双侧壁导坑法不同开挖顺序对隧道施工期稳定性的影响

2022-10-28黄柳云韦思达刘宗辉

广西科技大学学报 2022年4期

黄柳云，韦思达，李俊，刘宗辉

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；2.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004）

0 引言

我国西部地区山岭众多，地质、地形条件复杂，隧道的修建往往需要面临断面跨径大、埋深浅、间距小等问题，并且存在偏压现象，在建设过程中存在一定难度与风险。而双侧壁导坑法可以减小单次开挖面积，使隧道整体受力更为合理，有效控制了支护结构的变形量，但开挖步骤较多，增加了对围岩的扰动次数，加之围岩较为软弱松散，受偏压影响程度较大，不合理的开挖顺序易引发地表塌陷及掌子面坍塌等工程事故。因此，选择合理的开挖顺序，对隧道施工期的安全及进度控制有着重要作用。

目前，针对双侧壁导坑法不同开挖顺序对隧道施工期稳定性的影响，各学者主要通过数值模拟、现场监控量测与经验分析相结合的方法进行研究，部分成果已应用到了隧道设计、施工中，并且得到了良好的反馈效果。柳墩利分析浅埋偏压隧道在2 种开挖顺序下围岩及支护结构的位移变化特征，认为先开挖浅埋侧隧道侧导洞安全性更高，且模拟结果与现场监测数据基本吻合；而杨小礼等则重点分析3 种不同开挖顺序对小净距偏压隧道围岩位移、应力、塑性区的影响程度，得出了相反的结论。Sharifzadeh 等通过建立三维有限元模型，分析了6 种开挖顺序下浅埋隧道围岩的稳定性，认为先开挖隧道侧导洞可有效减少拱顶、地表沉降量，而Li 等认为先开挖隧道上台阶可以加快施工的推进速度，有利于各导洞掌子面保持一定的开挖错距。综上所述，不同隧道所处的地质、地形条件不同，开挖断面划分方式不同，选用的施工工艺也有所差异，加之评价角度不同，目前在不同开挖顺序对隧道施工期安全性问题的讨论上出现了不同的研究结论，说明了隧道合理开挖顺序的选择仍处于探索阶段，没有系统完善的研究理论，即实际隧道工程合理开挖顺序的选择还有待商榷。

鉴于此，依托柳州市某隧道项目，运用ABAQUS 软件模拟不同开挖顺序下围岩的应力、位移变化，重点比较双侧壁导坑法不同开挖顺序对隧道拱侧墙处偏压比及各部位围岩变形量的影响程度，结合现场施工经验及监控量测结果，优选出该隧道的合理开挖顺序，所得结论对特大断面浅埋小净距隧道的设计及施工有一定的借鉴价值。

1 依托的隧道工程概况

隧道项目位于柳州市某生活区，隧道埋深5～45 m，净距16～23 m，最大开挖跨度及高度分别为19.50 m、13.06 m，地表坡度15°～30°。结合地质勘查报告资料及超前地质预报探测报告，隧道主要穿越构造剥蚀丘陵地貌，洞身段主要处于断层破碎带，围岩以强—中风化泥质粉砂岩夹红褐色黏土、碎石为主，碎石土厚度在47.50～61.30 m，碎石粒径一般为5～20 mm，质量分数为3%～40%，成份杂乱，无明显分层节理，岩土体较破碎，掌子面干燥，围岩自稳能力差，容易出现掉块现象，围岩等级属于Ⅴ级。

2 模型的建立与开挖方案的设计

2.1 模型信息

通过ABAQUS有限元软件建立某隧道二维数值模型，模型宽度取180.00 m，左边界高度为73.45 m，右边界高度为90.47 m，最大高度为101.80 m，隧道底拱中心处距离底部边界60.00 m，先行、后行隧道顶部分别距离地表26.55 m、20.08 m。由于对支护结构进行混凝土喷射，支护结构表面粗糙，与围岩之间咬合紧密，界面力较大，因此，接触类型选择绑定约束，进行力学计算约束数值模型左右两侧边界水平方向以及底部竖直方向的位移。顶面设置为自由边界条件，为简略的自然地形，整个模型一共有5 936 个单元，6 940 个结点。围岩采用Mohr-Column 本构关系，支护结构采用线弹性本构关系，围岩单元选用CPE4（四节点平面应变单元），支护结构单元选用CPE4（I四节点平面应变非协调元），锚杆的锚固效果则是通过提高作用区域内围岩的弹性模量、黏聚力、内摩擦角参数强度来实现。开挖方式选择软化模量：①施加重力场，移除支护结构单元，计算初始地应力，再通过导入初始地应力ODB 文件进行地应力平衡；②在每个施工步中设置3 个分析步，首先将待开挖区域内土体弹性模量衰减40%，然后激活对应支护结构单元，最后移除开挖区域内土体单元并提高锚杆作用区域内围岩参数强度15%。有限元计算模型信息如图1、图2所示。

