公路小净距隧道纵向空间效应分析

贺晓铭

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030)

在地质条件复杂的山岭地区公路建设中，小净距隧道因具有工序简单、工程风险小、造价低等优点，得到广泛应用。然而，由于两洞室中心距较小，小净距隧道双洞间应力场存在空间上的相互影响[1]，这对隧道施工安全极为不利。因此，诸多学者对隧道施工过程中的空间效应进行研究。董云鹏等对硬黏土层双线隧道进行数值模拟，认为两洞室掌子面间距对周边收敛影响程度大于对拱顶沉降的影响[2-4]。李志清等依据监测断面数据分析围岩变形的时空效应，得出隧道纵向开挖面的影响距离约为2倍洞径[5]。周飞等基于离心模型试验，研究了不同净距和间距的组合下双洞效应隧道地表及地层的变形规律[6]。刘元峰依托米家寨隧道对隧道开挖面的合理间距进行分析，得出隧道开挖面纵向合理间距应不小于20 m[7]。褚衍玉等依托大石岭隧道，采用数值模拟分析两洞室掌子面不同间距下地表沉降、洞周收敛变形以及中岩墙变化规律，得出掌子面合理纵向间距为40 m[8-9]。袁飞等采用FLAC3D对黄土连拱隧道开挖面的空间效应、左右洞的相互影响进行分析，得出开挖面的合理间距应控制在2.5～3倍单洞开挖宽度[10-11]。以下基于前人的研究，采用数值模拟的方法分析某公路隧道两洞室掌子面不同纵向间距下围岩响应特性，并提出合理的纵向施工间距。

1 工程概况及数值模型

1.1 工程概况

该隧道为公路小净距长隧道，左线里程范围为K0+192.513～K1+370.649，右线里程范围为K0+190.00～K1+360.00。单洞开挖宽度为11.78 m。隧道所穿越地层围岩为Ⅳ级、Ⅴ级，选取Ⅳ级围岩段落进行模拟开挖及初期支护，以分析两洞室间纵向空间效应。隧道Ⅳ级段落坡面覆盖层为残坡积粉质黏土，下伏志留系下统罗惹坪组泥岩，基岩岩体较完整。隧道地表坡度一般为30°～45°，局部达60°。隧道初期支护采用锚喷，开挖进尺为2 m，右洞先行。隧道左、右洞均采用台阶法施工。施工步骤为：①上断面开挖并初期支护；②中槽开挖；③边墙马口跳槽开挖并初期支护；④仰拱开挖；⑤仰拱浇筑；⑥拱墙浇筑(见图1)。

图1 施工步序

1.2 三维数值模型建立

模型边界：左右边界取4倍隧道洞径，下边界取5倍隧道开挖高度，隧道长度取60 m(见图2)。模型概述如下：左右边界施加水平约束，上边界不施加约束，底部施加竖向约束，前后边界施加Y方向约束(X方向为平行隧道横断面方向，水平向右为正；Y方向为沿隧道轴线方向，垂直隧道横断面向里为正)。将围岩视为各向同性的均质连续介质，采用Drucker-Prager准则。围岩采用3D实体单元；喷射混凝土采用2D板单元，厚度为20 cm；锚杆采用1D植入性桁架单元，尺寸为1.0 m×1.0 m。各结构和材料力学参数根据《隧道施工图设计说明》和《隧道设计规范(第一册 土建工程)》(JTG 3370.1—2018)选取(见表1、表2)。两洞室掌子面的纵向间距选取0.5B(6 m)、1.0B(12 m)、1.5B(18 m)、2.0B(24 m)四种工况，先行洞(右洞)掌子面开挖到既定超前断面，后行洞(左洞)掌子面只开挖8 m，以实现掌子面不同纵向间距变化(见图3)。

表1 模型中各材料力学参数

表2 三维模型数值计算工况汇总 m

图2 小净距隧道整体模型

图3 截面选取点示意

2 不同间距围岩力学响应分析

2.1 洞室拱顶沉降分析

由图3可知，1-1断面为先行洞拱顶中心断面，2-2断面为中夹岩柱中心断面，3-3断面为后行洞拱顶中心断面。图4为工况四洞室沉降位移变化曲线。先行洞拱顶沉降变化曲线经历了快速上升、平缓上升、急速上升、稳定收敛四个阶段，稳定收敛位置在其掌子面前方10 m处。后行洞拱顶沉降位移变化曲线经历了急剧上升、缓慢上升、稳定收敛三个阶段，稳定收敛位置也在其掌子面前方10 m处。这表明隧道停止开挖后，拱顶沉降在其掌子面前方10 m处趋于稳定。中夹岩柱沉降变化曲线经历了平缓上升、稳定收敛两个阶段，经过先行洞掌子面后趋于稳定，说明净距为10 m时，隧道开挖对中夹岩柱沉降的影响较小。

图4 工况四沉降位移随隧道纵向位置变化

图5为各工况先行洞拱顶沉降位移变化曲线，各工况曲线也经历了上述四个阶段，工况一平缓上升阶段最短，各工况沉降最大值在洞口处。随着掌子面间距增大，先行洞拱顶沉降位移值增大，但增幅不断减小。因此，从控制先行洞洞口拱顶沉降出发，两相邻隧道掌子面间距宜控制为0.5B(6 m)。

