浅埋小净距隧道含软弱夹层段开挖变形与围岩应力分析

万桂军,刘春舵,关瑞士,黄均华,张 奇

(1.中建国际投资(贵州)有限公司，贵州 贵阳 550000；2.贵州正习高速公路投资管理有限公司,贵州 遵义 563000)

0 引言

受地形等因素的影响，工程中常采用小净距隧道结构形式[1]，在建贵州省正习高速公路设计2标段的12座隧道均采用小净距隧道。目前，国内外学者对浅埋小净距隧道的研究已取得较丰富的研究成果。Lei等[2]利用非对称荷载隧道开挖模拟试验系统，研究了小净距隧道的破坏机理及荷载特性，发现隧道围岩微裂隙的产生和发展及深埋侧浅层拉裂是隧道破坏的关键阶段。李树鹏等[3]依托某隧道的设计及施工，建立了小净距隧道三维计算模型，对其开挖过程中位移场、应力场随空间变化规律进行了分析。李松涛等[4]以某特大断面隧道为工程背景，结合围岩变形和结构受力监测数据，研究了小净距公路隧道CD法和双侧壁导坑法开挖的力学效应。在开挖浅埋隧道开挖变形方面，Yasletty等[5]运用Abaqus研究了不同埋深和地质条件下隧道开挖过程中围岩的变形特征和应力变化特征。牛林新等[6]通过理论分析、现场监测、数值模拟对比分析了浅埋隧道新奥法开挖过程中的拱顶沉降、围岩收敛和地表变形规律。夏元友等[7]基于土体不可压缩假设，结合地层沉降理论推导了浅埋隧道开挖上方土体的水平位移计算公式，并验证了公式的适用性。董鹏等[8]对浅埋隧道覆岩变形沉降研究发现，上覆层中变形的时空演化过程与岩土体物理力学性质、掌子面推进过程、初衬支护作用及水文地质条件有关。在对含软弱夹层隧道的研究方面，吴旭平等[9]采用FLAC3D对含软弱夹层浅埋隧道不同施工条件进行了三维数值模拟分析，结合围岩变形现场实测数据，分析了其围岩变形特性，建立了该类隧道围岩变形分级控制量化指标。黄锋等[10]以穿越断层带的高速公路隧道工程为背景，利用室内相似模型试验，对无支护条件下软弱夹层围岩松动区、破坏区的发展过程进行了研究。郭富利等[11]依据软弱夹层与掌子面围岩的典型组合情况，结合堡镇隧道所揭示的不同围岩室内三轴试验结果，建立了含软弱夹层围岩的力学模型，探讨了含软弱夹层围岩变形破坏的形成演化过程。

浅埋小净距隧道开挖过程中，隧道围岩的应力分布与深埋隧道有较大差异[12]。因此，王康[13]结合济南东南二环延长线隧道工程，研究了超大断面小净距隧道开挖过程中围岩的变形时空特征和荷载释放规律，并推导了超大断面小净距隧道围岩压力计算公式。腾俊洋等[14]研究了拱顶压力、水平侧应力和围岩破裂范围的变化规律，并根据小净距浅埋偏压隧道的受力特点，推导了围岩压力的计算公式。孙振宇等[15]统计分析了41座小净距隧道的围岩压力情况及围岩压力的演化特点，得到了围岩压力与隧道埋深、净距和开挖跨度之间的关系，并提出了小净距隧道围岩压力的计算方法。武松等[16]研究了大断面浅埋隧道开挖渐近破坏过程与机制，分析了开挖过程中围岩应力和位移变化规律。此外，阳军生等[17]、张军伟等[18]也对小净距、浅埋隧道的施工力学效应和围岩稳定性进行了研究。

以上研究成果对理解和进一步研究浅埋小净距隧道有一定的指导意义。但是，在大多数研究成果中，所建立的数值计算模型地表面采用水平面，与实际起伏不平的地面有较大差距。另外，关于含软弱夹层的浅埋小净距隧道的研究成果仍较少。鉴于此，本研究根据正习高速公路沙田隧道实际地形、地质特征，建立三维计算模型，分析小净距隧道含软弱夹层浅埋段的开挖变形特征与力学效应。

