考虑时空效应的高风险隧道双侧壁导坑施工参数优化分析

程 楠

(中铁二十三局集团有限公司，四川成都 610072)

随着经济发展对交通运输需求的增加，三车道以上的大断面隧道在近年来在新建的公路隧道中已经占有越来越高的比例[1]。然而随着大断面隧道高跨比的减小，不论是对围岩稳定性状态还是开挖支护后的支护结构受力都会带来不利影响。

目前国内隧道施工主要是沿用新奥法思想，利用岩体力学的基本理论，强调维护和利用围岩的自承能力[2]。常见的隧道断面开挖方法包括全断面开挖法、台阶法、双侧壁导坑法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD)法及环形开挖预留核心土等方法。断面开挖方法的选择需要以工程地质条件为基础，从施工速度、造价以及施工风险等多个角度进行考虑。不论采用何种工法进行隧道断面开挖，其围岩稳定性问题一直是地下工程研究的重要课题[3]。大量工程实践证实，岩石隧道开挖后应力并不是瞬间释放完成，而是受到开挖面的约束后逐步释放，围岩变形具有时空效应特征[4-6]。对于大跨度隧道，施工过程中围岩稳定性更加突出，尤其是在不良地质条件的影响下，施工难度和施工风险也大大增加，这给施工过程中的安全管理带来了更大的挑战。

虽然已有较多学者对隧道开挖围岩变形及其时空效应规律进行研究，但隧道所处围岩地质条件复杂，且采用不同工法施工时，围岩变形空间分布特征不尽相同，对于大跨高风险隧道双侧壁导坑施工，如何优化施工参数以降低围岩坍塌风险，有待进一步研究。本文以前石隧道为工程背景，首先对其施工总体风险进行评估，再结合数值模拟对V级围岩段双侧壁导坑法施工过程中的时空效应规律进行了分析，并以此为基础对断面分块开挖顺序、循环进尺及衬砌施作时机等施工参数进行了优化。

1 前石隧道工程概况及施工总体风险评估

1.1 前石隧道过程概况

本文以渤海大道一期工程(金州新区段)前石隧道工程为工程背景，前石隧道工程为大连渤海大道一期工程的关键节点之一，为双洞八车道，双洞间距约20 m，其单洞开挖跨度达到20.7 m。隧道区域内地层主要为上覆第四系残坡积层(Qh3al)和下伏的石炭系(C)太原组二段(C3t2)、太原组一段(C3t1)及石炭系底部的本溪组(C2b)在隧道区段西侧有奥陶系(O)地层以构造接触形式覆盖于石炭系地层之上。隧道进、出口为Ⅴ级浅埋地段，洞内Ⅴ级围岩段主要存在断层及破碎带，均采取双侧壁导坑法施工。

1.2 前石隧道总体施工风险

前石隧道隧道有大跨、高地应力、洞口段浅埋偏压、岩石节理裂隙发育、局部存在岩溶等典型特征，由于隧道施工工序转换复杂，施工对支护、主体结构及破碎带围岩的稳定性造成极为复杂的影响，根据《公路桥梁和隧道施工安全风险评估指南》，对前石隧道施工过程中的总体风险进行评估(表1)。

R=G×(A+L+S+C)=6×(4+2+1+1)=48

(1)

根据隧道工程施工安全总体风险分级标准，R=48 >22分，前石隧道总体风险等级为Ⅳ级(极高风险)。由于前石隧道总体施工风险等级较高，而隧道施工过程中的主要风险事件为坍塌，因此需要着重考虑施工过程中围岩稳定性问题。在施工前期，可以结合前期地质勘查资料和设计文件，通过数值手段进行试算，优化施工参数，以降低施工过程中的风险。

2 双侧壁导坑法施工时空效应分析

在岩体中开挖隧道,洞身围岩的变形并不是在瞬时间就完成,即使在施作支护以后,围岩与支护之间的压力及其变形也是随时间的推移而不断发展并逐步趋于稳定[4]。为更加合理有效控制围岩变形，降低隧道围岩在施工过程中坍塌风险，首先利用有限差分数值模拟(FLAC 3D)对双侧壁施工过程中的围岩变形空间规律进行研究。

