浅埋偏压小净距隧道进洞施工方案优化研究

毕志刚，王 凯，王仪宇，梁 斌

(1.中铁十五局集团第一工程有限公司，陕西 西安 710018；2.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

随着我国公路交通建设的迅速发展，小净距隧道在偏远山区得到了广泛应用[1]。小净距隧道一般是指隧道选线时受到地形地貌限制，相邻两隧道之间净距最小值不能满足规范设计要求的新型隧道布置形式，采用这种结构形式有利于控制造价、降低施工风险、方便施工，因此受到业界广泛关注[2-3]。针对小净距隧道施工方案优化问题，众多学者采用理论分析结合数值计算的方法，取得了一些研究成果[4-5]。杨小礼等[6]建立了采用双侧壁法开挖时的浅埋小净距偏压公路隧道数值模型，对比分析了3种不同方案下的围岩力学特性，提出了隧道开挖时的合理开挖顺序。龚建伍等[7]采用有限元方法，对隧道动态施工过程进行数值模拟，对比分析了3种不同施工方案下的应力场和位移场，并结合隧道围岩实际情况，最终选择双侧壁导坑法进行施工。张学富等[8]以隧道围岩等级为Ⅳ级的南山隧道为背景，采用数值模拟的方法对不同开挖方案进行优化、比选，最终选出适合隧道洞口偏压段的施工方案，并与现场监测数据进行对比验证。侯福金等[9]依托大岭隧道工程，采用数值模拟结合现场监控量测的方法分析了不同工法下的施工力学特性，最终选出半步CD法为适合该工程的最优工法，通过现场实践验证了半步CD法具有良好的工程效益。李建林等[10]利用有限元软件对3种不同工法下Ⅳ级围岩小净距段的动态施工过程进行模拟和分析，得到了不同工法下围岩和支护的变形及力学特性。戴俊等[11]运用ANSYS有限元软件分析了不同开挖方法引起的围岩应力云图，确定了先行洞和后行洞的合理施工方案。马敬夫[12]以福州绕城项目大断面、小净距隧道为工程背景，建立3种不同工法开挖下的三维数值模型，通过对比分析围岩变形和应力，对施工方案进行了优化比选。

本文以福建省三明市莆炎高速公路布盂隧道工程为依托，运用MIDAS GTS NX有限元软件建立双侧壁导坑法、中隔壁法、三台阶法3种施工方案的数值模型，旨在选出适合本项目施工的最优方案，可为类似小净距隧道设计和施工提供参考。

1 工程概况

布盂隧道位于福建省三明市境内，为上下行分离式双向六车道隧道，左右线进出口均采用端墙式洞门。左线设计里程桩号Z3K196+298～Z3K197+290，全长992 m，左洞纵坡为1.747%；右线设计里程桩号K196+225～K197+304，全长1 079 m，右洞纵坡为1.7%。开挖高度11.6 m，宽度17.2 m，进口线间距18 m，出口线间距20 m，最大埋深126 m。

隧址区属构造剥蚀丘陵地貌，山体自然坡度为30°～50°，覆盖层较厚，植被发育，隧道地面标高为300～460 m，相对高差约40～110 m。隧道洞口小净距段上覆薄层粉质黏土，围岩等级为V级，主要为砂质黏性土及全～强风化花岗岩，强风化带岩层破碎，节理裂隙发育，岩体破碎呈散体状结构，稳定性差。洞口小净距段开挖时对围岩产生扰动，不当的施工方案容易造成塌方、山体滑坡等工程事故。因此，选择合适的进洞施工方案尤为重要。

2 软弱围岩卸荷及变形机理

隧道开挖破坏了围岩原有地应力平衡，在地应力作用下围岩内各质点消除阻力沿最短距离向自由面移动，引起应力重分布直到再次平衡，形成“二次应力场”。隧道开挖一般通过围岩卸荷实现，从而导致围岩应力场和位移场变化。目前隧道开挖模拟基本思想是开挖卸荷模拟方法，即在已知初始应力作用下，沿预定开挖线开挖的方法，此方法更加接近工程实际开挖形成的位移场[13]。

