于陡坡偏压小净距隧道，采用单侧壁导坑法施工，分部开挖，各部开挖土体较少，有效减轻了施工对围岩的扰动，表现在地表位移、洞周位移、围岩内部位移以及拱顶上方位移的控制方面，单侧壁导坑法均优于环型开挖留核心土法和组合法，同时单侧壁导坑法与组合法相比较，这些指标在深埋隧道一侧接近一致，在浅埋侧组合法稍大于侧壁导坑法，但均能够较好地保证陡坡偏压小净距隧道的围岩。

参考文献：

[1] 万明富. 隧道围岩净距讨论与小净距隧道研究[J]. 公路,2000(7):55-58.

WANMingfu.Discussiononnetdistanceoftunnelsurroundingrockandstudyonsmallcleardistancetunnel[J].Highway, 2000(7):55-58.

[2]LoKW,ChongLK,leungLF.Fieldinstrumentationofamultipletunnelinteractionproblem[J].TunnelsandTunnelling, 1998, 19(2):34-42.

[3]SolimanE,DuddeckH,AhensH.Twoandthreedimensionalanalysisofcloselyspacedoubletubetunnels[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology, 1993, 8(1):13-18.

[4]MoY.Smallspacingtunnelstheblastingexcavationdynamiceffect[J].AppliedMechanicsandMaterials, 2013:1484-1489.

[5]TanGuangzong.Studyongrounddeformationandliningstresscharactersforsmallspacingtunnels[J].ProgressinSafetyScienceandTechnology, 2010,Viii,ptsaandb:2217-2222.

[6] 何珺,张成平,杨公标. 砂卵石地层小净距隧道渐进性破坏过程试验研究[J]. 土木工程学报,2015(增1):362-367.

HEJun,ZHANGChengping,YANGGongbiao.Teststudyonprogressivefailureofcloselyspacedtunnelinsandycobbleground[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2015(Suppl1):362-367.

[7] 祁寒,高波,王帅帅,等.不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究[J]. 现代隧道技术,2014(4):108-112.

QIHan,GAOBo,WANGShuaishuai,etal.Mechanicalbehaviorsofashallow-biastunnelwithasmallcleardistanceindifferentgeologicalconditions[J].ModernTunnellingTechnology, 2014(4):108-112.

[8] 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): 764-770.

YANGXiaoli,SUIZhirong.Numericalsimulationofconstructionsequenceforshallowembeddedbiastunnelswithsmallcleardistance[J].JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology), 2007, 38(4): 764-770.

[9] 龚建伍, 夏才初. 鹤上大断面小净距隧道施工方案优化分析 [J]. 岩土力学, 2009, 30(1): 236-240.

GONGJianwu,XIACaichu.OptimalanalysisofconstructionschemesforHeshangsmall-spacetunnelswithlargesection[J].RockandSoilMechanics, 2009, 30(1): 236-240.

[10] 唐明明,王芝银,李云鹏. 穿越公路偏压小净距隧道施工方法探讨 [J]. 岩土力学, 2011, 32(4): 1163-1168.

TANGMingming,WANGZhiyin,LIYunpeng.Studyofconstructionmethodsforcrossingbiassmallintervalhighwaytunnel[J] .RockandSoilMechanics, 2011, 32(4): 1163-1168.

[11] 王更峰,熊晓晖,张永兴. 大跨小净距隧道合理开挖方法与支护参数对比研究 [J]. 公路交通科技, 2011, 28(3): 101-107.

WANGGengfeng,XIONGXiaohui,ZHANGYongxing.Comparativestudyofrationalexcavationmethodandsupportparameterforlarge-spansmallspacingtunnel[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2011, 28(3) : 101-107.

[12] 孔祥兴,夏才初,仇玉良. 平行小净距盾构与crd法黄土地铁隧道施工力学研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(2): 516-524.