图5 各工况先行洞拱顶沉降位移随隧道纵向位置变化

2.2 中夹岩柱力学响应分析

小净距隧道施工的关键是保护中夹岩柱的完整性和稳定性[12-16]。以中夹岩柱中心断面2-2为基准，左右两侧各隔4 m选取断面(见图6)，对中夹岩柱进行位移和应力响应特性进行分析。

图6 中夹岩柱断面示意(单位：m)

图7为工况四中夹岩柱沉降位移变化曲线，中夹岩柱右侧沉降位移变化曲线经历了快速上升、平缓上升、急速上升、稳定收敛四个阶段，与先行洞拱顶沉降位移变化曲线保持相同特征。中夹岩柱左侧沉降位移变化曲线经历了急剧上升、缓慢上升、稳定收敛三个阶段，与后行洞拱顶沉降位移曲线相同。

图7 工况四中夹岩柱沉降位移随隧道纵向位置变化

图8为各工况中夹岩柱右侧沉降位移变化曲线，各工况变化曲线同样经历了上述四个阶段，工况一快速上升阶段最短，工况四快速上升阶段最长。最大沉降位移在洞口处，稳定收敛位置位于先行洞掌子面前方10 m处。随着掌子面间距不断增大，中夹岩柱右侧沉降位移增大，当0.5B≤掌子面间距≤1.5B时，沉降量随掌子面间距的增加而不断变大；当1.5B≤掌子面间距≤2.0B时，沉降增幅开始减小。因此，从控制中夹岩柱沉降位移增长角度出发，两相邻隧道掌子面的间距宜≤0.5B(6 m)或≥2.0B(24 m)。

图8 各工况中夹岩柱右侧沉降位移随隧道纵向位置变化

图9为工况四中夹岩柱水平位移变化曲线，由图9可知，左、右侧水平位移变化曲线特征一致，水平位移最大值处于隧道纵向位置2 m处，都经历了小幅下降、快速上升、平缓上升、稳定收敛四个阶段。中夹岩柱中心水平位移变化曲线经历了平缓上升、快速上升、稳定收敛三个阶段。0～8 m为两隧道开挖相互影响区间，右侧水平位移较左侧大，说明隧道开挖对靠近先行洞一侧中夹岩柱水平位移影响较大。即先行洞开挖使中夹岩柱不仅向下沉降，还向左变形。

图9 工况四中夹岩柱水平位移随隧道纵向位置变化

图10为各工况中夹岩柱右侧水平位移变化曲线，水平位移最大值位于隧道纵向位置2 m处。在相互影响区间，水平位移随掌子面间距增大而增大，但增幅减小。因此，从控制中夹岩柱水平位移出发，两相邻隧道掌子面的纵向间距宜控制在0.5B(6 m)。

图10 各工况中夹岩柱右侧水平位移随隧道纵向位置变化

图11为工况四中夹岩柱主应力变化曲线，右侧主应力变化曲线经历了缓慢上升、快速上升、稳定收敛三个阶段，左侧主应力变化曲线经历了快速上升、平缓上升、稳定收敛三个阶段。先行洞掌子面后方中夹岩柱右侧主应力较左侧大，在通过先行洞掌子面后，两条曲线明显上扬，主应力值进一步减小，表明掌子面开挖卸荷作用使应力得到进一步减小。

图11 工况四中夹岩柱主应力随隧道纵向位置变化

图12为各工况中夹岩柱右侧主应力变化曲线，中夹岩柱右侧主应力随间距增加而增大。各工况中夹岩柱右侧主应力对掌子面间距的敏感度不同，当0.5B≤掌子面间距≤1.5B时，主应力增幅较大；1.5B≤掌子面间距≤2.0B时，主应力值虽有增加，但增幅减小，敏感度降低。从控制中夹岩柱主应力增长角度出发，两相邻隧道掌子面间距宜≤0.5B(6 m)或者≥2.0B(24 m)。

2.3 塑性区分析

图13～图16为各工况下后行洞开挖8 m时隧道塑性区分布，随着掌子面间距的增大，先行洞塑性区分布范围增大，后行洞塑性区分布基本无变化，塑性区扩展到掌子面处。因此，随着掌子面间距的不断增大，对后行洞塑性区分布影响基本没有影响，但最大塑性应变不断减小。从控制塑性应变角度出发，两相邻隧道掌子面间距宜≥2.0B(24 m)。

图13 0.5B塑性区前视图和轴测图分布

为降低开挖造成的纵向空间相互影响，或避免中夹岩柱受到扰动，从控制位移、抑制应力增长、控制塑性应变这三个方面出发，两相邻隧道掌子面合理间距宜≤0.5B(6 m)或≥2.0B(24 m)，但6 m间距在实际工程中往往难以实现，故两隧道掌子面间距宜≥2.0B(24 m)。

图14 1.0B塑性区前视图和轴测图分布

图15 1.5B塑性区前视图和轴测图分布

图16 2.0B塑性区前视图和轴测图分布

3 结论

(1)在小净距隧道开挖过程中，洞口处沉降最大，随着隧道的开挖，拱顶沉降位移在其掌子面前方10 m处达到稳定。

(2)中夹岩柱沉降变化与拱顶沉降变化规律基本一致。洞室开挖不仅使其向下沉降，还向左变形。掌子面间距增大使先行洞塑性区有扩展趋势，对后行洞塑性区扩展无影响。

(3)当1.5B≤掌子面间距≤2.0B时，中夹岩柱主应力增幅较大；当1.5B≤掌子面间距≤2.0B时，中夹岩柱主应力增幅较小，小净距隧道合理的纵向施工间距宜≥2.0B(24 m)。