非对称结构偏压小净距隧道施工工法数值分析

苗 天

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南 郑州 450001)

非对称结构偏压小净距隧道施工工法数值分析

苗 天

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南 郑州 450001)

对非对称结构偏压小净距隧道采用三台阶法、CRD法和双侧壁导坑法，分左洞先行和右洞先行两种情况共6种工法进行数值模拟。对比6种工法下洞周位移、中间岩柱水平位移和应力、地表位移及初衬轴力的变化。

小净距；非对称结构；偏压隧道；数值模拟；中间岩柱

1 有限元模型的建立

本文研究的隧道为某在建小净距隧道，围岩级别分布为Ⅲ～Ⅴ级，以Ⅴ级为主。隧道左洞为三车道，最大开挖宽度17.7 m，最大开挖高度11.65 m；右洞为两车道，最大开挖宽度13.2 m，最大开挖高度10.55 m。隧道埋深20 m，偏压角度30°。

为减小边界效应的影响，模型上边界至地表自由面，左右边界距开挖面距离约4～5倍隧道跨度，下边界至洞底距离约4～5倍洞高。左右边界为x方向水平约束，下边界为y方向竖向约束。围岩为Ⅴ级围岩，采用弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb屈服准则，单元为PE4平面应变单元；初衬采用B21单元，锚杆采用T2D2单元，均为线弹性模型；注浆加固采用提高加固区围岩材料力学参数的方式模拟。隧道计算模型如图1，有限元模型基本材料参数见表1。

表1 有限元模型基本材料参数

2 隧道开挖计算方案

本文主要研究三种开挖方法：三台阶法、CRD法和双侧壁导坑法，分左洞先行和右洞先行两种情况，对6种不同工法进行数值模拟对比分析。各工法施工工序和编号如图2所示。

图1 隧道计算模型

图2 各工法施工步序和编号示意图

3 模拟结果分析

3.1 洞周位移分析

根据分析结果，将隧道洞周各关键点(如图3)最终位移值列于表2中，其中关键点3、6、9、12取y方向位移，其余各点取x方向位移。

图3 模型关键点位置示意图

工法位移/mm123456789101112工法1-A-2.7-7.1-17.0-9.6-10.55.44.9-7.6-19.2-6.2-9.56.7工法1-B-0.3-6.0-18.8-7.8-7.75.23.8-4.0-16.8-5.7-7.45.7工法2-A-4.5-5.8-12.6-9.3-8.34.91.0-5.9-15.1-7.0-3.65.8工法2-B-3.4-5.0-12.8-8.5-4.24.90.5-2.0-13.5-6.4-3.55.5工法3-A-3.8-4.7-10.5-8.6-5.54.81.2-2.2-13.4-8.7-6.25.7工法3-B-3.2-4.2-10.1-8.2-3.34.71.5-1.6-12.3-7.6-5.25.4

(1)开挖方法分析

由表2可知，无论是左洞先行还是右洞先行，工法1的左洞拱顶(点3)和右洞拱顶(点9)最终沉降值均为最大，工法2次之，工法3最小。其中左洞先行时，工法1的左、右洞拱顶最终沉降分别比工法3大61.0%和43.1%，比工法2大34.7%和27.9%；右洞先行时，工法1的左、右洞拱顶最终沉降分别比工法3大85.6%和37.2%，比工法2大45.9%和24.6%。对比其他关键点的位移可知，大部分关键点的位移也呈现同样的规律。其中采用不同工法时，底板均为向上隆起，左洞隆起位移值稍大于右洞，但差别不大。结果表明：采用双侧壁导坑法对控制围岩变形最为有利，CRD法次之，三台阶法最为不利。另外，关键点1、2、8的位移均为向洞外位移，而与一般地表水平的隧道不同，且关键点4、5、10、11(左、右洞埋深较大的一侧)均有向浅埋侧较大的位移，这都应是偏压所致。

(2)开挖顺序分析

从表2还可看出，除工法1-B外，各工法的拱顶最终沉降均为右洞大于左洞。这应与埋深有关：右洞位于深埋侧，左洞位于浅埋侧，故深埋一侧的拱顶沉降稍大于浅埋一侧。也应看出，对工法1-B，左洞拱顶最终沉降大于右洞，这是由于左洞断面比右洞大，且为扁平断面。因此当右洞先行时，左洞扁平大断面的影响大于埋深的影响。而工法2和工法3由于有中间临时支撑的“分割作用”，削弱了扁平大断面的影响，仍是埋深起主导作用。由此可知，在大断面隧道开挖时，尤其在软弱围岩条件下，合理的分部开挖对控制围岩变形是至关重要的，应特别注意防止拱部一次开挖较大跨度，并应加强对扁平大断面隧道的支护。

3.2 中间岩柱水平位移分析

图3为各工法在先行洞开挖完成后和双洞开挖完成后，中间岩柱竖直中心线的水平位移变化曲线。首先易看出，由于偏压作用，隧道底部以上的岩柱位移均指向浅埋侧，底部以下一定距离内的岩柱位移指向深埋侧，呈以隧道底部位置为轴心的“转动”趋势。因此，中间岩柱的位移是整体性的，一旦发生破坏也将是整体性的，必须加强防范。

