中隔壁法开挖工序对浅埋偏压小净距隧道稳定性影响研究

高 帅，胡明香，李文彪

(1.江西省赣南公路勘察设计院 赣州市 341000；2.赣州水务集团有限责任公司 赣州市 341000)

1 概述

浅埋偏压小净距隧道同时具备了隧道浅埋、偏压、小净距三个主要特点，因此相对于一般普通隧道，浅埋偏压小净距隧道的围岩压力分布和围岩变形规律更加复杂，隧道设计和施工也更为困难。

目前我国公路隧道建设行业对浅埋偏压小净距隧道的设计施工尚无明确的规范要求和详细的技术指南，对浅埋偏压小净距隧道的特征缺乏充分的认识和足够的重视，导致设计施工方案不尽合理，造成坍塌、地表沉陷、衬砌开裂等安全事故，严重影响隧道建设及运营安全。因此，对浅埋偏压小净距隧道的设计、施工等关键技术问题进行有针对性的分析研究具有十分重要和迫切的现实意义。

目前国内外学者对浅埋偏压小净距隧道的围岩压力、结构稳定性、偏压效应和施工方法等方面的研究已经取得了一定的成果，但仍处于理论探索和实践检验阶段。对浅埋偏压小净距隧道合理开挖工序的研究也处于起步阶段，从当前仅有的研究成果上看，也尚未达成统一认识[1]。

借助有限元模拟软件，重点讨论和研究中隔壁法开挖工序对浅埋偏压小净距隧道围岩变形、地表沉降和初支变形受力的影响，分析不同开挖工序下隧道变形规律，尝试获得中隔壁法在浅埋偏压小净距隧道施工中最有利的开挖工序。

2 浅埋偏压小净距隧道的特征

浅埋偏压小净距隧道同时具备了浅埋隧道、偏压隧道和小净距隧道的特征，主要包括以下几点：

(1)作为特殊环境下的隧道工程，由于隧道埋深浅，其施工不仅受到覆盖层地质条件的制约，而且还受地表环境的影响。因覆盖层较浅，隧道围岩难于形成卸载拱，开挖施工引起的破坏效应会迅速传递至地表，容易导致地表及洞顶围岩产生塌陷[1]。

(2)由于围岩初始地应力场的不对称性，隧道洞身开挖将使围岩应力场进一步恶化，容易引起洞内围岩坍塌、隧道初期支护和衬砌结构的变形破坏。此外地表沉陷开裂又会诱发边仰坡的失稳滑塌等地质灾害，坡体滑移产生的水平推力进一步作用于隧道形成偏压荷载，导致支护和衬砌的破坏，进而形成恶性破坏循环[2]。

(3)由于隧道两洞之间距离较近，导致相互之间的应力场、位移场叠加严重。隧道先行洞施工一段时间后，围岩应力场将调整到平衡状态，在这种扰动后的围岩条件下进行后行洞施工，隧道后行洞围岩的整体稳定性必将受到很大的影响，同时后行洞施工导致的围岩应力场的扰动也将反过来影响先行洞，而且这种影响是不对称性的[3]。

3 中隔壁法开挖工序

中隔壁法(CD开挖法)是目前浅埋偏压小净距隧道施工中经常采用的开挖方法，它是在隧道开挖过程中，于断面中间施作竖向支撑，并将整个隧道断面在竖向支撑两侧分割成若干个台阶单元后分部开挖的施工方法。这种施工方法可有效地控制围岩大变形，适用于大跨度或特大跨度隧道的施工，尤其是软弱围岩和受力不均匀的隧道开挖施工[4]。与此同时，CD开挖法兼有台阶法及侧壁导坑法的优点，同时又具有施工进度快、工序转换灵活的特点。

图1 中隔壁法开挖、支护工序图

对于小净距隧道，根据隧道开挖、支护顺序的不同，又可以分为以下四种开挖工序：左洞先行、正向开挖；左洞先行、反向开挖；右洞先行、正向开挖；右洞先行、反向开挖。其中左洞一侧为沟侧，右洞一侧为山侧。正向开挖，指的是先开挖左洞右侧、右洞左侧，再开挖左洞左侧、右洞右侧；反向开挖的工序则相反。小净距隧道四种开挖工序如图2所示。

图2 中隔壁法四种不同开挖工序

4 浅埋偏压小净距隧道开挖有限元模拟

以笔架山隧道为背景，通过有限元软件模拟计算，探讨中隔壁法四种不同的开挖工序对隧道围岩和初期支护结构的变形影响。

4.1 工程概况

笔架山隧道位于江西省信丰县，为一座分离式隧道，其中右线长718m，左线长655m。受地形条件限制，隧道出口段由分离式隧道渐变为浅埋偏压小净距隧道。根据地勘资料，隧道出口段为Ⅴ级围岩，岩性为残坡积土及全风化、强风化变余岩屑杂砂岩，节理发育、岩体极破碎、稳定性较差。

