浅埋偏压小净距隧道施工扰动空间效应研究

2024-01-10毕志刚李旭哲

河南城建学院学报 2023年6期

毕志刚，李旭哲，王凯，郑凯，梁斌

（1.中铁十五局集团第一工程有限公司，陕西西安 710018；2.河南科技大学土木建筑学院，河南洛阳 471000）

近年来，随着我国交通建设的迅速发展，穿山隧道在公路工程中得以广泛应用。在隧道选线时，往往受到山区地形、地貌的限制，使得越来越多小净距隧道出现在工程建设中［1］。在地质复杂的山岭重丘区修建小净距隧道，首要问题是确保隧道施工过程中围岩以及中夹岩柱的稳定性。与普通分离式隧道相比，浅埋偏压小净距隧道结构形式更加复杂，围岩荷载的不对称以及隧道双洞开挖的相互影响致使施工安全难以保证［2－3］。因此，研究隧道施工扰动影响下的空间效应对确保小净距隧道施工稳定尤为重要。

近年来，国内外学者对隧道施工扰动空间效应做了许多研究。肖剑秋［4］利用有限元软件对某偏压公路隧道左线出口端动态施工全过程进行模拟，研究了在偏压作用下围岩位移的演化特征。袁维等［5］对某公路隧道进口偏压段进洞施工全过程进行数值模拟，研究了在施工扰动影响下的围岩变形规律及初期支护受力特性，对比分析现场监测围岩变形数据，为围岩类别调整、支护结构设计参数调整提供了依据。吴德兴等［6］运用有限元软件对工程施工全过程进行了模拟，分析了隧道施工影响下围岩和中夹岩柱的扰动效应，得出陡坡偏压隧道后行洞开挖初期是施工中变形控制关键阶段。金煜皓等［7］采用有限元法建立北固山隧道三维数值模型，考虑偏压隧道开挖的空间效应，研究了隧道开挖围岩的位移场与应力场，阐述了围岩和边坡的破坏机理，并基于数值分析结果提出边坡变形的控制技术。李永靖等［8］将收敛约束法应用于隧道开挖的空间效应问题，通过计算得到了不同开挖条件下的纵断面变形曲线和围岩特征曲线，并与现场实测数据进行了对比分析。贺晓铭［9］采用MIDASGTSNX有限元软件分析不同掌子面间距下小净距隧道施工扰动空间效应，得出隧道开挖合理纵向间距应大于2倍单洞开挖宽度。蒋庆等［10］运用FLAC3D建立大岭隧道进口段三维模型，研究了采用CD法和台阶法施工过程中隧道围岩变形规律以及采用CD法施工时围岩的塑性分布和应力场演化情况。

目前，针对浅埋偏压小净距隧道在施工扰动影响下的围岩位移场和应力场演化特征及规律研究较少。由于隧道施工复杂，需要根据具体工程特点来解决实际问题，本文依托浙江义东高速防军隧道项目，对浅埋偏压小净距隧道施工过程中围岩受力变形演化特征进行研究，旨在为此类小净距隧道施工和围岩稳定性评价提供借鉴与参考。

1 工程概况

防军隧道属于浙江义乌至东阳高速公路东阳（南市至南马）段土建03标段，为分离式双向六车道，设计时速为100 km／h，左右洞进出口均为小净距。依据地质勘查报告，防军隧道属低山地貌区，地形起伏大，洞口段围岩等级为Ⅴ级，稳定性差。该隧道洞口（见图1）段埋深浅、偏压、小净距，施工时易出现坍塌及冒顶等工程事故，进洞施工难度大。

图1 义东高速防军隧道进洞口

2 隧道开挖面空间效应

2.1 隧道空间约束效应机理

在隧道洞室开挖过程中，当掌子面开挖至某一断面后停止，该开挖面附近受施工扰动的岩体变形速率会逐渐减小，直至变为零，此时开挖面对周围岩体起到“虚拟”支撑作用。这种“虚拟”支撑作用即为隧道开挖面的空间效应，又称为“端面效应”，其变形过程如图2所示，图中F为支撑力、Pi为支护反力［11－12］。

图2 隧道端面效应示意图

2.2 考虑空间效应的位移释放系数

隧道开挖时，围岩卸荷和应力释放过程相当复杂。为了更直观、准确地描述隧道开挖过程中围岩的变形规律，定义了隧道围岩某点的已发生位移量与该点达到稳定后的累计位移量之比，即位移释放系数λ［12］。其计算公式为

式中：μ0为隧道围岩某点在t0时刻的位移量；μ为该点稳定后的最大位移量。λ的取值范围为0～1，λ值越大，围岩的稳定性越高。

3 数值计算模型

3.1 计算模型

本文利用有限元软件MIDASGTSNX建立防军隧道进口浅埋偏压小净距段三维有限元模型。模型尺寸选取如下：水平方向（X轴）的左右边界选定为3D（D为开挖洞径），总长度为120 m；在竖向（Z轴）上，上边界至地表，下边界取隧道洞室底部4D，约为40 m；纵深（Y轴）选取40 m。对模型的左、右边界施加限制x方向的位移约束；对前、后边界施加限制y方向的位移约束；对下边界施加z向的位移约束；上边界设为自由面。由于该隧道属浅埋隧道，初始应力场仅考虑自重应力，不考虑构造应力。该隧道的三维模型如图3所示。