图1 隧道衬砌结构图（单位：m）

图2 ABAQUS二维数值计算模型（单位：m）

2.2 模型参数的选取

根据某隧道的地质勘察报告资料与超前地质勘查报告，并结合《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）及文献[14，20-21]的经验计算公式，拟定隧道围岩及支护结构材料的各项物理、力学参数如表1所示。

表1 数值计算采用的物理、力学指标

2.3 开挖方案的设计

由于隧道属于特大断面浅埋小净距隧道，且目标段内围岩类别均为Ⅴ级，整体稳定性较差，结合目前大部分学者已有的研究结论，普遍将双侧壁导坑法作为该类隧道的推荐施工方法，则隧道暗洞采用新奥法施工，先做超前支护，再采用双侧壁导坑加临时仰拱法进行开挖。通过对隧址区地形的勘察，洞身段整体呈B 线隧道埋深较A 线隧道更深的趋势，同时，2 条隧道内侧导洞埋深均比外侧导洞更深。根据文献[8]所得结论，针对小净距偏压隧道先开挖埋深较深一侧隧道更为合理，则本文将B 线隧道作为先行隧道，A 线隧道作为后行隧道。因此，工程前期针对该地质情况，选取洞身段AK5+570、BK5+560 作为研究目标断面（为中风化泥质粉砂岩与断层破碎带过渡段），设计了4 种开挖工序，以探究不同开挖顺序对特大断面浅埋小净距隧道围岩以及支护结构稳定性的影响。

为避免中导洞单次开挖面积过大，土体卸荷过快，导致支护结构应力增长过快，同时，方便现场工人安装钢拱架以及喷射混凝土，将中导洞核心土分成3个开挖区域，则隧道开挖顺序设计方案如图3所示。完成2条隧道的开挖工作，需要14个施工步骤，对应的4个工序如表2所示。

图3 隧道开挖顺序设计方案

表2 某隧道双侧壁导坑法开挖顺序的设计

方案一计算过程：初始地应力平衡—依次开挖侧导洞上下台阶并施作初期支护与临时支撑—开挖中导洞上下台阶并施作初期支护—闭合成环。遵循先开挖侧导洞后开挖中导洞的原则。

方案二计算过程：初始地应力平衡—依次开挖侧导洞、中导洞的上台阶并施作初期支护与临时支撑—依次开挖侧导洞、中导洞的下台阶并施作初期支护与临时支撑—闭合成环。遵循先开挖上台阶、后开挖下台阶的原则。

3 数值模拟计算结果分析

3.1 洞周围岩应力及偏压比分析

4个工序下隧道洞周围岩的应力分布及大小并无明显差异，则选取工序1、工序3 隧道洞周围岩应力（图4）进行分析。由于净距较小，隧道开挖对中夹岩柱的扰动程度较大，开挖结束后，4个工序围岩的最大应力均出现在先行隧道内侧拱侧墙处，且内、外侧围岩应力呈不对称分布，工序3加剧了隧道两侧拱侧墙以及中夹岩柱围岩的受力。为了揭示隧道洞周围岩应力随施工步的演化过程，选取拱侧墙处内、外侧对称特征点偏压比进行分析，其偏压比越接近1，表明隧道受偏压影响程度越小，围岩整体稳定性更好。