1 工程概况与模型建立

1.1 工程概况

正习高速公路沙田隧道地处贵州省桐梓县松坎镇茅坝村，隧道设计行车速度80 km/h，分左、右线，隧道右幅建筑与左幅建筑的限界及内轮廓对称布置，带仰拱隧道内轮廓高8.6 m，宽10.8 m，外轮廓高9.8 m，宽12.3 m。左右线横向最小净距15 m，左线起止里程为ZK78+671.5～ZK79+820，长1 148.50 m，右线起止里程为K78+680～K79+855，总长1 175 m，隧道最浅埋深约14.5 m，最大埋深97 m。隧址区地貌单元属于构造剥蚀中低山丘陵地貌，地势起伏大。

隧道位于松坎向斜南东翼，区域地层总体向北西倾。根据工程地质调绘及钻孔揭露，隧道浅埋段出露3套地层，分别为上覆第四系坡残积(Q4el+dl)粉质黏土和少量残坡积(Q4el+dl)碎石土，下伏三叠系上统须家河组(T3xj)的砂岩及页岩地层。隧道浅埋段主要以强～中风化砂岩为主，局部夹有灰黑色含炭软弱夹层及薄层的煤，钻探揭露厚度约1.2 m。围岩节理裂缝发育，完整性差，岩体无自稳能力。

隧址区覆盖层分布较少，厚度较小，地下水类型主要为基岩裂隙水，开挖时多以面状滴水为主，局部可出现线流。由于该区位于松砍向斜轴部附近，岩层倾角较陡，且局部存在小的次级褶曲及揉皱现象，层间结合差，围岩在地下水的浸润下可能产生软岩变形及拱顶离层崩塌问题。

1.2 计算模型及参数

本研究通过FLAC3D数值分析软件模拟分析浅埋小净距隧道的开挖特性，隧道开挖跨度12.3 m，高度9.8 m。模型上表面取至地表面，按地表实际起伏情况建立三维数值计算模型(图1)，模型长120 m，宽110 m。隧道左右两线横向净距15 m，模型横向边界距隧道外侧距离约为隧道开挖跨度的3倍，下边界到洞底跨度约为开挖高度的3倍。模型中软弱夹层厚1.2 m，夹层走向与隧道轴线夹角为65°，夹层倾角为70°，软弱夹层与隧道的相对关系及最浅断面位置情况如图2所示。在单元划分时，对隧道及周围岩体、软弱夹层部分采取单元加密处理，模型共337 781个单元和60 546个节点。

图2 夹层与隧道相关位置关系

鉴于本研究的计算主要侧重于小净距隧道含软弱夹层浅埋段开挖变形特征与力学效应定性规律的探索与分析，因此，不同地层岩土体力学参数主要参考实际工程地质勘查报告，并参考现行公路隧道设计规范提供的岩土体力学参数综合选取。由于隧道二次衬砌施作较晚，故在模拟过程中不考虑二衬的作用。隧道初期支护中喷射混凝土采用C20湿喷混凝土，厚度为20 cm，锚杆型号为φ25 mm，长度为3 m，间距1.5 m×1.5 m，钢拱架采用I18工字钢，间距50 cm。开挖模拟中锚杆和钢架的支护作用通过提高锚杆作用范围内岩土体弹性模量的方法来等效实现[19-20]。

锚固后围岩的弹性模量受围岩本身和锚杆弹性模量的共同影响。因此，锚固后的围岩的弹性模量可表示为：

(1)

式中，E′为锚固后的围岩弹性模量；E为围岩弹性模量；E1为锚杆弹性模量；S1为锚杆排距；为锚杆环向间距；r为锚杆半径。

钢架与喷射混凝土支护后的等效混凝土弹性模量为：

(2)

最后，依据各项同性假设，支护后锚杆作用范围内围岩的等效弹性模量为：

(3)

最后根据勘查资料和现行公路隧道设计规范，结合式(1)～(3)确定围岩物理力学参数，如表1所示。

表1 围岩物理力学参数

1.3 计算工况

隧道开挖过程按实际施工情况模拟，隧道从出口端向进口端方向开挖，其中右线为先行洞，左线为后行洞，先行洞和后行洞掌子面纵向间距为25 m，采用台阶法开挖，上台阶高6.5 m，下台阶高3.3 m，上下台阶间隔15 m。开挖先行洞最浅段前，先行洞掌子面距最浅里程处1.5 m，开挖进尺为 3 m。由于本研究的重点是探讨当先行洞开挖通过最浅断面时围岩的变形情况，和后行洞开挖通过最浅断面时对先行洞在最浅断面处围岩的影响，因此，以埋深最浅段的开挖情况确定施工阶段，模拟中按施工阶段分步计算，各阶段均为开挖后初支完成后，围岩参数按等效参数选取，各阶段掌子面位置如图2所示，各施工阶段如下。

