基于数值分析的小净距隧道施工方法及支护加固方案优化分析

■陈永锋

（福州左海控股集团有限公司，福州 350028）

小净距隧道是隧道结构中较为特殊的一类，施工先、后行洞结构受力、变形相互影响、干扰，施工力学行为极其复杂。 由于小净距隧道围岩应力变化的复杂性，施工前了解岩体的不利位置与破坏性质，确定加固方案，对岩体进行施工保护，减小对围岩的扰动，确保围岩的稳定与安全十分重要。

隧道洞身段施工力学行为受覆土厚度、偏压角度、施工工序等因素影响，国内已有学者对其展开研究并取得了一定成果。 刘艳青等[1]、徐爱敏等[2]以招宝山隧道为依托，研究隧道在不同施工过程中的力学状态。 Ng 等[3]分析了双洞掌子面的滞后距离对隧道起拱线部位水平收敛变形的影响，证明了双洞滞后距离与先行洞水平收敛变形成正相关关系，后行洞则相反。 杜菊红[4]利用室内试验、相似模型试验等方法，研究了双洞、四车道小净距隧道的施工力学特性。 吕显福等[5]以新城子隧道为工程背景，采用有限差分软件研究高应力软岩隧道施工力学行为。Cui 等[6]对大跨小净距公路隧道进行了数值模拟，认为后行隧道对先行隧道影响显著，拱腰、拱脚及中夹岩位置应力集中现象显著。 Zhou 等[7]基于随机介质理论，对大跨小净距隧道地层沉降预测公式进行了修正。 Rahaman 等[8]对双线隧道净距进行了研究。Kim 等[9-11]众多国外科研人员也分别通过室内模型试验、数值模拟、施工现场监测等方法对小净距隧道的施工力学特性开展了研究。

在多重因素耦合作用下，复杂地形下超大断面小净距隧道施工力学效应极为复杂，为了保证复杂地质条件下隧道洞身段在施工和运营期间的稳定，本研究建立精细三维模型，分析实际地形状态下的洞身施工力学行为，确保工程安全，利用FLAC3D有限差分软件模拟隧道洞身段开挖、支护全过程建立了洞身段三维有限差分模型，针对隧道开挖引起的地表沉降、 塑性区及中夹岩受力等进行了分析，并提出合理的加固措施建议。

1 工程概况

某超大断面小净距山岭隧道，单洞最大跨度为20.41 m。 隧道断面岩土层由杂填土、粉质黏土、淤泥、坡积砾质黏性土、凝灰岩等构成。 按工程地质性质、成因类型、沉积环境等要素分成9 个工程地质层。采用A25 mm 超前注浆小导管对隧道Ⅲ级围岩洞身段进行预支护，A42 mm 超前注浆小导管对隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩洞身段进行预支护，如图1 所示，表1为隧道洞身段的基本支护参数。 隧道洞身段Ⅲ级围岩开挖采用台阶法或全断面法；Ⅳ级围岩开挖采用台阶法或者单侧壁导坑法，Ⅴ级围岩通常采用双侧壁导坑法或者三台阶预留核心土法进行开挖施工，预留核心土法的施工示意图如图2，开挖时，预留核心土长度为5 m，中、下台阶左右错距2 m。

表1 隧道洞身段基本支护参数表

图1 隧道Ⅳ级围岩洞身段预支护体系设计图

图2 三台阶预留核心土法施工示意图

2 洞身段施工过程及支护数值模拟

采用犀牛Rhino 软件划分网格，FLAC3D 有限差分软件[11]模拟隧道洞身段开挖、支护全过程。 围岩介质假定为各向同性与均质连续，弹塑性本构模型满足Mohr-Coulomb 屈服准则。 计算开挖步长为1 m，初期支护滞后2 个开挖步施加，左右洞掌子面间距45 m；计算时未考虑地下水的影响。 隧道模型的长度为210 m，宽度为80 m，隧道净距为15 m，到上下边界的距离是开挖洞高的3 倍，并且为了消减边界影响，左右边界距洞口距离设置为4 倍隧道跨度。 开挖断面宽度20 m，最小覆土厚度为20 m，偏压角度20°，如图3 所示，计算模型的边界条件将侧面垂直约束，底部完全约束，上表面无约束。图4为隧道洞身段中夹岩应力分析特征点，图5 为隧道洞周特征点位置。