图4 （网络版彩图）隧道洞周围岩应力云图（单位：Pa）

特大断面浅埋小净距隧道不同开挖顺序所造成的施工偏压影响程度不同。根据图5 可知，在坡度较缓的情况下，隧道主要受施工偏压的影响，偏压方向由深埋侧（内侧）指向浅埋侧（外侧），与坡体方向一致，山体偏压并不明显。根据图5（a）中先行隧道的偏压比变化曲线，工序3、工序4 偏压比变化规律基本保持一致，且偏压比峰值均大于工序1、工序2，即先开挖隧道侧导洞可以有效减小施工偏压的影响；而工序1 在第2 施工步中施工偏压方向由浅埋侧指向深埋侧，与坡体方向相反，且偏压比峰值小于工序2，有效减小了偏压的叠加效应，即先开挖深埋侧隧道导洞围岩的整体稳定性更好。图5（b）中，后行隧道在工序4 的第12步施工步中偏压比峰值达到了2.14，大于其他3个工序，而工序1、工序3 在整个施工步中的偏压比峰值分别为1.46、1.68，相比于工序2、工序4更加接近于1，即先开挖深埋侧隧道导洞更有利于改善后行隧道内外侧拱侧墙处的受力模式，施工稳定性更好。与先行隧道相比，后行隧道埋深较浅，拱侧墙处的偏压比峰值整体小于先行隧道，即先行隧道受施工偏压的叠加影响更大。

图5 （网络版彩图）隧道拱侧墙处围岩偏压比随施工步的演化过程

3.2 位移分析

3.2.1 地表沉降分析

特大断面浅埋小净距隧道的开挖必然会对上覆土体产生明显的扰动效应，因此，土体的位移分析也成为了判断合理开挖顺序的关键，而地表沉降量能较直观地反应不同开挖顺序对上覆土体的扰动程度。根据图6（a）可知，浅埋段地表沉降量与埋深呈一定的正相关关系，隧道开挖结束后，4个工序的地表沉降变化规律基本保持一致，大致呈不对称凹槽型的分布特征，中夹岩柱中心线在先行隧道与后行隧道之间起到杠杆支点的作用，最大沉降量位于先行隧道的中心线处。对比先行、后行隧道中心线之间的地表沉降量，先开挖隧道上台阶（工序3、工序4）约为先开挖隧道侧导洞（工序1、工序2）的1.23 倍。同时，工序1、工序3 在地表沉降量的控制上略优于工序2、工序4，即先开挖深埋侧隧道导洞，地表沉降量更小。图6（b）中，中导洞核心土的开挖，E、F测点处地表发生位移量突增现象，其位移突增量约为总沉降量的54.6%，先行隧道闭合成环后，受后行隧道开挖扰动的影响，F测点的位移增量约占总沉降量的15.8%。

图6 （网络版彩图）隧道地表沉降曲线

3.2.2 拱顶沉降分析

表3 为隧道各导洞拱顶沉降二维数值模拟结果，先行隧道整体拱顶沉降量大于后行隧道，其中，后行隧道左导洞拱顶的沉降量最小，先开挖隧道上台阶（工序3、工序4）产生的拱顶沉降量约为先开挖隧道侧导洞（工序1、工序2）的1.28 倍。同时，工序2、工序4 下后行隧道左导洞对应的拱顶沉降均比工序1、工序3 小，而右导洞则相反，即利用拱顶沉降量不能直观判断出双侧壁导坑法隧道的合理开挖顺序。

表3 隧道各导洞拱顶沉降二维数值模拟结果单位：mm

后行隧道开挖对靠近中夹岩柱一侧的隧道导洞影响程度较大，则选取先行隧道左导洞拱顶沉降随施工步的变化曲线（图7）进行分析，工序3、工序4下隧道拱顶前期沉降速率大于工序1、工序2，其中导洞核心土开挖引起的位移突增量约占总沉降量的76.4%，同时，后行隧道开挖加剧了先行隧道左导洞的拱顶沉降量，其位移增量约占总沉降量的12.2%。工序1、工序2受两侧围岩向临空面挤压的作用，拱顶向上拱起一定的位移，平衡掉了部分的下沉量，从而前期拱顶沉降存在短暂的平缓阶段，其中导洞核心土开挖产生的位移突增量约占总沉降量的79.8%。