隧道开挖过程中由于围岩卸荷，原始地应力逐步释放，围岩岩体应力进行重分布，隧道支护结构承受的上部围岩荷载不断调整，直到围岩与支护结构达到稳定，此时围岩荷载释放结束。隧道围岩应力重分布是一个随时间变化且围岩完成弹性形变的缓慢过程。文献[14]提出荷载释放是一个较为平缓的过程，在围岩荷载释放过程中为保证围岩稳定性应避免产生较大荷载释放突变点，隧道施工过程中施工工法和支护措施的选择都是影响围岩卸荷演化规律的重要因素。

隧道未开挖时，待开挖岩体受到围岩约束，随着隧道开挖围岩卸荷，其周围岩体地应力荷载无法迅速得以释放，使得周边围岩与未开挖岩体受力变形有较大区别。软弱围岩破坏一般经历“松弛”到“离散”的转变，所谓“松弛”是指周围岩体经历应力重分布仍保持连续介质特性，未脱离原有地应力的阶段，此时岩体仅产生弹性变形；“离散”是指周围岩体脱离原有地应力成为离散体在重力作用下自由塌落的阶段[15]。为保证隧道施工安全，隧道洞室开挖后应将周围岩体控制在“松弛”阶段。研究结果表明，隧道不同开挖方法对围岩卸荷过程及围岩变形特征有重大影响。

3 数值模型建立

图1 计算模型

3.1 模型建立及参数选取

依托实际工程建立洞口小净距隧道段三维有限元模型，为保证求解精确度，需要选择合理的模型尺寸，根据圣维南原理，本文计算模型范围选取为：在水平方向(X轴)，左右边界到隧道洞口距离各取3倍开挖洞径；在垂直方向(Z轴)，上边界至地表，下边界距隧道洞底距离取40 m；在纵深方向(Y轴)，开挖深度取为50 m，隧道开挖以5 m为一个循环进尺[16]。以中隔壁法为例，计算模型如图1所示。

在建模分析时，围岩采用摩尔-库伦本构模型，采用三维实体单元进行模拟，围岩应力仅考虑自重；锚杆采用线弹性材料、植入式桁架单元进行模拟；初期支护考虑喷射混凝土和钢拱架组合作用进行模拟[17]。围岩及支护结构有限元参数如表1所示。

表1 围岩及支护物理力学参数

3.2 隧道开挖计算方案

(a)中隔壁法

(b)双侧壁法

(c)三台阶法

为满足工程安全快速经济施工的要求，结合设计文件及工程实际提出以下3种施工方案：双侧壁导坑法(以下简称双侧壁法)、中隔壁法和三台阶法，施工工序如图2所示。隧道右洞先行开挖，左洞后行开挖，中隔壁法开挖左右洞对称位置导坑掌子面间距45 m，同一层两部分导坑掌子面间距10 m，上下层两部分导坑掌子面间距20 m；采用双侧壁法开挖时，1～5部分导坑按顺序先后进行开挖，各部分导坑掌子面之间依次相距10 m；采用三台阶法开挖时，上、中、下台阶掌子面相互间距10 m，左右洞掌子面间距30 m。

通过有限元软件内置“钝化”和“激活”程序实现隧道开挖和初期支护的施作，通过“钝化”围岩单元实现隧道开挖，“激活”锚杆、初期支护和中隔墙单元实现隧道支护，通过施工阶段增量确定支护施作时机，中隔壁法与双侧壁法中隔壁随初期支护一同施作，待初期支护强度增长到一定程度时及时拆除中隔墙。

(a)中隔壁法

(b)双侧壁法

(c)三台阶法

4 数值计算结果分析

4.1 围岩变形分析

4.1.1 地表沉降分析

不同施工方案下地表沉降随开挖步序变化的曲线如图3所示，其中中隔壁法开挖包括步骤1～26，双侧壁法开挖包括步骤1～29，三台阶法开挖包括步骤1～22。由图3可知：不同开挖方法施工引起的地表沉降规律基本一致，深埋侧右洞先行开挖后，右洞上方土体沉降量迅速增大，地表沉降曲线整体呈现中间大、两端小的V形；左洞上覆土体埋深浅，左洞后行开挖后，左洞上方土体先产生轻微隆起，后随着掌子面不断推进，地表沉降迅速增大，地表沉降曲线呈现非对称的W形。在隧道开挖引起的卸荷及偏压的共同作用下，深埋侧地表沉降远大于浅埋侧，且左右洞地表沉降最大值出现在右拱肩上方土体位置。