施工阶段Ⅰ：先行洞开挖至距最浅断面1.5 m处，后行洞开挖至距先行洞掌子面25 m处。

施工阶段Ⅱ：先行洞、后行洞各开挖3 m。

施工阶段Ⅲ：先行洞、后行洞各开挖25 m，后行洞穿过最浅断面。

模拟计算以纵向测线的方式监测先行洞围岩沉降变形和水平位移，各纵向测线与断面交点位置如图3所示。

图3 测线与隧道断面交点位置(单位：m)

2 数值计算结果分析分析

2.1 围岩收敛变形分析

隧道开挖围岩的变形具有明显的时空效应。提取各施工阶段中不同监测断面A～G监测线的变形数据，以此分析小净距含软弱夹层浅埋隧道开挖先行洞围岩变形的时空规律。

2.1.1 沉降分析

图4为3个阶段开挖后A～G测线的沉降位移曲线，坐标上部为隧道右侧测线沉降曲线，下半部为拱顶及左测的沉降曲线。通过分析得出如下结论：

(1)随着掌子面的推进，隧道围岩沉降变形持续增加，先行洞在距掌子面约15 m(1.25倍洞径)后沉降量趋于稳定，隧道拱顶沉降最大，沉降量随测线高度的增加而增大。

(2)对比图4(a)～(c)可发现，阶段Ⅱ开挖完成后，先行洞掌子面前方预沉降量增加约5%～22%，离掌子面越近增加幅度越大。掌子面后方已开挖部分增幅为1%～8%，同样离掌子面越近增加幅度越大。在开挖进尺范围(3 m)内的围岩沉降量增幅为27%～52%，其中软弱夹层部分增幅最大，达到46%～52%。阶段Ⅲ开挖完成后，软弱夹层部分沉降量增加10%左右，夹层周围强～中风化岩的沉降量约增加1倍。

(3)对比图4(a)～(c)可见，隧道开挖后软弱夹层部位沉降量明显大于周围强～中风化岩的沉降量，最大达到110 mm，约为强～中风化岩的1.9～2.8倍，且沉降发生突变的围岩厚度大于软弱夹层的厚度，形成一个挤出带，说明软弱夹层的存在会影响周围围岩的沉降变形，影响范围约为软弱夹层厚度的3.5～4.8倍，其中拱顶影响范围最大。

图4 先行洞各测线沉降位移曲线

2.1.2 水平位移分析

图5为3个阶段开挖后先行洞A～G测线的水平位移曲线，图中规定向掌子面右侧方向位移为正，通常隧道开挖后围岩向洞内收敛，因此在水平位移曲线中，位于掌子面左侧点位移一般为正，右侧点位移为负值，通过分析得到如下结论。

图5 先行洞各测线水平位移曲线

(1)隧道开挖各个阶段总体上水平位移量随测线高度的增大而减小，拱顶水平位移量最小，隧道右侧(中夹岩墙一侧)的水平位移大于隧道左侧。随着掌子面的推进，隧道围岩水平方向位移持续增加，当距离掌子面1.35倍洞径时，围岩的水平位移趋于稳定，说明隧道围岩的水平方向的变形稳定要早于竖直方向。

(2)对比图5(a)～(c)可见，阶段Ⅱ开挖完成后，掌子面前方水平预变形量增加32.5%～41.8%，与预沉降相反，其离掌子面越远增幅越大；隧道右侧软弱夹层水平位移增加明显，最大达到52.4 mm，增加43.2 mm，隧道右侧软弱夹层区水平位移则基本未增加。

(3)对比图5(a)和图5 (c)发现，后行洞开挖后，隧道右侧软弱夹层的水平位移基本未增加，说明隧道的开挖对已开挖软弱夹层部分的水平位移影响很小。阶段Ⅲ开挖完成后，隧道右侧底部水平位移变化最大，最终形成随测线高度的增大而减小的分布规律。

(4)对比图5(a)～(c)可见，隧道开挖后软弱夹层部位水平位移量明显大于周围强-中风化岩的水平位移量，最大达到97.5 mm，约为强-中风化岩的3.4～3.8倍，软弱夹层对围岩水平位移的影响范围约为其厚度的2.9～3.4倍，其影响范围小于对竖直方向上的影响范围。

