后行洞开挖对浅埋偏压小净距隧道影响研究*

褚衍玉 张聪瑞 任高峰 侯立波

(武汉理工大学资源与环境工程学院1) 武汉 430070) (中铁十四局集团有限公司2) 济南 250014)



后行洞开挖对浅埋偏压小净距隧道影响研究*

褚衍玉1)张聪瑞1)任高峰1)侯立波2)

(武汉理工大学资源与环境工程学院1)武汉 430070) (中铁十四局集团有限公司2)济南 250014)

依托广东省江罗高速大石岭隧道工程项目，采用数值模拟的分析方法，针对双洞隧道在浅埋偏压地形的施工条件下，模拟施工过程中后行动与先行洞之间不同掌子面纵向间距对隧洞周围岩体的应力分布规律，通过分析隧洞上方地表沉降、洞周收敛变形以及中岩墙应力随掌子面纵向间距的变化情况，得到了双洞隧道施工中掌子面的合理纵向间距.

隧道工程；掌子面纵向间距；数值分析；小净距隧道；浅埋暗挖；偏压

0 引 言

随着高等级公路建设的快速发展，山区高速公路隧道选线时往往受地形影响，相邻隧道的最小净距不能满足设计规范要求，出现了大量浅埋小净距隧道近接施工问题.当前，小净距隧道近接施工仍处于边施工边总结阶段，理论研究滞后于工程建设的实际需求[1].国内外学者对此做了大量的研究工作[2-8]，取得了诸多有意义的研究成果.Ghaboussi等[4]通过多工况有限元计算，讨论了双洞隧道施工时围岩的应力分布、隧道位移、衬砌内力,以及地表位移规律.Yamaguchi等[5]研究了4条平行隧道(上下各2条)在应用盾构法施工过程中的相互影响规律.胡元芳[6]利用有限元数值分析软件针对浅埋条件下，不同围岩级别、不同隧道间距施工时双孔隧道的围岩稳定性特征.刘伟等[7-8]对小净距隧道的合理间距、施工方法、开挖顺序等问题进行了较多研究，给出了合理化建议.总结国内外专家学者所开展工作，数值模拟仍不失为最常见的研究方法.针对浅埋小净距隧道施工，岩体的本构模型的选取有待探讨.文中以广东省江门至罗定段高速公路大石岭隧道为研究背景，采用数值模拟分析方法，探究小净距隧道近接施工时，掌子面合理间距与围岩稳定性之间的关系.

1 工程概况

广东省江门至罗定段高速公路大石岭隧道为中长公路隧道，左、右线分离式布设.左线隧道长512 m，右线隧道长546 m.隧道单洞开挖宽度B为15.5 m，高12 m，两洞净距为22.6～30 m(1.5～1.9B)，隧道最大埋深约89 m.洞口浅埋段，围岩主要由坡积粉质粘土、碎石土、震旦系全-强风化变质砂岩、泥盆系强风化灰岩组成，隧道所穿越地层60～70%为V级围岩，其余为IV级围岩，围岩强度低，遇水易软化.

根据钻孔岩芯单轴饱和抗压强度标准值Rc、钻孔声波测试成果和及钻探岩芯完整情况取值Kv，按照文献[9]计算得到修正后的围岩基本质量指标，结果见表1.

表1 隧道围岩基本质量指标BQ计算及级别判定表

2 三维数值模型及施工工况模拟

模型长宽均为500 m，过隧道轴线的水平面向下取200 m，向上取至地表，最大埋深处为89 m，2隧道净距22.6 m，模型中隧道长度约300 m.取X=200 m剖面作为隧道洞口剖面，在模型底部施加完全固定约束，模型侧面施加法向约束，模型建立与网格划分见图1.

图1 模型建立与网格化分

根据表1中的岩体基本质量指标修正值[BQ]，岩体物理力学参数的计算使用文献[10]中推荐的拟合公式(见式(1))，得到计算所采用的岩体参数,见表2.

(1)

围岩变形及受力均遵循Mohr-Coulomb准则，采用8节点六面体实体单元Solid45进行模拟.此外，隧道属于浅层开挖，围岩初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力.本次计算假定左洞为先行洞，右洞为后行洞，左、右洞均采用全断面法开挖.

3 结果分析

3.1 地表沉降变形

在垂直于隧道走向上，取X=350 m断面作为典型断面；在沿隧道走向上，取过两隧道中心线对称轴的Y=237 m断面作为典型断面，地表沉降变化曲线分别见图2～3.