2.1 模型建立

隧道从力学角度可以假设为半无限空间问题，根据圣维南原理，隧道开挖过程的影响范围将随着与开挖面的距离的增大而逐渐消失，因此在进行隧道工程数值模拟过程中，只需对有限范围内的区域进行计算分析[7]。根据已有学者的相关研究成果，隧道洞室开挖对围岩应力应变的影响多集中在3～7倍的开挖宽度或高度范围内，具体范围应该根据实际围岩条件而定[7-9]。李志业，曾艳华等[10]研究得出当L>3D时，应力变化在10 %以内；当L>5D时，应力变化在3 %以内。因此，一般情况下，计算范围取3～5D即可达到计算精度的要求，同时也能减少计算量，提高计算效率。根据现场实际情况，隧道开挖直径约20 m,合理设置边界效应区，最终拟定模型尺寸为：宽100 m (隧道横断面方向)，高80 m(隧道中轴线方向)，长80 m(隧道掘进方向)。

表1 前石隧道总体施工风险评估指标体系

前石隧道平均埋深约在80～100 m，计算区域上部边界近似考虑设置为自由边界，模型两侧施加水平约束，地面施加竖直方向约束条件。根据前石隧道地质勘查资料，全线均为IV、V级围岩，属于易碎软岩，易发生塑性变形。通过类比相似地质条件下的计算经验，模拟过程中围岩选用Mohr-Coulmb弹塑性本构模型，初支和二衬混凝土衬砌看做弹性材料，选用弹性本构模型。对于锚杆及超前注浆小导管的模拟，考虑改变围岩参数来实现[7]-[12]。模型中主要参数如表2所示。模拟过程中对隧道开挖过程中不同特征点位移进行监测，监测点布置如图1所示。借助ANSYS对模型进行网格剖分，最终模型总体效果图如图2所示。

表2 前石隧道数值模型计算参数

图1 监测断面布置示意

图2 模型网格剖分

2.2 时空效应分析

图3中S1，S2，S3，S4，S5及S6分别对应双侧壁导坑法施工过程中的左上、左下、右上、右下、中上及中下分块的掌子面位置。首先，由图3可知，掌子面附近的位移并不是伴随着开挖过程瞬间释放的，其位移释放是一个渐进的过程。左上导坑掌子面S1恰好到达研究断面时，在掌子面后方不同特征点的位移值均随着与研究断面的距离增加而增加，并在一定距离之后达到相对稳定的状态。同时，在掌子面前方未开挖的部分围岩受到开挖过程的扰动，围岩应力重分布，也产生了一定程度的变形。根据表3，在左上导坑掘进面后方，开挖面虚拟支撑作用范围：拱顶约30 m(1.5D)，左拱腰约10 m(0.5D)，右拱腰约20 m(1.0D)，左拱脚约10 m(0.5D)，右拱脚约20 m(1.0D)，仰拱处约30 m(1.5D)。

图3 双侧壁导坑位移空间分布

3 考虑时空效应的双侧壁导坑法施工参数优化

3.1 支护时机

对于隧道衬砌支护时机，大变形隧道和非大变形隧道应该分别讨论。对于初支而言，不论是大变形隧道还是非大变形隧道，实际施工一般都是开挖一个循环进尺后立即支护。然而对于二次衬砌来说，大变形隧道和非大变形隧道应有别而论。通常对于开挖变形不大的隧道，隧道围岩在初期支护的作用下便能基本达到稳定，二次衬砌施作只是作为一种安全储备，也可以用来约束后期由于软弱围岩流变性产生的附加变形。对于开挖过程中容易发生大变形的隧道，二次衬砌不再是传统意义上的安全储备，而是与初期支护一起共同组成抵抗开挖过程围岩变形的直接支护体系[14]。隧道开挖过程中，根据围岩变形速率一般可以将其划分为3个阶段，即急剧变形阶段，稳定变形阶段及流变阶段[16-18]。