2.2 地表沉降变形分析

模拟中监测最浅断面地表横向沉降位移和先行洞隧道中线断面地表面相交线纵向沉降位移，其沉降曲线如图6、图7所示。

图6 各阶段最浅断面地表横向沉降曲线

图7 各阶段隧道中线与地表面相交线沉降曲线

由图6可见，由于隧道开挖最浅断面地表横向沉降总体呈W形，受软弱夹层的影响，左线最大沉降处偏向隧道右侧。各个阶段右线上方的地表沉降均小于左线，其比例分别为83.48%，78.63%，91.92%，主要原因为左线埋深浅于右线，约为右线的66%，且左线断面含有软弱夹层。阶段Ⅲ开挖后，左右两线地表沉降均大幅增加，左线增加量占总沉降的58.8%，右线增加量占总沉降量的60.6%，主要原因为：由于左右两线掌子面均穿过最浅断面处，掌子面的虚拟支撑作用减弱或消失。

由图7可见，阶段Ⅰ、阶段Ⅱ开挖完成后，掌子面前方地表同样存在预沉降，对比图4(a)和图4(c)，其地表预沉降值约为掌子面前方拱顶预沉降值的84%～97%。对比阶段Ⅰ～Ⅲ曲线可知，地表预沉降值约为最终总沉降值的25%～35%；同时，由于掌子面的推进，掌子面后方地表沉降持续增加，最终当监测点距掌子面超过1.5倍洞宽后，随掌子面的半圆穹约束作用的消失地表沉降趋于稳定。

2.3 围岩应力分析

在掌子面推进过程中，不同部位围岩的应力演化存在较大差异，提取隧道开挖各阶段最浅断面特征点及中夹岩墙的最大、最小主应力，分析其随掌子面推进的演化规律，其值如表2、表3所示。

表2 先行洞最浅断面特征部位最小主应力(单位：kPa)

表3 先行洞最浅断面特征部位最大主应力(单位：kPa)

通过分析表2、表3可得如下结论：

(1)隧道开挖后围岩应力重分布，隧道拱顶应力释放，最大主应力和最小主应力均大幅减小，最小主应力由149.1 kPa减小到2.01 kPa，最大主应力由433.211 kPa减小到257.431 kPa。

(2)中夹岩墙部分应力集中明显，最大主应力和最小主应力均显著增大，最小主应力由164.18 kPa增大到278.91 kPa，最大主应力由806.11 kPa增大到1 137.36 kPa。

(3)拱腰和拱脚处的最大、最小主应力均呈隧道右侧大于左测的规律。开挖过程中，拱腰和拱脚处最大主应力减小，最终左拱腰减小76.25%，右拱腰减小57.20%，左拱脚减小50.26%，右拱脚减小46.52%，拱腰降幅大于拱脚，隧道左侧大于右侧。

(4)拱腰和拱脚处的最小主应力都明显增大，最终左拱腰增大15.14%，右拱腰增大28.70%，左拱脚增大59.61%，右拱脚增大61.88%。可见，拱脚增幅大于拱腰，隧道右侧大于左侧。相应地，由于最大主应力的减小和最小主应力的增大，围岩的切应力增大，最终在拱腰和拱脚处形成应力集中，隧道右拱脚应力集中最显著。

3 结论

通过FLAC3D模拟了含软弱夹层小净距浅埋隧道的开挖，分析了隧道开挖过程中围岩和地表的变形规律及围岩应力的变化特征，得到如下主要结论：

(1)隧道开挖后，掌子面前方未开挖土体存在明显的预沉降，其值随到掌子面距离的增大而减小。在开挖进尺范围内的围岩沉降量增幅为27%～52%，其中软弱夹层部分增幅最大，达到46%～52%，软弱夹层的存在会影响周围围岩的沉降变形，影响范围约为软弱夹层厚度的3.5～4.8倍，其中拱顶影响范围最大，拱脚最小。后行洞的开挖对软弱夹层周围围岩的沉降影响大于对软弱夹层的影响。

(2)隧道开挖后水平位移量随测线高度的增大而减小，拱顶水平位移量最小，水平方向的变形稳定要早于竖直方向。隧道的开挖对已开挖的软弱夹层部分的水平位移影响很小，软弱夹层对围岩水平位移的影响范围约为其厚度的2.9～3.4倍，其影响范围小于对竖直方向上的影响范围。

(3)隧道开挖后，拱顶应力释放，最大主应力和最小主应力均大幅减小，中夹岩墙部分应力集中明显，最大主应力和最小主应力均显著增大。拱腰处最大主应力降幅大于拱脚，隧道左侧大于右侧，拱脚处最小主应力增幅大于拱腰，隧道右侧大于左侧，拱腰和拱脚处形成剪应力集中，隧道右拱脚应力集中最显著。