中隔壁法和双侧壁法由于开挖跨度小，且有中隔墙作为临时支撑，左右洞地表沉降明显小于三台阶法开挖，中隔壁法开挖支护稳定后，左右洞上方地表沉降值分别为5.29 mm和14.10 mm；双侧壁法为3.29 mm和10.94 mm。三台阶法上台阶开挖完毕后，隧道顶部完全暴露出来，使得隧道上方土体沉降速率远大于中隔壁法和双侧壁法，三台阶法开挖支护稳定后左右洞地表沉降值分别为7.89 mm和17.40 mm。以双侧壁法开挖引起的右洞上方最大地表沉降为基准，中隔壁法开挖引起的最大地表沉降值仅比双侧壁法大28.88%，而三台阶法则高达59.05%，说明在控制地表沉降方面双侧壁法和中隔壁法效果较好。

4.1.2 拱顶沉降分析

为减小边界效应影响，以沿洞轴向开挖深度20 m断面为目标断面，隧道右洞拱顶沉降随隧道开挖深度增大的曲线如图4所示，左洞拱顶沉降曲线变化趋势与右洞基本相同。引入位移释放系数λ(λ=(拱顶竖向位移/拱顶竖向位移最大值)×100%)作为拱顶竖向位移释放量大小的评判指标，右洞拱顶位移释放系数曲线如图5所示。

图4 右洞拱顶沉降曲线

图5 右洞拱顶位移释放曲线

由图4和图5可知：3种工法右洞拱顶沉降随开挖深度变化的趋势基本相同，整体呈现先缓慢增长后急剧增大最后趋于平稳的趋势。三台阶法工况下，开挖深度为0～25 m时，右洞拱顶竖向位移释放量高达85%，在此阶段采用中隔壁法和双侧壁法开挖，右洞拱顶竖向位移释放量仅为65%和45%，表明采用三台阶法进行开挖对围岩扰动较大，不利于隧道进洞施工。

对比图4中右洞拱顶沉降变化曲线可知：双侧壁法开挖过程中右洞拱顶累计沉降值最小，为17.85 mm；其次为中隔壁法，右洞拱顶累计沉降值为19.84 mm，较双侧壁法增加了1.99 mm，增加了11.15%；三台阶法开挖右洞拱顶累计沉降值最大，为23.97 mm，较双侧壁法增大了34.29%。从数值分析结果可以看出，中隔壁法对于拱顶沉降的控制作用介于双侧壁法和三台阶法之间，前两种工法对于拱顶沉降控制效果相差不大。

4.1.3 围岩变形分布特征

小净距隧道在偏压作用下竖向位移呈现不对称现象，隧道开挖主要对深埋侧围岩影响较大，深埋侧土体产生斜向下滑移趋势，易造成山体滑坡等工程事故。中隔壁法开挖支护稳定后围岩变形云图如图6所示。

由图6可知：在中隔壁法开挖工况下，隧道围岩竖向变形最大值主要集中在拱顶和拱底位置；水平变形最大值主要集中在左右洞拱腰、边墙和墙角处，该区域甚至出现了贯通区，严重影响围岩的稳定性，这是由于在地形偏压和隧道开挖引起的二次扰动影响下，隧道围岩向临空面偏移，加剧了偏压效应，使得水平位移发生变化，隧道施工过程中应对变形较大位置加强监测。

4.2 围岩应力分析

4.2.1 围岩应力分布特征

采用中隔壁法开挖完成后隧道最大、最小主应力云图如图7所示。由图7可知：隧道开挖稳定后围岩应力分布明显呈现偏压状态，且隧道围岩深埋侧最大、最小主应力明显高于浅埋侧，分析其原因，这是由于地形偏压和隧道开挖后应力重分布造成的。双洞贯通后，应力集中部位主要集中在隧道拱顶、仰拱和边墙区域，在隧道施工过程中，支护结构应及时封闭成环，避免对围岩产生较大影响。