表3 不同特征点位移释放及掘进面空间影响范围

图4所示为按照左上导坑—左下导坑—右上导坑—右下分块—中上核心土—中下核心土的开挖顺序得到的拱顶沉降空间分布曲线。由图可知，拱底沉降变形在空间上的分布大致也可分为S1，S2，S3三个阶段。AC段可视为急剧变形阶段，CD段为稳定变形阶段，D点以后为变形稳定阶段(由于本项目暂不考虑围岩流变性，因此该点以后变形几乎不再增加)。稳定后变形值为12 mm，在掌子面前方A点处，拱顶沉降值为1.25 mm，位移释放率为10.4 %；在B点时，掌子面处拱顶沉降3.5 mm，位移释放率达到29.2 %；C点时拱顶沉降10.1 mm，位移释放率84.2 %；D点以后位移几乎完全释放。AC段平均每延米位移释放2.95 %，CD段平均纵向每1 m位移释放1.26 %，AC段位移释放明显更为急剧。

由上可得，在C点之前位移释放较为强烈，C点之后由于围岩自稳能力发挥，位移释放减弱，如果初期支护在C点还未明显发挥作用，则可能导致围岩失稳破坏，因此初期支护应在C点以前尽早支护，结合现场实际条件，建议开挖后立即支护。由现场地质条件及施工监测资料，前石隧道并不属于大变形隧道范畴，对于二次衬砌，在初支与围岩自稳共同发挥作用，位移释放程度大大减弱时，可在D点，即距离掌子面约28 m处施加二次衬砌。

同理，还可得拱腰水平位移及拱底隆起的三阶段曲线分别如图5(a)～图5(c)所示。通过对特征点的数据拟合，可以得到变形空间发展的基本规律。由图可知，双侧壁施工过程中，在隧道拱腰和仰拱位置处的变形空间分布曲线均可大致划分为急剧变形AC、稳定变形CD及变形平衡三个阶段。在AC段，变形在较短距离内急剧变化，曲线斜率较大；CD段，曲线斜率明显降低，说明位移随着与掌子面距离的继续增加变化速率逐渐变缓慢；由于模型中未考虑围岩流变性。D点以后，曲线斜率趋近于0，说明在D点开始，变形几乎达到平衡，不再随与掌子面距离增加而继续增大。

(a)左拱腰水平位移

(b)右拱腰水平位移

(c)拱底隆起变形空间分布图5 不同特征点位移空间分布曲线

由图4、图5还可得到，在一定开挖工序下，尽管不同特征点位移在空间上的总体变化趋势相同，但是各个阶段对应的纵向区间是有区别的。表4所示为变形空间分布曲线上控制点A、B、C、D对应的位移释放率，表5所示为控制点A、B、C、D与开挖掌子面之间的纵向距离。

由于当围岩在开挖扰动后，在AC段变形释放率高，释放速度快，如果得不到及时支护，最容易导致围岩失稳破坏[15]。为此，开挖过程中，初期支护应该在C点之前完成。尽管如此，从施工安全角度考虑，原则上取各个特征点位移空间分布曲线中的C点与掌子面距离最小值作为初支时机，即距离掌子面8 m处。实际施工过程中，考虑到隧道可能存在潜在的偏压，岩石节理裂隙发育及局部可能存在岩溶等不利条件，且前石隧道施工总风险较高，为降低施工过程中围岩坍塌风险，开挖之后应尽可能早的施加初期支护。对于二次衬砌，在非大变形隧道中本身是作为一种安全储备，为避免产生次生应力，应该在变形稳定后施作，即在D点之后。因此，二次衬砌可选择在掌子面后方约30-34 m位置处进行施作。