4.2 有限元模型

采用有限元计算软件PLAXIS，取笔架山隧道出口端浅埋偏压段为计算剖面，分别对(a)左洞先行，正向开挖、(b)左洞先行，反向开挖、(c)右洞先行，正向开挖、(d)右洞先行，反向开挖四种不同的中隔壁法开挖工序进行有限元模拟，计算分析不同开挖工序下隧道围岩变形、隧道拱顶与地表沉降及隧道初期支护结构变形情况。有限元模型见图3。

图3 浅埋偏压小净距隧道有限元计算模型

4.3 有限元模拟结果与分析

4.3.1隧道围岩变形分析

(1)隧道围岩总变形分析

不同开挖工序下隧道围岩总变形云图见图4。

图4 不同开挖工序下隧道围岩总变形云图

通过隧道围岩总变形云图(图4)的对比和分析，可以获得以下结论：

①对比开挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)开挖工序引起的隧道围岩变形范围和变形量均较小，说明在相同的先行开挖条件下，采用反向开挖工序对隧道的围岩总变形影响最小。

②对比开挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)开挖工序对隧道左洞围岩变形范围和变形量影响较小，而对右洞围岩变形范围和变形量影响较大。

③优先选择反向开挖工序，若左洞先行则对右洞的围岩变形影响较大，相反若右洞先行则对左洞的围岩变形影响较大。

(2)隧道中夹岩变形分析

通过隧道中夹岩水平位移曲线(图5)的对比和分析，可以获得以下结论：

图5 不同开挖工序下隧道中夹岩水平位移曲线

①对比开挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)开挖工序引起的隧道中夹岩水平位移较小，说明在相同的先行开挖条件下，采用反向开挖工序对隧道中夹岩水平位移影响最小。

②对比开挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(c)、(d)开挖工序引起的隧道中夹岩水平位移较小，说明在相同的正反方向下，采用右洞先行的开挖工序对隧道中夹岩水平位移影响最小。

③选择(d)右洞先行，反向开挖的施工工序对隧道中夹岩变形影响最小。

4.3.2隧道拱顶与地表沉降分析

通过隧道拱顶与地表沉降曲线(图6)的对比和分析，可以获得以下结论：

图6 不同开挖工序下隧道拱顶与地表沉降曲线

(1)对比开挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)开挖工序引起的隧道拱顶与地表沉降较小，说明在相同的先行开挖条件下，采用反向开挖工序对隧道拱顶与地表沉降影响最小。

(2)对比开挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)开挖工序引起的隧道左洞拱顶与地表沉降相对较小，而隧道右洞拱顶与地表沉降相对较大。

(3)优先选择反向开挖工序，若左洞先行则对右洞的拱顶与地表沉降影响较大，若右洞先行则对左洞的拱顶与地表沉降影响较大。

4.3.3隧道初期支护结构变形分析

通过隧道初期支护总变形(图7)对比与分析，可以获得以下结论：

图7 不同开挖工序下隧道初期支护总变形

(1)对比开挖工序(a)、(b)和(c)、(d)，(b)、(d)开挖工序引起的隧道初期支护总变形较小，尤其对左洞，影响最为显著，说明在相同的先行开挖条件下，采用反向开挖工序对隧道初期支护总变形影响最小。

(2)对比开挖工序(a)、(c)和(b)、(d)，(a)、(b)开挖工序引起的隧道左洞初期支护总变形相对较小，而隧道右洞初期支护总变形相对较大。

(3)优先选择反向开挖工序，若左洞先行则对右洞的初期支护总变形影响较大，若右洞先行则对左洞的初期支护总变形影响较大。

5 结语

基于均质岩土体假设，得到如下结论：

(1)浅埋偏压小净距隧道若采用中隔壁法进行开挖施工，其开挖工序应首先考虑反向开挖。根据有限元计算结果，反向开挖对隧道围岩和初期支护结构的变形、受力影响最小。

(2)对于左洞先行或右洞先行，应根据具体条件综合考虑选择。总体而言，若左洞先行则对右洞围岩变形影响较大，若右洞先行则对左洞的围岩变形影响较大。

(3)根据上述结论，笔架山隧道施工选择了“左洞先行、反向开挖”的中隔壁法开挖工序，施工过程中未发生坍塌现象，初期支护结构稳定，测量数据表明隧道拱顶与地表沉降均在控制范围内。