4.2.2 特征点应力分析

(a)中隔壁法

(b)双侧壁法

(c)三台阶法

为直观地分析浅埋偏压隧道围岩应力随开挖步序增大的变化过程，分别选取左右洞拱顶、左拱腰和右拱腰作为特征点，不同开挖方法特征点主应力变化曲线如图8所示。由图8可知：右洞左拱腰和右拱腰部位应力变化最明显，其次是左洞左拱腰和右拱腰，左洞拱顶和右洞拱顶应力变化最小。左右洞在相应阶段开挖后，特征点应力值不断增大，由于右洞埋深较左洞大，右洞特征部位应力值普遍大于左洞特征点，值得注意的是，采用三台阶法开挖右洞后，右洞左拱腰和右拱腰在第2阶段产生突变，左洞开挖后左洞右拱腰在第8阶段产生突变，后随着掌子面不断推进，应力值减小并趋于稳定，可见采用三台阶法进行开挖易出现较大应力突变，不利于V级软弱围岩洞口段施工。对比三种工法开挖稳定后特征部位应力值可知，左洞拱顶和右洞拱顶应力值3种开挖方法相差不大，采用双侧壁法施工双洞两侧拱腰应力变化最小，中隔壁法次之，三台阶法最大。

4.3 围岩塑性区分布

围岩稳定是隧道安全施工的重要保障，而围岩塑性区分布大小又是围岩稳定的重要体现。在隧道开挖过程中，随着开挖面不断增大，对围岩扰动就越大，其稳定性相应降低。当局部围岩应力超过其屈服强度进入塑性阶段时，容易发生塑性破坏。不同施工方案下围岩塑性区分布如图9所示。

由图9可知：3种开挖方法围岩塑性区分布存在一定共性，表现为右洞主要分布在两侧拱腰、拱脚一定区域，左洞则分布在右侧拱脚一定区域。由于偏压作用，左洞右侧拱脚部位因过大应力集中产生一定塑性破坏范围。从围岩塑性区分布来看，双侧壁法塑性区分布最小，中隔壁法次之，三台阶法塑性区分布最广。这是由于双侧壁法和中隔壁法开挖时利用中隔墙作为临时支撑，减小了一次性开挖跨度和开挖面积，且支护结构与中隔墙能够及时封闭成环，更好地控制了围岩变形。采用三台阶法进行开挖，围岩最大塑性应变值为1.04×10-2，中隔壁法开挖后为8.52×10-3，双侧壁法为6.56×10-3，中隔壁法和双侧壁法均优于三台阶法。由数值模拟结果分析可知，在隧道施工时应加强隧道拱腰及拱脚范围的支护和监测，时刻关注围岩变形情况。

(a)中隔壁法 (b)双侧壁法 (c)三台阶法

4.4 中间岩柱水平位移分析

图10 中间岩柱水平位移曲线

小净距隧道施工重点监测部位是中间岩柱，而水平收敛又是施工监控量测的主要项目之一，因此分析中间岩柱的水平位移十分关键。选取中间岩柱左右拱腰水平连线作为测线分析中间岩柱水平位移，所得结果如图10所示，图10中正值位移向右，负值位移向左。

由图10可知：3种工法施工引起的中间岩柱水平位移规律基本一致，岩柱左侧向左洞净空面产生向左位移，岩柱右侧向右洞净空面产生向右位移，在地形偏压作用下，岩柱中部表现出左移趋势且岩柱右侧水平位移值较左侧大。对比3种工法开挖在中间岩柱引起的水平位移，双侧壁法最小，中隔壁法次之，三台阶法最大。中隔壁法开挖引起的中间岩柱左、右侧水平位移较双侧壁法分别大1.90 mm、2.65 mm，而三台阶法中间岩柱左、右侧水平位移较双侧壁法分别大5.16 mm、8.15 mm，由数值计算结果可知，双侧壁法和中隔壁法在控制中间岩柱水平位移方面能起到较好的作用。