图3 计算模型及网格划分

图4 隧道洞身段中夹岩应力分析特征点

图5 洞周特征点示意图

隧道开挖采用Null 单元处理， 隧道开挖后及时施作初期支护。 围岩、加固圈以及二次衬砌采用带衬砌参数的实体单元模拟，围岩与支护结构的力学参数见表2，壳单元模拟初期支护，抗滑桩及管棚钢管采用桩单元，抗滑桩力学参数见表3，锚索单元模拟锚杆，偏压挡墙及回填土采用实体单元模拟，如图6 所示。

表2 围岩与支护结构的力学参数

图6 中夹岩加固措施及其模拟

3 小净距隧道不同施工方法的力学行为分析

3.1 不同施工方法地表沉降分析

图7（a）和（b）为Ⅳ级和Ⅴ级围岩情况下，采用台阶法和单侧壁导坑法施工典型断面地表的沉降曲线。 从图中可以看出，Ⅳ级围岩情况下，相较单侧壁法，台阶法施工引起的地表沉降更大，3 点分别增大约12%、13%和11%。 隧道埋深较深，沉降曲线大致呈“U”形。地表沉降在岩墙中心线左右两侧不对称，深埋一侧的沉降值及沉降范围均较大。沉降最大值均位于隧道中心线和深埋洞拱顶正上方之间的位置，分别为3.83 mm、3.44 mm。 对比左、右洞地表沉降情况，深埋一侧隧道的沉降值和沉降范围均较大。 Ⅴ级围岩情况下，相比双侧壁法，三台阶预留核心土法施工引起的3 点地表沉降分别增大约60%、70%和60%。 地表沉降曲线呈不对称“U”形。 双侧壁导坑法、三台阶预留核心土法开挖产生的地表沉降最大值位于隧道中心线和深埋洞拱顶正上方之间的位置，分别为13.32 mm、21.32 mm。

图7 地表沉降曲线

3.2 围岩位移分析

采用台阶法和单侧壁导坑法施工洞室位移主要体现在拱顶下沉、拱底隆起的竖向位移，围岩位移的变化不大，此处给出了IV 级围岩状况下的位移云图如图8 所示，先行浅埋侧位移值均小于后行深埋侧。Ⅳ级围岩采用台阶法施工引起的左、右洞拱顶下沉值为4.42 mm 和6.16 mm，采用单侧壁导坑法施工引起的左、右洞拱顶下沉值为3.94 mm 和5.79 mm，台阶法相对单侧壁导坑法增大分别约12%、6%。如图9 所示，台阶法施工和单侧壁导坑法施工下，小净距隧道右洞开挖引起左洞的拱顶竖向位移增量分别为0.45 mm 和0.60 mm，占总沉降量的10%和15%。

图8 不同施工方案下Ⅳ级围岩竖向位移云图

图9 隧道断面左、右洞拱顶沉降与施工步的关系

图10 为开挖完成后不同施工方案下Ⅳ级围岩水平位移云图，可以看出，台阶法与单侧壁导坑法水平位移分布规律大致相同，即隧道拱顶、拱肩水平左移，拱底、拱脚水平右移。 台阶法施工时，最大水平位移值为-1.34 mm，位于深埋隧道上方地表位置。单侧壁导坑法施工时，最大水平位移值为-1.28 mm，位于浅埋隧道近中夹岩侧拱肩位置。 台阶法施工引起的水平位移值略大于单侧壁导坑法。