图3 隧道三维模型

本文基于等效原理对隧道初期支护做适当简化，并将钢拱架的弹性模量折算到喷射混凝土上形成组合体系［13］。模型参数如表1所示。本模型围岩破坏遵循Mohr－Coulomb准则，采用三维实体单元进行模拟，隧道初期支护及中隔墙采用二维板单元进行模拟，边墙中空锚杆采用一维植入式桁架单元进行模拟。

表1 模型参数

3.2 动态施工模拟

防军隧道洞口浅埋偏压小净距段进洞施工采用预留核心土法。先开挖左线隧道，后开挖右线隧道。先行洞先开挖上台阶（即第1部分），后开挖核心土（即第2部分），最后开挖下台阶（即第3部分）；后行洞开挖顺序与先行洞相同。图4为预留核心土法数值模拟示意图。隧道施工采用左右平行施工，交错掘进。隧道分步开挖完成后及时施作锚杆和初期支护。

图4 预留核心土法数值模拟示意图

4 隧道施工围岩扰动效应分析

4.1 围岩竖向位移场演化特征

为直观地研究隧道进口段施工围岩位移场的演化规律，在模型中选取测线L对地表沉降进行监测。为减小边界效应带来的影响，选取沿隧道纵向20 m为目标断面，此处Z＝0 m。测线和断面特征点布置如图5所示。

图5 测线及测点布置图

隧道的先行洞和后行洞开挖引起的地表沉降随掌子面不断推进的演化曲线如图6所示。

图6 地表沉降演化曲线

由图6（a）可知，隧道的先行洞开挖后，地表沉降曲线呈现中间大、两端小的“V”形分布，最大沉降达5.04 mm。先行洞开挖后，隧道中线附近的地表沉降位移迅速增大，但随着掌子面不断推进，地表沉降速率不断减小，直到先行洞开挖至目标断面，此后地表沉降的增量很小。分析其原因，由于隧道开挖和围岩上覆荷载的影响，先行洞开挖引起的地表沉降主要集中在先行洞中线附近，最大地表沉降出现在先行洞拱顶上方地表，此处为重点监测薄弱部位。先行洞掌子面离开监测断面后，地表沉降的增量不断减小。

由图6（b）可知，后行洞开挖后，地表沉降曲线由之前的“V”形转变为非对称“W”形，地表沉降曲线的变化趋势与先行洞基本相同，此处不再赘述。由于地形偏压，先行洞的地表沉降值整体较后行洞大。先行洞贯通时地表沉降的最大值为5.18 mm，待双洞贯通后地表沉降增至5.92 mm，增幅为14.29%，表明后行洞开挖对先行洞位移场的影响较小。

以先行洞和后行洞的Z＝20 m目标断面拱顶竖向位移为例。随开挖深度改变的拱顶位移释放量的变化曲线如图7所示。拱顶的位移释放系数曲线如图8所示。

图7 拱顶位移释放量变化曲线

图8 拱顶位移释放系数曲线

由图7和图8可知，位移释放量曲线和位移释放系数曲线均呈现先缓慢增加、后急剧增大、最后趋于平缓的变化趋势。当开挖深度介于－1.5D～－1.0D时，位移释放系数很小，几乎为0；当开挖深度介于－1.0D～－0.5D时，位移释放系数缓慢增加，约为0%～2%；当开挖深度介于－0.5D～1.5D时，位移释放系数急剧增大，拱顶竖向位移释放量达2%～95%；当开挖深度大于1.5D时，位移释放系数逐渐趋于100%。结果表明，隧道开挖面空间效应对隧道围岩的影响主要集中在开挖面之前1D和开挖面之后1.5D范围内，其中，开挖面前后0.5D范围内为强影响区，0.5D～1D范围内为弱影响区，开挖面前方1D范围为无影响区。施工中应特别关注掌子面刚通过已开挖段时的隧道围岩位移释放量，且应设定位移量释放预警值，避免出现围岩坍塌等事故。

选取先行洞和后行洞在Z＝20 m目标断面处的拱顶、左右拱肩、左右拱腰以及左右拱脚等特征点进行分析。这些特征点的竖向位移随开挖深度改变的演化曲线如图9所示。图9中B、C、D分别表示第1、第2、第3部分导坑开挖至目标断面。

图9 Z＝20 m特征点竖向位移演化曲线

由图9可知，先行洞和后行洞的特征点竖向位移曲线整体呈现不断增大的趋势。其中，拱顶和拱脚的竖向位移变化最大，其次是拱肩位置，拱腰位置的竖向位移变化最小，拱顶和拱肩的竖向位移变化呈现下沉趋势，拱脚的竖向位移变化呈现隆起趋势。

