FLAC3D数值模拟实例分析大跨小净距双洞隧道的开挖步序影响

高 杰

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)

FLAC3D数值模拟实例分析大跨小净距双洞隧道的开挖步序影响

高 杰

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)

以贵阳轨道交通1号线某区间大跨小净距双洞隧道为模本，采用FLAC3D数值模拟计算，分析双洞隧道在开挖过程中的顺序和步距变化，对周边岩层的变形沉降影响.从中探索隧道理论开挖施工中，双洞应采取的顺序和需要保持的最小距离，方可保证隧道的稳定和安全.

FLAC3D；大跨小净距；双洞隧道；开挖步序

小净距隧道一般指两平行隧道间的中心距小于2.5D(D为隧道跨度)的双洞隧道.国内目前小净距隧道的轴线间距一般为13～32 m，净间距为2～8 m.现阶段，对小净距隧道的研究主要集中在施工力学、施工方法、中岩柱加固措施、间距优化、支护体系优化等方面.

由于小净距隧道结构的特殊性，其设计及施工技术比独立双洞隧道更加复杂.对非对称小净距隧道施工过程力学形态、规律方面需要单独建模分析，在间距优化、双洞开挖的相互影响、中岩柱加固及稳定性判别、围岩和支护结构力学特性、施工方法优化等众多方面，进一步研究.

1 实例工程概况

本计算模型以贵阳轨道交通1号线某区间隧道工程为实体研究对象，该隧道设计为双洞，在里程为YDK24+910～YDK24+970段为左右线非对称隧道，其断面结构如图1所示.由于停车线段需要，左线隧道为双线隧道，开挖宽度达11.36 m，开挖高度9.278 m，而右线隧道为单线隧道，开挖宽度为6.76 m，开挖高度为7.259 m，造成严重的非对称和偏压，两隧道间的净距只有2.5 m，隧道埋深约10 m.

图1 小净距非对称隧道横断面图

2 模型的建立

应用大型通用有限元分析软件ANSYS的前处理模块建立地下洞库群的数值模型.然后通过数据接口程序导入FLAC软件中，并利用ANSYS中材料属性进行组的定义，方便FLAC中数值分析计算.由于地下洞室属于细长结构物，即洞室的横断面相对于纵向的长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，其纵向是没有位移，只有横向和竖向发生位移.因此，为节省计算时间采用二维模型进行计算.

图2 小净距非对称隧道模型

由于本工程为双洞隧道，在右洞边界的取值时考虑应力的相互影响，故本次建模时长度取为50+55=105 m，上面边界取至地表，下面边界取值为35 m，隧道纵向取值为60 m.模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底面限制垂直位移，前后面也为位移边界，限制前后位移.模型网格划分见图2.

参考《贵阳地铁1号线某区间地质勘察报告》、《贵阳地铁1号线某区间施工设计图》，并结合《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)围岩参数取值见表1.

表1 材料物理力学参数

3 不同开挖顺序的数值模拟研究

3.1 小洞先行开挖

小洞先行开挖时，分别对不同的先行步距(两掌子面相距的距离)进行数值模拟，对围岩的位移以及地表所产生的沉降情况进行分析.如图3～图6所示，为小洞先行不同步距时大洞周围围岩的位移云图.

图3 小洞先行步距为18 m竖向位移

图4 小洞先行步距为24 m竖向位移

图5 小洞先行步距为30 m竖向位移

图6 小洞先行步距为48 m竖向位移

由图可得，当小洞先行时，小洞的开挖，主要影响了大洞拱顶偏向小洞的位置处的位移，其影响区域呈三角形；且该区域的位移为负，即向下的位移，其值在0.5～1 mm之间，隧道拱顶偏左上的位置处出现最大的位移.

如图7所示，为小洞不同先行步距时在两洞中线的地表产生的位移曲线.由图可以看出，小洞先行左右洞错开距离为18 m时在隧道中线地表产生的沉降值最大为17.8 mm；当错开步距大于24 m以后，地表沉降曲线趋于稳定，最大沉降为5.01 mm.

图7 小洞不同先行步距时地表沉降曲线

3.2 大洞先行开挖

大洞先行开挖时，分别对不同的先行步距(两掌子面相距的距离)进行数值模拟，对围岩的位移以及地表所产生的沉降情况进行分析.如图8～图11所示，为大洞先行不同步距时大洞周围围岩的位移云图.

图8 大洞先行步距为18 m竖向位移

图9 大洞先行步距为24 m竖向位移

图10 大洞先行步距为30 m竖向位移

图11 大洞先行步距为48 m竖向位移

由图可得，当大洞先行时，大洞的开挖，主要影响了小洞拱顶偏向大洞的位置处的位移，其影响区域主要位于小洞的拱顶附近；且该区域的位移为负，即向下的位移，其值在0.5～1.2 mm之间，隧道拱顶偏右上的位置处出现最大的位移.

如图12所示，为大洞不同先行步距时在两洞中线的地表产生的位移曲线.由图可以看出，当大洞先行时，不同先行步距下地表的位移曲线基本相同，来年该隧道中线上地表的最大沉降值为4.02 mm.

图12 大洞不同先行步距时地表沉降曲线

3.3 对比分析

小洞先行时，左右洞错开步距大于24 m后，左右洞洞内水平收敛值稳定，而大洞先行开挖时洞内水平收敛值受左右洞错开步距的影响较小.左右洞错开步距大于24 m时，洞内拱顶沉降值稳定，而大洞先行开挖时洞内拱顶沉降值受开挖步距影响较小.

4 结语

综合以上的数值模拟结果，分析可得，采用大洞先行方案开挖时，左右洞错开步距大小对围岩的影响不大；采用小洞先行方案开挖时，左右洞错开步距大于30 m时,后行洞的开挖对围岩的松动范围趋于稳定，不再扩大.

因此，在小间距非对称隧道开挖的过程中，当相邻两洞的施工不同时，尽量采用大洞先行的施工方案；在不可避免地需要小洞先行施工时，尽量在两洞掌子面错开30 m后再进行大洞的开挖.

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[责任编辑 王新奇]

Effect of Excavation Sequence of Double Tunnel withLarge Span and Small Net Spacing——Example Analysis by FLAC3D Numerical Simulation

GAO Jie

(China Railway Nineteen Bureau Group Rail Transit Engineering Co., Ltd., Beijing 101300, China)

In this paper, taking a tunnel with large span and small spacing in a certain range of Guiyang rail transit line 1 as a model, by using of flac3D numerical simulation, the influence of the sequence and step length changes on the deformation and settlement of the surrounding rock in the excavating process of double tunnel is analyzed. The following conclusions is explored that in the theoretical construction of tunnel excavation, double holes should be taken in the order and the minimum distance is required to keep, thus the stability and safety of the tunnel will be ensured.

FLAC3D; large span and small net spacing; tunnel with double holes; excavation sequence

1008-5564(2016)06-0092-05

2016-05-16

高 杰(1985—),女，辽宁营口人，中铁十九局集团轨道交通工程有限公司工程师，主要从事隧道工程研究.

U455.4

A