图10 不同施工方案下Ⅳ级围岩水平位移云图

3.3 围岩应力分析

IV 围岩状况下，台阶法、单侧壁导坑法开挖完成后的围岩主应力如图11 所示， 特征点主应力见表4。2 种开挖方法的主应力分布大致相同。除右洞拱顶出现较小拉应力外， 其余部位均受压。 根据Mohr-Coulomb 强度准则， Ⅳ级围岩最大拉应力计算值为616 kPa。取安全系数为1.25，拉应力允许值为493 kPa。台阶法、单侧壁导坑法开挖引起的右洞拱顶拉应力分别为4 kPa、13.03 kPa，远小于岩体允许抗拉强度，不存在张拉破坏问题。 中夹岩、右洞外侧拱腰处最大主应力与最小主应力差值较大，有较明显的应力集中现象，为施工薄弱部位，应及时支护，加强监测力度。 比较中夹岩应力发现，单侧壁导坑法略优于台阶法，台阶法开挖导致的最大主应力相对单侧壁导坑法约增加4.2%。

表4 IV 围岩洞周特征点主应力结果（单位：×105 Pa）

V 级围岩状况下不同施工方法开挖完成后的围岩主应力如图12 所示， 特征点主应力见表5 所示。 V 级围岩节理较发育，建议隧道拱顶不允许出现拉应力，即拉应力允许值为0 kPa。 双侧壁导坑法开挖洞周主应力均为压应力。 三台阶预留核心土法左、右洞拱顶处产生拉应力，分别约为8 kPa、28 kPa，在施工过程中易发生张拉破坏，采用此方法开挖会影响施工安全与质量。 右洞外侧拱肩处最大主应力与最小主应力差值最大，围岩受力状态较差。

表5 V 级围岩洞周特征点主应力结果（单位：×105 Pa）

图12 双侧壁导坑法和三台阶预留核心土法开挖主应力云图

3.4 围岩塑性区分布

IV 级围岩塑性区分布见图13。 由图可知，采用台阶法开挖围岩塑性区主要集中在右洞隧道拱脚处，为剪切破坏；采用单侧壁导坑法开挖围岩状态良好，未出现塑性区。 通过对台阶法、单侧壁导坑法模拟分析可以发现，从施工力学角度看，2 种施工方案均可行。 在控制隧道围岩位移方面，单侧壁导坑法与台阶法相比略为优越，但差别不大。 综合考虑安全性和经济性，在规范操作的前提下，可将台阶法作为Ⅳ级围岩洞身段的最优施工方法。

图13 不同施工方法下Ⅳ级围岩塑性区范围

V 级围岩塑性区分布见图14，可以看出2 种不同工法下围岩塑性区分布规律不同。 双侧壁导坑法进行小净距隧道施工的过程中，围岩塑性区主要分布在先行洞近中夹岩侧拱脚以及后行洞拱肩、拱脚位置；三台阶预留核心土法施工时，塑性区主要分布在后行洞拱肩及模型右边界位置。 2 种工法下隧道开挖引起的岩体塑性破坏均为剪切破坏。 三台阶预留核心土法开挖产生的塑性区范围更大。 通过对双侧壁导坑法、三台阶预留核心土法的模拟分析可以发现：在控制隧道围岩位移、塑性区发展方面，双侧壁导坑法具有更显著的优势。 可将双侧壁导坑法作为V 级围岩段的最优施工工法。