表4 双侧壁导坑法施工特征点位移空间分布曲线各控制点位移释放率 %

表5 双侧壁导坑法施工特征点位移空间分布曲线各控制点与掌子面距离 m

3.2 分块开挖顺序优化

根据前石隧道施工组织设计，隧道进、出口为Ⅴ级浅埋地段，洞内Ⅴ级围岩段主要存在断层及破碎带，均采取双侧壁导坑法施工。双侧壁导坑法施工过程中，断面分块开挖次序通常遵循“分层、分块、对称、平衡、限时”等“时空效应”原则。然而，对各个分块的开挖的具体顺序，可能会对围岩稳定性造成不同程度的影响。如图6所示为双侧壁导坑断面示意图，现拟定不同的断面开挖顺序，并利用有限差分数值模拟FLAC 3D对不同开挖顺序工况下的围岩变形和塑性区分布进行讨论。拟定的开挖顺序为：

图6 双侧壁导坑法分块示意(单位:mm)

(1)开挖顺序工况1：①→②→③→④→⑤→⑥

根据前石隧道施工组织设计，开挖工序一为非对称开挖，①和②掘进面之间间距设为4 m，②和③之间掘进面间距为6 m，③和④之间掘进面间距4 m，④和⑤之间掘进面间距6 m，⑤和⑥之间掘进面间距4 m。

(2)开挖顺序工况2：①③→②④→⑤→⑥

该顺序工况下，第一步为①和③为同时对称开挖，第二步为②和④之间同时对称开挖，两步开挖之间掘进面间距为4 m，第二步开挖6 m后进行中上分块⑤开挖，最后⑤开挖4 m后进行中下分块⑥开挖。

(3)开挖顺序工况3：①→③→②→④→⑤→⑥

该工序总体上属于对称开挖，与工序二不同的是工序二中左上导坑①和右上导坑③是同时开挖，而工序三在左上导坑①与右上导坑③之间保持6 m的开挖间距，③和②之间掘进面间距为6 m，②和④之间掘进面间距6 m，④和⑤之间掘进面间距6 m，⑤和⑥之间掘进面间距4 m。

(4)开挖顺序工况4：①→③→⑤→②→④→⑥

该工序区别于工序三，在左上导坑①和右上导坑③开挖后直接开挖中上分块⑤，①和③间距6 m，③和⑤间距6 m，⑤和②间距6 m，②和④之间间距6 m。

(5)开挖顺序工况5：①③→⑤→②④→⑥

该工况区别于工况二，左上导坑①和③右上导坑同时对称开挖后间隔6 m直接开挖中上分块⑤，再间隔6 m同时开挖分块②和④，最后间隔6 m开挖中下分块⑥。

由于施工工序的选择不仅要考虑开挖过程对隧道周边围岩的扰动，支护的范围大小，同时也要考虑对施工难易程度及施工进度的影响。为确定双侧壁导坑法施工过程中断面分块开挖先后顺序，取模型中部断面为研究断面(Y=40 m)，且保持每种开挖工序的循环进尺一致。尽管实际施工过程中，都是开挖一个循环进尺后立即施作初期支护，然而开挖一个循环进尺过程本身也需要耗费一定的时间，在这段时间内，围岩应力会有一个释放过程。为了更好模拟实际开挖过程，模拟时，通过试算，在进行每次开挖后都先运行300步，让围岩应力得到一定程度释放后再施作初期支护。

不同开挖工序下，研究断面处的塑性区分布特征如图7所示，不同的开挖工序下同一断面塑性区分布有所不同。通过比较不同工序开挖条件下塑性区的总体积及特征点位变形的大小选择最为合理的开挖工序。

表6及表7分别为不同开挖工序下塑性区体积及特征点位移统计分析表，综合考虑塑性区分布以及各种工序下围岩的变形特征，在工序一条件下的塑性区分布相对较小(仅略大于工序三)，对围岩的变形控制效果最佳。对于工序二，尽管变形控制能起到较好效果，但塑性区较大。工序三塑性区最小，但围岩变形要大于工序一。工序四和工序五塑性区分布除明显小于工序二外，与其它工序差别不大，但是围岩变形明显大于其它工序。