当开挖深度介于－20～－10 m时，各特征点竖向位移变化不大；当开挖深度介于10～20 m时，除左右拱腰位置，其余各特征点的竖向位移迅速增大；当开挖深度大于20 m时，各特征点的竖向位移趋于稳定，此时位移增量很小。分析其原因：开挖深度介于－20～－10 m时，隧道开挖面距目标断面的距离较远，隧道开挖对目标断面特征点影响较小；当开挖深度介于10～20 m时，各部分导坑分别通过目标断面，隧道开挖对目标断面的扰动较大，各特征点的竖向位移迅速增大；当开挖深度大于20 m时，隧道开挖面不断远离目标断面且初期支护强度不断提高，此时受隧道开挖扰动影响较小。

各部分掌子面通过目标断面后，先行洞和后行洞左、右拱腰位置的竖向位移曲线出现小幅隆起，其余特征点的竖向位移显著增加，直到导坑全部超过目标断面达到20 m（约1.5D）时，各特征点的竖向位移趋于稳定。此后随着开挖深度增加，竖向位移增量很小，这表明开挖面的空间效应沿隧道纵向对开挖面后方的影响范围为1.5D。

4.2 围岩水平位移场演化特征

选取沿洞轴向20 m的断面作为目标断面。分析目标断面特征点的水平位移随掌子面不断推进的变化情况，得到特征点的水平位移演化曲线如图10所示。

图10 Z＝20 m特征点水平位移演化曲线

由图10可知，特征点水平位移均趋向隧道开挖净空面，其中，先行洞的左、右拱脚和拱腰水平位移变化最大，其次是左、右拱肩，拱顶位置水平位移很小。后行洞的特征点水平位移变化规律与先行洞相似，值得说明的是，后行洞的右拱脚水平位移小于右拱腰和右拱肩。

预留核心土法各部分开挖对先行洞和后行洞的拱腰位置影响较大。第1部分掌子面通过目标断面后，左拱腰位置的水平位移迅速增大；第2部分掌子面通过目标断面后，右拱腰位置的水平位移明显增大，表明隧道拱腰位置受施工扰动影响较大，其原因为隧道开挖后，容易在隧道上方形成塌落拱，拱顶压力相对较小，而拱腰部分所受到的压力较大，因此隧道开挖后围岩位移的变化主要体现在拱腰处；第3部分掌子面通过目标断面后，各特征点的水平位移曲线开始趋于平稳。各特征点的水平位移在开挖面前1～1.5D处开始产生明显增大，且在开挖面后1～1.5D处，水平位移曲线趋于平稳，表明开挖面空间效应的范围为开挖面前后1～1.5D。

4.3 围岩位移场分布特征

先行洞和后行洞开挖的竖向位移和水平位移云图如图11所示。由图11（a）、图11（b）可知，先行洞施工对后行洞所在位置围岩竖向和水平位移场产生一定影响。先行洞开挖贯通后竖向位移主要集中于深埋侧的拱顶和仰拱处，水平位移主要集中于深埋侧的拱腰和拱脚处。由图11（c）、图11（d）可知，后行洞开挖贯通后，先行洞拱顶上方沉降区域有所增大，表明后行洞开挖对先行洞产生影响。在地形偏压影响下，先行洞上方竖向位移较后行洞大得多，后行洞拱腰、拱脚和边墙的水平位移较先行洞大。这是由于隧道受到二次开挖扰动影响，使得围岩向隧道临空面偏移，同时，隧道二次开挖扰动加剧了地形偏压效应，使得围岩边坡向下滑移，导致水平位移产生变化，甚至出现了贯穿区，严重威胁隧道围岩的稳定性。

图11 隧道开挖位移场分布特征

4.4 围岩应力场演化特征

为了研究该隧道围岩压力的偏压程度在施工过程中的演化规律，分别计算得到先行洞和后行洞的左拱肩与右拱肩的偏压比以及左拱脚与右拱脚的偏压比（见图12），图12中应力偏压比越接近比值1，表明偏压程度越小，反之越大。

图12 主应力偏压比变化曲线

由图12（a）可知，在初始应力场下，偏压比接近1，先行洞左上部分开挖后，拱肩偏压比小于1，此时左拱肩主应力小于右拱肩，受地形偏压和施工偏压影响较小。右上、左下和右下部分开挖后，拱肩偏压比大于1且不断远离比值1，最后偏压比稳定在1.26。先行洞拱脚的偏压比受施工扰动影响较大，上台阶开挖后拱脚偏压比不断远离比值1，左拱脚主应力明显大于右拱脚，直到下台阶开挖后拱脚偏压比不断减小，最后趋于稳定，最终偏压比为0.86。

由图12（b）可知，后行洞开挖及地形偏压对拱肩偏压比影响较小，右上部分开挖后，偏压比不断减小，左上部分开挖后，偏压比迅速增大，下台阶开挖后偏压比逐渐趋于稳定，最终偏压比为1.08。后行洞开挖后拱肩偏压比不断减小，尤其是在左上和右下部分开挖后（步骤40和42），拱脚偏压比下降速率很大，直到左下部分开挖后，拱脚偏压比回升，最终稳定在0.53，后行洞开挖对拱脚位置十分不利，初期支护后仍存在明显偏压现象，施工中应重点监测。