图14 不同施工方法下Ⅴ级围岩塑性区范围

3.5 初期支护参数对比分析

针对V 级围岩，对隧道初期支护参数进行对比分析。 不同锚杆直径下模型计算结果如表6 所示。当锚杆直径从22 mm 增加至25 mm 时，围岩位移值减小0.09%～0.23%。 可知隧道开挖完成后，在右洞右侧拱脚及中夹岩位置出现较为明显的应力集中现象，随锚杆直径增大，围岩最大压应力减小0.16%。 总的来说，不同锚杆直径下围岩位移、应力相差不大。从锚杆受力状态来看，当锚杆直径为22 mm 时，锚杆轴力最大值为39.13 kN，安全系数为2.91；当锚杆直径为25 mm 时，锚杆轴力最大值为41.51 kN，安全系数为3.54；当锚杆直径从22 mm 增加至25 mm 时，锚杆轴力最大值增大6.1%，安全系数增加约22%。

表6 不同锚杆直径下模型计算结果

表7 为不同锚杆长度下模型计算结果。 由表可知，随着锚杆长度变长，围岩位移、最大压应力呈减小趋势，但变化幅度不大。 锚杆长度由3 m 增加至6 m 时，围岩位移值减小0.05%～1.19%，最大压应力减小0.25%。 锚杆长度对围岩位移、应力的影响较小。 从锚杆受力状态来看，锚杆越长，锚杆拉力最大值越大。 最大值均出现在右洞右侧拱肩位置。 锚杆长度为3 m、4 m、5 m、6 m 时，锚杆拉力最大值分别为23.36 kN、33.28 kN、41.51 kN、48.40 kN。

表7 不同锚杆长度下模型计算结果

表8 为不同喷射混凝土厚度下洞周位移、应力值。 由表可知：围岩位移随喷射混凝土厚度的增加而逐渐减小。 喷射混凝土厚度从20 cm 增加到50 cm 的过程中，拱顶下沉值分别减小约6%、13.5%，拱底隆起值减小约3.5%、9%，最大水平位移值减小约3%、9%。 其中拱顶下沉值降幅最大，增大喷射混凝土厚度能有效控制隧道拱顶位移。 从应力来看，洞周主应力均呈压应力状态。 右洞近中夹岩侧拱肩（特征点10）处应力集中，压应力最大。 喷射混凝土厚度从20 cm 增加到50 cm 的过程中，最大压应力值分别减小2.6%、3.4%。

表8 不同喷混厚度下模型计算结果

3.6 不同开挖进尺对比分析

开挖进尺的选取对施工进度和施工安全至关重要。 经上述分析可知，Ⅳ级围岩超大断面小净距隧道在选择上下台阶法为合理工法后，当开挖进尺为1 m 时，围岩及支护结构稳定性良好，现状施工采用的开挖进尺存在较大保守余量，可通过数值模拟对开挖进尺优化，以期在保证隧道施工安全与质量的前提下，缩短工期，提高施工效率。 图15 为不同开挖进尺下左洞拱顶沉降与施工步的关系曲线。施工过程中，隧道开挖对周围岩体产生扰动。 开挖进尺大，扰动次数少，每次扰动产生的影响大；开挖进尺小，扰动次数多，每次扰动产生的影响小。 开挖进尺为1 m、2 m、4 m、8 m 条件下，单次开挖引起的左洞拱顶沉降量最大值分别为0.61 mm、0.92 mm、1.33 mm、1.88 mm。 与开挖进尺为1 m 相比，随着进尺的增加，单次开挖引起的左洞拱顶沉降量最大值分别增大约50%、118%、208%。 因此，结合工期、安全性综合考虑， 施工过程中可适当增大开挖进尺，建议将Ⅳ级围岩洞身段开挖进尺增大为4 m。

图15 不同开挖进尺下左洞拱顶沉降与施工步关系曲线

4 中夹岩力学性能分析

中夹岩受力状态是决定中夹岩加固措施的主要依据。 以V 级围岩小净距隧道为例，主要参数如下：净距B=15 m，偏压角度=20°，最小覆土厚度=20 m。

4.1 中夹岩位移变化分析

图16～17 为中夹岩竖向位移以及水平位移变化曲线，竖向位移正值向上、负值向下，水平位移正值向右、负值向左。 由图可知：中夹岩竖向位移值集中在-2～-16 mm，即中夹岩整体呈向下变形趋势，顶部位移大于中部、底部；中夹岩水平位移值集中在0～-6 mm，即在偏压作用下，经先后行洞扰动，中夹岩最终呈现整体向先行左洞侧水平位移的趋向，水平位移左侧大于右侧，顶部大于底部，岩墙左侧顶部水平位移约比中部大14.2%，比底部大307.5%。