综上所述，选择工序一作为最佳施工工序，即：左上导坑开挖支护—左下分块开挖支护—右上导坑开挖支护-右下分块开挖支护—中上块体开挖支护—中下块体开挖支护。工序三可作为备选工序，根据施工实际情况需要，在工序一和二之间可以灵活调整。

3.3 双侧壁导坑法纵向掘进循环进尺优化研究

隧道开挖过程中，由于开挖面的约束作用，开挖面附近围岩应力和变形沿着隧道纵轴线方向变化。正是由于在时空效应作用下，开挖面能够有效限制塑性区范围的扩展，可以利用开挖面空间效应曲线来确定大致的隧道进尺[19]。文献中认为当洞室位移释放率超过70 %时候，对应的纵向位置与目标断面之间的距离可以作为隧道最大开挖进尺的估计值。本文引用该方法来确定双侧壁导坑法的最大开挖进尺。拟定开挖顺序为左上导坑-左下分块-右上导坑-右下分块-中上核心土-中下核心土。

图7 不同开挖工序下研究断面塑性区分布

表6 不同开挖工序下塑性区分布

表7 不同开挖工序下特征点位移 mm

对导坑进行单独研究，分析到导坑单独开挖时，掌子面刚好到达研究断面处(数值模型中y=40m位置)，其周边围岩位移在隧道纵向方向上的位移分布规律。由图8可知，导坑单独开挖时，其顶部和侧壁位置的变形均呈现出典型的空间效应特征。导坑顶部沉降稳定后约为5.774 mm，在距离导坑掌子面后方约2.5 m 处，导坑顶部沉降为4.514 mm，位移释放率约为78.18 %；导坑侧壁水平位移稳定后数值为4.386 mm，在距离掌子面后方2.5 m处位移值为3.509 mm，位移释放率80.00 %。由此可得，在距离掌子面后方2.5 m处，导坑周边位移均超过了70 %，因此在双侧壁开挖过程中，应该以2.5 m作为最大开挖进尺进行施工。

(a)导坑顶部沉降空间分布曲线

(b)导坑侧壁水平位移空间分布曲线图8 双侧壁导坑法施工导坑顶部沉降及两侧水平位移空间分布曲线

4 结论

(1)前石隧道施工总体风险R=48，为极高风险，为降低施工过程中围岩坍塌风险，应重点针对围岩稳定性问题优化施工参数。

(2)前石隧道双侧壁导坑法施工过程中，围岩变形存在典型的时空效应特征。开挖面的虚拟支撑作用影响范围分别在掘进面后方：拱底约30 m(1.5D)，左拱腰约10 m(0.5D)，右拱腰约20 m(1.0D)，左拱脚约10 m(0.5D)，右拱脚约20 m(1.0D)，仰拱处约30 m(1.5D)。

(3)双侧壁导坑施工过程中围岩变形的空间分布均具有三阶段变形的特征，即大致可以划分急剧变形阶段、稳定变形阶段及变形平衡阶段，对于非大变形隧道双侧壁导坑法施工，建议初期支护应该在距离掌子面后方8 m之内进行，为进一步降低风险，建议开挖后立即支护；二次衬砌应该在掌子面后方30～34 m之间进行。

(4)通过拟定不同的断面开挖顺序，对双侧壁导坑最优工序进行了研究。从不同工序塑性区大小以及围岩变形控制两方面考虑，最终确定双侧壁导坑法施工的最优工序为：左上导坑—左下块体—右上导坑—右下块体—中上块体—中下块体。

(5)最优循环进尺的近似确定办法为：基于导坑洞顶沉降和水平位移的空间分布规律，选择在导坑掌子面后方，位移释放为70 %处断面，其与掌子面的距离可作为施工过程中的循环进尺参考值。结果表明在双侧壁导坑法施工过程中，导坑掌子面后方约2.5 m处位移释放率均超过70 %。其中双侧壁导坑法洞顶沉降和洞壁水平位移在该处释放率分别达到78.18 %和80.00 %。