5 施工方案选取及监测结果分析

5.1 施工方案的选取

从施工围岩力学特性角度来看，3种施工方案均可用于本项目，其中双侧壁法和中隔壁法应用效果较好，但整体上二者差别并不明显，前者优于后者。从施工组织角度来看，双侧壁法各分部开挖面小，各工序间相互影响较大，进度缓慢；中隔壁法工作面稍大，有利于快速施工，且中隔壁法较双侧壁法能更好地控制成本；三台阶法开挖工作面大，有利于提高机械施工的效率，降低成本和缩短工期，但该工程为浅埋小净距隧道，且围岩等级为V级，隧道开挖易产生围岩变形过大等问题。综合考虑力学、施工安全、经济和工期等因素并结合工程地质条件，选择中隔壁法为该工程浅埋偏压洞口小净距段最优施工方案。

5.2 监测结果分析

布盂隧道洞口小净距段采用中隔壁法进行施工，施工过程中重点对拱顶沉降和地表沉降进行监测，每5 m布置一个监测断面，监测频率1次/d，选取K296+308断面拱顶和地表监测数据进行分析，测点布置如图11所示。拱顶沉降时程曲线如图12所示。选取地表测点3和测点7作为地表沉降监测点，所得地表沉降曲线如图13所示。

图11 拱顶和地表沉降监测点布置

图12 拱顶沉降曲线

图13 地表沉降曲线

由图12可知：隧道开挖6 d内，拱顶沉降迅速发展，持续开挖到25 d后基本达到稳定，拱顶最大沉降值为17.09 mm，数值计算所得拱顶沉降最大值为19.84 mm，大于现场监测值，分析其原因，由于对测点进行测量时开挖已经完成，部分围岩变形未被监测到，造成现场实测值小于数值计算值。由图13可知：隧道开挖后，地表沉降迅速增长，持续开挖到27 d后基本达到稳定，测点3和测点7最大地表沉降值分别为4.17 mm和14.10 mm，数值计算值为5.08 mm和13.76 mm，数值计算值略大于现场监测值，但基本保持一致。由数据分析可知，数值计算结果与现场监测结果基本吻合，表明中隔壁法在现场施工中具有一定可行性。中隔壁法在莆炎高速公路布盂隧道现场施工中成功运用，顺利完成了洞口浅埋偏压小净距段施工，有效缩短了施工工期，提高了项目的综合经济效益。

6 结论

(1)围岩竖向变形过大区域主要集中在拱顶和仰拱处，水平变形过大区域主要集中在拱腰、边墙和墙角处，施工过程中应对变形较大区域加强监控。采用中隔壁法、双侧壁法以及三台阶法3种工法进洞施工引起的地表沉降随水平位移改变的变化趋势以及右洞拱顶沉降变化趋势基本相同，但采用三台阶法开挖时，隧道开挖前期地表和拱顶沉降速率过快且在靠近洞口段25 m处拱顶竖向位移释放量过大，不利于进洞施工。对于围岩变形控制，中隔壁法和双侧壁法控制效果较好，三台阶法较差。

(2)3种工法开挖后围岩应力分布特征明显呈偏压状态，应力集中区域主要分布在拱顶、仰拱以及边墙处。由特征点应力变化曲线可知，采用三台阶法开挖左右洞前期拱腰处特征点产生了应力突变，不利于进洞施工，而双侧壁法开挖时特征点应力变化较小且更平缓，中隔壁法与双侧壁法应力曲线变化趋势相同且应力值相差不大。

(3)隧道开挖稳定后围岩塑性区主要集中在右洞两侧拱腰和拱脚以及左洞右侧拱脚一定区域；中间岩柱水平位移表现出岩柱左侧和右侧分别向隧道左右洞净空面移动趋势，在地形偏压作用下，岩柱中部表现出左移趋势，但位移量较小。在围岩塑性区和中间岩柱水平位移控制方面，双侧壁法最优，其次是中隔壁法，三台阶法最为不利，前两者相差不大。

(4)对比双侧壁法和中隔壁法两种工法，尽管双侧壁法在数值模拟分析中存在一定优势，但其开挖面小、工序繁杂、工期长以及成本控制效果差等缺点较为显著。结合工程地质条件并综合考虑力学、工期、经济、施工安全等因素确定中隔壁法为该工程最优施工方案。

(5)通过对比模拟结果和现场实测结果可知，两者结果基本吻合，模拟结果可为现场施工起到一定指导作用，现场采用中隔壁法施工切实可行，可为同类工程设计和施工提供一定的借鉴。