KONGXiangxing,XIACaichu,QIUYuliang.Studyofconstructionmechanicalbehaviorofparallel-smallspacingmetrotunnelsexcavatedbyshieldmethodandcrossdiaphragm(CRD)methodinloessregion[J].RockandSoilMechanics, 2011, 32(2): 516-524.

[13] 陆伟,陈皓,李小青. 小净距隧道施工工序的数值模拟分析[J]. 公路,2014(10):291-296.

LUWei,CHENHao,LIXiaoqing.Numericalsimulationofconstrutionprocessoftunnelwithsmallcleardistance[J] .Highway, 2014(10):291-296.

[14] 刘小军,张永兴. 浅埋偏压隧道洞口段合理开挖工序及受力特征分析[J]. 岩石力学与工程学报,2011(增1):3066-3073.

LIUXiaojun,ZHANGYongxing.Analysisofreasonableexcavationsequenceandstresscharacteristicsofportalsectionofshallowtunnelwithunsymmetricalloadings[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2011(Suppl1):3066-3073.

[15] 袁维,傅鹤林,徐武,等.偏压隧道的进洞施工扰动效应及安全监控[J]. 铁道科学与工程学报,2012，9(5):65-70.

YUANWei,FUHelin,XUWu,etal.Disturbanceeffectofunsymmetricalpressuretunnel’sentranceconstructionandsafetymonitoring[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2012,9(5):65-70.

[16] 蒋彪,肖岩,李凌宜. 大跨度超小净距暗挖地铁隧道施工方法模拟优化分析 [J]. 铁道科学与工程学报, 2011, 8(5): 46-50.

JIANGBiao,XIAOYan,LILingyi.Simulationanalysisonconstructionmethodsofsubsurfaceexcavatedsubwaytunnelwithlargespanandsupersmallinterval[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2011, 8(5): 46-50.

[17] 蒋坤,夏才初,卞跃威. 节理岩体中双向八车道小净距隧道施工方案优化分[J]. 岩土力学, 2012, 33(3): 841-847.

JIANGKun,XIACaichu,BIANYuewei.Optimalanalysisofconstructionschemesofsmallspacetunnelwithbidirectionaleighttrafficlanesinjointedrockmass[J].RockandSoilMechanics, 2012, 33(3): 841-847.

[18] 肖剑秋. 公路偏压隧道量测与有限元模拟分析[J]. 铁道科学与工程学报,2011,8(1):82-86.

XIAOJianqiu.Dynamicmonitoringandfemsimulationanalysisofanexpresswaytunnelwithunsymmetricalloadings[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2011,8(1):82-86.

* 收稿日期：2015-11-16

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

通讯作者：王薇(1969-)，女，湖南醴陵人，副教授，博士，从事隧道结构计算与分析及长大隧道灾害防治研究； E-mail：wangweicsu@csu.edu.cn

中图分类号：U452

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1135-08

Research on reasonable construction method ofbias tunnels with small interval and steep slope

LI Weiping1, DENG Xuebing2, WANG Wei3, XIE Baochao1，3, ZOU Jianghai3

(1.ZhejiangProvinceInstituteofCommunicationsPlanning,DesignandResearch,Hangzhou310006,China;2.ZhejiangJinLiwenExpresswayCo.,Ltd,Hangzhou310020,China;3.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Abstract:In order to determine the reasonable construction method of bias tunnels with small interval and steep slope, a engineering example is analysed, with the consideration of three different combination of the construction scheme of slide drift method, ABAQUS is used to establish the model of 3D elasto plastic analysis. Three construction methods of interval tunnel is simulated under the condition of V-grade rock and biased slope. The effect of tunnel excavation disturbance on the surface and the surrounding rock is analysed, including surrounding rock surface displacement, plastic zone and displacement of surrounding rock characteristic region. The single side drift method is a reasonable construction method of steep slope bias conditions of small interval tunnel. The results can provide the reference for the design and construction under similar conditions of bias tunnels with small interval and steep slope.

Key words:steep slope；bias；small interval tunnel；construction method；ABAQUS