图16 中夹岩竖向位移变化曲线

图17 中夹岩水平位移变化曲线

4.2 中夹岩应力分布分析

中夹岩主应力分布如图18 所示， 中夹岩承载时，顶部存在应力卸载区，底部应力集中。 在小净距隧道中夹岩中， 从腰部至隧道拱脚间的应力较大，中部的主应力大于靠近中夹岩左右两侧的主应力。以大主应力为例，隧道开挖完成后，中夹岩中间部位（B 点）比近左右洞侧（A、C 点）大约24%、40%，而A、C 两点应力差距不大。

图18 中夹岩主应力分布云图

4.3 中夹岩加固效果分析

图19 为开挖完成后不同中夹岩加固方案下中夹岩水平位移云图，注浆加固后，中夹岩水平位移明显减小，近先行洞侧位移减小量大于近后行洞侧；长锚杆、对拉锚杆加固后，近先行洞侧岩墙水平位移值小于未加固时，近后行洞侧岩墙水平位移值大于未加固时。 造成这一现象的原因在于：隧道开挖后，中夹岩向先行洞方向移动，后向后行洞方向移动。 加固措施能有效控制后行洞对中夹岩的扰动，减小中夹岩向后行洞方向移动的位移值。 长锚杆、对拉锚杆、注浆3 种中夹岩加固方案下，中部左侧岩墙水平位移值与未加固时相比分别减小19.8%、21.3%、17.0%。 对拉锚杆加固效果好于长锚杆。

图19 中夹岩水平位移云图

图20～21 为不同中夹岩加固方案下中夹岩主应力分布云图，加固后，中夹岩底部近左右洞侧大、小主应力值增大明显。 与不加固中夹岩相比，采用长锚杆、对拉预应力锚杆、注浆加固时中夹岩大主应力分别增大4.5%、4.8%、14.8%，小主应力分别增大35.8%、40.7%、减小1%。 由应力图可知，各加固措施对中夹岩应力状况均有所改善，但锚杆加固与注浆加固机理不同。

图20 最大主应力分布

图21 最小主应力分布

5 结论

针对超大断面小净距隧道建立了洞身真实的三维精细有限元模型，对洞身段的围岩、净距、初期支护以及中夹岩进行了施工力学分析，得出以下结论：（1） IV 级围岩洞体段的开挖采用单侧壁导坑法或台阶法，V 级围岩洞体部分则采用双侧壁导坑法或三台阶预留岩心土法开挖。 在这2 种情况下，开挖进尺均为1 m。 V 级围岩洞身段初支参数为锚杆直径25 mm，锚杆长度3.5 m、5 m（交错布置），喷射混凝土厚度500 mm； 中夹岩加固措施为对拉锚杆或长锚杆加固。 为保证超大断面小净距隧道施工的经济性、安全性、环保性，应对上述设计、施工方案进行分析与优化。 （2）根据数值模拟结果提出3 点施工方案和设计方案的优化建议：一是建议IV 级围岩洞身段采用台阶法施工，V 级围岩洞身段采用双侧壁导坑法施工，并将IV 级围岩洞身段的开挖进尺增大为4 m，以提升施工效率；二是数值模拟验证了当前采用的V 级围岩洞身段采用的初支参数是合理的；三是V 级围岩洞身段中夹岩建议采用“长锚杆+注浆”的联合加固方法进行加固，同时将注浆加固范围扩大至雁形部，以提高洞身的稳定性和安全性。