图2 X=350 m断面地表沉降变化曲线

图3 2隧道中轴线地表沉降变化曲线

由图2～3可知，掌子面间距对地表沉降的影响较为明显，掌子面间距越小，地表沉降值越大，在垂直于隧道走向上，当掌子面间距为0 m时，最大沉降值为-5.20 mm，先行洞一侧的地表沉降大于后行洞，即形成偏心沉降槽，这与Addenbrook等[11-12]的研究结论一致，此外隧道受偏压影响导致右上方地表产生少量隆起；在沿隧道走向上，同一位置上不同掌子面间距的沉降变化量最大达2.19 mm，当掌子面间距为0 m时，最大沉降值为-5.33 mm.

3.2 洞周收敛变形

由于研究对象为浅埋隧道，水平构造应力较小，隧洞周围的收敛变形主要集中在拱顶和仰拱处，沉降变化曲线见图4～5.

图4 先行洞拱顶沉降变化曲线

图5 先行洞仰拱隆起变化曲线

由图4～5可知，后行洞的开挖对先行洞洞周变形有一定影响，随着掌子面间距减小，先行洞拱顶和仰拱竖向位移值均逐渐增大，但仰拱隆起变化量小于拱顶沉降变化量，当掌子面间距为0 m时，拱顶最大沉降值为-12.66 mm，仰拱最大隆起值为13.76 mm.

图6为X=350断面沉降云图.由图6可知，后行洞开挖使围岩的竖向位移逐渐增大，尤其在后行洞拱顶和仰拱处.先行洞竖向位移变化量较小，与图4～5中的变化趋势一致.L=0 m时，两隧道并行开挖，围岩竖向位移急剧增加，变形区域成倍扩张.

图6 X=350 m断面沉降云图

3.3 中岩墙应力

在小净距隧道的设计、施工过程中，保证中岩墙的稳定性至关重要，图7为不同掌子面间距时两隧道中岩墙上应力变化曲线.由图7可知，随着2隧道掌子面间距的减小，中岩墙所受应力也逐渐增大，隧道施工时中岩墙应力受地形及开挖扰动等因素的影响，最大主应力的变化曲线在小范围内存在波动，如在掌子面间距为0 m时，间柱应力主要在150 m和170 m处出现极值，应力分别为-1.72 MPa和-1.76 MPa.

图7 两隧道中岩墙应力变化曲线

图8为2隧道中轴线横剖面最大主应力云图.由图8可知，中岩墙所受应力大小与后行洞掌子面位置密切相关，随着掌子面间距的不断减小，应力集中区由先行洞两侧壁扩张至中岩墙，L=0 m时，隧道受偏压影响，先行洞两侧围岩应力大于后行洞，岩墙应力最大，应力集中区分布最广.由此可见，掌子面间距对中岩墙应力分布影响较大，而两隧道外侧围岩应力主要受地形因素所产生的隧道偏压影响.

图8 两隧道中轴线横剖面最大主应力云图

图9为地表沉降、拱顶和仰拱的收敛变形以及间柱最大应力随掌子面间距的变化情况，当掌子面间距小于40 m时，各项指标随间距变化较为敏感，而当掌子面间距大于40 m时，各指标的变化曲线趋于平缓，因此该隧道掌子面的合理纵向间距约为40 m.

图9 地表沉降、洞周收敛及间柱应力随掌子面间距变化曲线

4 结 论

1) 以广东省江罗高速公路大石岭隧道为例，给出了隧道掌子面的合理纵向距离.

2) 掌子面间距对隧道上方地表沉降的影响较为明显，先行洞一侧的地表沉降大于后行洞，形成偏心沉降槽.

3) 在各掌子面间距下，受到下方围岩约束和重力作用，仰拱隆起变化量小于拱顶沉降变化量.

4) 在不同掌子面间距时中岩墙应力的变化曲线在小范围内存在波动，掌子面间距对中岩墙应力分布影响较大，中岩墙所受应力大小与后行洞掌子面位置密切相关，而两隧道外侧围岩应力主要受地形因素所产生的隧道偏压影响.

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[2]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].岩石力学与工程学报,2000(5):590-594.

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The Excavation of Following Tunnel Effect in Shallow Small Spacing Tunnels with Unsymmetrical Load

CHU Yanyu1)ZHANG Congrui1)REN Gaofeng1)HOU Libo2)

(SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(ChinaRailwayShisijuGroupCorporation,Jinan250014,China)2)

Based on the Dashiling tunnel of Jiangluo expressway in Guangdong Province, numerical simulation has been used to obtain the distributing law of deformation and stress in surface and surrounding rock. Different excavation face distances have been considered and a reasonable distance between excavation faces is given. The conclusions presented can provide

in the design and construction for similar projects.

tunneling engineering; excavation faces distance; numeric analysis; small spacing tunnels; shallow underground excavation; unsymmetrical load

2016-08-28

*武汉理工大学创新研究基金项目资助(2015Ⅲ011)

U45 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.031

褚衍玉(1991- )：男，硕士生，主要研究领域为道路与桥梁工程