图7 （网络版彩图）先行隧道左导洞拱顶沉降随施工步的变化曲线

4 现场开挖工序的选择

根据对先行、后行隧道在开挖过程中围岩偏压比及地表沉降变化规律的综合分析可知，先开挖浅埋侧隧道导洞更合理，即工序1、工序3更为合理。结合实际工程的施工经验，工序1可以有效减少支护结构整体闭合成环的时间，拱顶及地表沉降量较小，但连续对隧道侧导洞上、下台阶进行开挖不利于纵向工作面的连续作业，开挖效率比较低。而工序3则方便了施工器械与人员的通过，可以加快施工推进速度，且可以保证各导洞掌子面保持一定的开挖错距。因此，现场施工可根据实际工程的需要在工序1和工序3之间选择。

根据隧道施工每日进度表可知，先行隧道洞口段施工采取工序3进行开挖，并且一直延用该工序直至目标断面，而后行隧道选择了交叉开挖的方式（非本文研究工序）进洞，但进入洞身段后逐渐转换到了工序3。隧道进洞断面及目标断面各台阶的具体开挖日期如表4 所示，图8 为现场洞身段工序3的施工作业图。

表4 隧道进洞断面及目标断面各导洞台阶的具体开挖日期

图8 工序3下隧道各导洞的开挖与支护

5 现场监控量测数据分析

5.1 监测点的布置

隧道以双侧壁导坑法进行施工，则各导洞拱顶沉降监测点布设在同一断面上，布置位置及沉降时程曲线如图9 所示。为了获取更多、更准确的数据，研究目标断面监控量测频率为1 次/d，以全站仪测量为主，测点材料采用30 mm×30 mm 的反射膜片，测站与反射膜片的距离均控制在100 m 内，并在出渣一段时间后洞内粉尘浓度较低的情况下进行测量，现场监测作业如图10所示。

图9 （网络版彩图）后行隧道断面AK5+570各导洞拱顶沉降时程曲线

图10 现场监控量测作业

5.2 拱顶沉降分析

因现场工人未按要求对先行隧道目标断面进行监测点的布置，则选取后行隧道断面AK5+570 各导洞拱顶沉降的时程曲线进行分析。图9中，各导洞拱顶沉降的位移发展规律大致可以分为快速增长—缓慢增长—相对稳定3个阶段，其中，中导洞拱顶沉降快速增长阶段持续的时间更长，位移增长速率较大，左导洞最小，同时，各导洞在缓慢增长阶段、相对稳定阶段内拱顶均存在位移量突增的现象，目标断面闭合成环后趋于稳定，最终左、中、右导洞的拱顶沉降量分别为54.55 mm、69.24 mm、78.12 mm，即右导洞优先开挖且埋深较深，总沉降量最大，而左导洞埋深较浅，前期位移增长速率小于中、右导洞，且较早进入相对稳定阶段，总沉降量最小。对比表3中的二维有限元数值模拟拱顶沉降结果，实测值与模拟值并不在一个数量级上，可能原因归结如下：1）有限元数值模型支护结构通过等效替换成均质体，其强度大于实际支护结构强度，并且现场支护结构强度是由弱到强的过程；2）目标段内实际土体强度低于数值模拟参数强度，导致支护结构整体下沉量更大；3）数值模拟基于理想、简化的模型，而现场施工错综复杂，影响因素众多，监测点的变形会随着时间推移不断发展。

5.3 地表沉降分析

图11（a）为隧道出口段监测点的地表沉降变化曲线，由于测点之间存在一定的间距，且不在同一个监测断面上，导致各监测点的地表沉降量离散性较大，但整体仍呈先行隧道上方地表沉降大于后行隧道上方的地表沉降的趋势，最大地表沉降出现在先行隧道中导洞左上方处（B5监测点）。图11（b）为隧道出口段A5、B5测点地表沉降时程曲线，后行隧道上方A5 测点地表沉降时程曲线大致呈倾斜阶梯状的发展特征，即在某些时段内地表会发生位移量突增的现象，结合隧道施工每日进度表进行推断，突增区段大致可分为3个阶段：第一阶段主要是由临近测点左导洞上台阶的开挖所致，最大日沉降量达到了7.08 mm；第二阶段主要受临近测点中导洞上台阶开挖的影响，最大日沉降量为4.21 mm；第三阶段则是左、中导洞下台阶的施工所致。这3个阶段累计产生的位移突变量为35.95 mm，约占最终沉降量的66.1%。而先行隧道上方B5 测点前期的地表沉降量较A5 测点大，中后期位移突增现象并不明显，其累计突变量为36.65 mm，约占总沉降量的55.6%。