从中间岩柱最终位移最大值来看，采用工法3时最小，工法2次之，工法1最大。对同一开挖方法，无论左洞先行还是右洞先行，岩柱的最终位移均比较接近。但先开挖右洞时，中间岩柱的水平位移最终值相较于其中间值(先行洞开挖后)的变化要比先开挖左洞大的多。这表明先开挖右洞时，后行洞的开挖对中间岩柱的扰动较大。这也符合偏压的规律：在偏压的作用下，当右洞(深埋侧)开挖后，再开挖左洞时，由于卸载作用，就会造成中间岩柱向浅埋侧较大位移；而先开挖左洞(浅埋侧)时，中间岩柱已完成了一部分变形，处于暂时平衡状态，故再开挖右洞时，虽仍有偏压作用，但右洞本身的卸载会抵消一部分，加之左洞较强的支护，就能大大减小对岩柱二次扰动。因此，对于偏压小净距隧道，先开挖浅埋侧可减小对岩柱的二次扰动，但应注意保证扁平大断面的左洞支护质量。

图4 中间岩柱竖直中心线水平位移变化曲线

3.3 地表位移分析

地表关键点A、B、C三点的最终位移值见表3。由表3可知，各工法A、B、C三点的水平位移呈递增的趋势，而B点的竖向位移最大，呈“凹槽”状，这应与左右洞及时施作了初期支护限制了围岩变形有关。对同一开挖方法，先开挖左洞和先开挖右洞时的地表位移相差不大。总的来看，采用工法3时，地表各点的位移均为最小，工法2次之，工法1最大。另外，A、B、C三点的水平位移均为负，即有向浅埋侧滑动的趋势。这在研究中得到验证，即当偏压角度较大时，隧道上方地表会出现整体向浅埋侧滑动的趋势。因此，针对本文研究的隧道，应注意保护好地表植被，地表植被稀疏时，应采用注浆、锚喷等方式加强防护，防止滑坡发生。

表3 地表关键点最终位移值

3.4 中间岩柱应力分析

表4为中间岩柱左侧5点、中心M点和右侧7点的最大和最小主应力值。对于工法1和工法2，无论左洞先行还是右洞先行，中间岩柱最大和最小主应力均为中心M点最大，而岩柱两侧点5和点7的最大和最小主应力均为先行洞侧最大；但从数值上看，采用工法2时，点5和点7的主应力差值相对较小。而对于工法3，无论左洞先行还是右洞先行，中间岩柱最大和最小主应力均为右侧最大，中心次之，左侧最小，且三点的数值差别不大。这说明采用工法3有效地抑制了偏压的作用。对于岩柱中心M点，其最大和最小主应力均为工法1最大，工法2次之，工法3最小。对同一开挖方法，先开挖左洞时M点的最大和最小主应力均大于右洞，但差别不大。

表4 中间岩柱关键点主应力

注：上表中应力以受压为负

3.5 初衬内力分析

(1)对不同的开挖方法，先行洞大多数关键点处的初衬轴力大于后行洞对应点，但左洞先行时左右洞初衬轴力的最大差值较右洞先行时大；(2)左洞先行时，各工法左洞的初衬轴力从左拱脚到右拱脚分布比较均匀，而右洞的初衬轴力，工法1集中在拱顶附近，工法2集中在拱顶偏右和右侧边墙，工法3集中在左右侧边墙；(3)右洞先行时，各工法的右洞初衬各点轴力均为中间岩柱侧最大，而左洞的初衬轴力，各工法的数值均较小，但工法1集中于拱顶，工法2和工法3分布比较均匀；(4)无论左洞先行还是右洞先行时，采工法3时，左右洞初衬左右边墙处的轴力最大，工法2次之，工法1最小，而拱顶处的轴力呈相反的规律。这与工法1拱部最先成型，拱部初衬最先施作，而工法3边墙最先成型，边墙初衬最先施作有关。

总的来看，采用工法3时，初衬拱顶处轴力最小，利于保证拱部的稳定；先开挖左洞时两洞初衬轴力分布要比先开挖右洞均匀，有利于使初衬更好地整体受力。

4 结 论

(1)采用双侧壁导坑法对控制围岩变形、岩柱应力和初衬轴力，减小对中间岩柱的扰动和偏压作用的影响最为有利，CRD法次之，三台阶法最为不利；

(2)先开挖深埋侧隧道对中间岩柱的扰动较大，在施工中应先开挖浅埋侧；

(3)对扁平大断面隧道应采用分部开挖方法施工，避免拱部一次开挖过大跨度；

(4)对偏压角度较大的小净距隧道，地表有较明显的下滑趋势，应注意加强坡面防护；

(5)非对称结构偏压小净距隧道安全施工的关键是保证中间岩柱和大断面隧道的稳定，在施工中应尽量较小对中间岩柱的扰动，加强对中间岩柱和扁平大断面隧道的支护。

[1] 肖明清.小间距浅埋隧道围岩压力的探讨[J].现代隧道技术，2004，41(3)：7-10.

[2] 舒志乐，刘保县，李月.偏压小净距隧道围岩压力分析[J].地下空间与工程学报，2007，3(3)：430-433.

[3] 龚建伍，夏才初，雷学文.浅埋小净距隧道围岩压力计算与监测分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(增2)：4139-4145.

Numerical Simulation of Construction Method for Bias Tunnels with Asymmetric Structure and Small Clear Distance

MIAO Tian

(Zhengzhou Design Institute , China Railway Engineering Consultanting Group Co.,Ltd, Zhengzhou 450001,China)

According to the excavation sequence of right and left tunnels， the numerical simulation of six construction methods is conducted for bias tunnels with asymmetric structural and small clear distance，including the method of three bench method，CRD method and double side excavation approach. The change law of displacement， stress and axial force of the middle rock pillar and first lining is analyzed through mutual comparison with six different construction methods.

small clear distance；asymmetric structure；bias tunnel；numerical simulation；middle rock pillar

2016-11-08

U455

C

1008-3383(2017)03-0161-02