偏压小净距隧道初期支护施工力学研究

赵德源 邢增波 杨瀚鹏 王峥 徐杰

1.北京首发道路桥梁工程有限公司 100000

2.北京政平建设集团有限公司 101100

3.北京公联洁达公路养护工程有限公司 100071

4.北京市昌平区住房和城乡建设委员会 102200

5.北京市房山城建集团有限公司 102400

引言

近年来，随着我国公共交通的蓬勃发展加之多山的地理环境，各类隧道的建设发展水平也在不断提高。受地质、地势等条件影响，双洞隧道间的净距往往难以达到分离隧道的要求。采用连拱隧道存在施工工艺复杂、精度要求高、工期长、防水性能难以保障等缺点，因此，提出介于分离隧道与连拱隧道之间的小净距隧道形式［1］。受地形、线路等条件制约，小净距隧道往往出现偏压现象，即一侧隧道靠近山体边坡覆土较浅，另一侧隧道上方覆土较深，实际施工中易发生围岩变形超限现象。

国内外学者对偏压小净距隧道开展了一些研究，如周惠等对大断面小净距隧道的施工力学行为进行研究［2］；刘伯刚等针对大跨度小净距隧道，研究了不同施工方法对围岩及支护结构的影响［3］；葛玉芹等对小净距隧道施工方法及合理净距进行了数值模拟研究［4］。但偏压小净距隧道的受力变形规律复杂，隧道开挖的初期支护参数、施工方法、施工顺序等应做针对性研究。

本文通过有限元模拟偏压小净距隧道初期支护的施工状态，并对其开展力学分析，从而进行深入讨论。

1 计算模型

1.1 隧道及土体模型

隧道初期支护洞径11.2m，左、右洞净距9.8m，边坡坡度31°，该区域隧道段上方由上至下依次覆盖沉积土、软岩及硬岩，其中，左右隧道均位于硬岩层中，左侧隧道最近距离边坡28m，根据圣维南原理，模型范围水平向取至4 倍洞径，竖直向取至3 倍洞径，有限元模型见图1。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element mode

1.2 模型计算参数

隧道围岩计算参数见表1，隧道初期支护计算参数见表2。

表1 隧道围岩计算参数Tab.1 Calculation parameters of tunnel surrounding rock

表2 初期支护计算参数Tab.2 Calculation parameters of initial support

1.3 隧道开挖顺序方案

隧道的开挖顺序不同对初期支护受力及周边土体沉降有着不同影响，由开挖引起的空间围岩塑性破坏和位移更是会在偏压作用下产生规律性变化［5］，因此设计两种不同的开挖施工顺序并分别建模，通过比较从而优化设计。

方案A及方案B均采用台阶法施工。

方案A施工顺序：1.初始状态；2. 开挖左侧隧道上半断面土体；3. 架设钢拱架、安装锚杆、初喷混凝土；4. 喷锚混凝土硬化；5. 开挖左侧隧道下半断面土体；6.架设钢拱架、安装锚杆、初喷混凝土；7. 喷锚混凝土硬化；8. 开挖右侧隧道上半断面土体；9.架设钢拱架、安装锚杆、初喷混凝土；10. 喷锚混凝土硬化；11. 开挖右侧隧道下半断面土体；12.架设钢拱架、安装锚杆、初喷混凝土；13.喷锚混凝土硬化。

方案B先开挖右侧隧道，再开挖左侧隧道，每侧隧道的施工顺序同方案A。

2 计算结果分析

2.1 位移分析

图2 为最终位移云图，由图可知，无论采用何种方案开挖，两隧道拱顶变形均以沉降为主，仰拱变形以抬升为主，两方案拱顶沉降最大值均位于右侧隧道，仰拱抬升最大值均位于左侧隧道，竖直位移计算结果见表3。

表3 竖直位移计算结果Tab.3 Calculation results of vertical displacement

图2 最终位移（单位： m）Fig.2 Final displacement（unit：m）

由图2 可知，除竖直位移外，两隧道外围岩水平位移变化亦较为明显，两隧道间围岩水平位移变化较小，造成该现象的原因为两侧围岩向隧道间围岩挤压。其中，方案A最大水平位移达到5.64mm，方案B最大水平位移达到5.60mm，均位于左侧隧道右侧墙外围岩，由此表明在偏压作用下，隧道周边围岩会向边坡侧移动。

2.2 初期支护内力分析

初期支护弯矩云图见图3，由图可知，无论何种开挖方案，隧道初期支护拱肩处所受弯矩均较大，两方案最大弯矩均位于右侧隧道拱肩，最大弯矩及应力计算结果见表4。

表4 弯矩及应力计算结果Tab.4 Calculation results of bending moment and stress

图3 初期支护弯矩（单位： kN·m）Fig.3 Initial support bending moment（unit：kN·m）

通过对比左右两侧隧道初期支护所受弯矩及应力可知，先开挖左侧隧道，可减小后开挖隧道所受弯矩，先开挖右侧隧道，对左侧隧道所受弯矩影响甚微。

初期支护轴力见图4，由图可知，无论采用何种方案开挖，两隧道初期支护上部拱肩与拱顶处轴力均较大，轴力结算结果见表5。

表5 轴力计算结果Tab.5 Calculation results of axial force

图4 初期支护轴力（单位： kN）Fig.4 Initial support axial force（unit：kN）

由表5 可知，采用方案A开挖时，左右两侧隧道初期支护轴力分布较为均匀，采用方案B开挖时，两者轴力分布不均。

3 施工方案选择

3.1 围岩位移分析

将方案A及方案B中每一施工步骤计算得出的拱顶外围岩最大沉降进行汇总得到图5a，由图可知，方案A右侧隧道的初始沉降与施工步骤2时左侧隧道拱顶外围岩沉降接近，自施工步骤7开始右侧隧道拱顶外围岩沉降速率明显大于左侧隧道，沉降数值自施工步骤9 开始超过左侧隧道，这表明先开挖左侧隧道，会对右侧隧道拱顶外围岩沉降产生较大影响。但在开挖右侧隧道时，左侧隧道的拱顶外围岩沉降变化趋于稳定，说明后开挖右侧隧道，对先开挖的左侧隧道影响较小。

图5 各施工步骤围岩位移Fig.5 Surrounding rock displacement in each construction step

方案B左侧隧道拱顶外围岩沉降全程小于右侧隧道，但在左侧隧道开挖时，其拱顶外围岩沉降速率较快，沉降值也接近方案A 中左侧隧道。但左侧隧道开挖时，右侧隧道的拱顶外围岩沉降速率未有明显减缓，说明后开挖左侧隧道，对右侧隧道拱顶外围岩沉降仍有较大影响。

将方案A及方案B中每一施工步骤计算得出的两侧隧道侧墙外围岩最大水平位移进行汇总得到图5b。其中，方案A 左侧隧道侧墙外围岩水平位移全程大于右侧隧道，右侧隧道侧墙外围岩水平位移主要发生自施工步骤10 以后，说明先开挖左侧隧道，对右侧隧道侧墙外围岩的水平位移影响较小，但在开挖右侧隧道时，左侧隧道侧墙外围岩的水平位移并未趋于稳定，因此，在实施方案A 时，应持续关注左侧隧道侧墙的水平位移。

方案B左侧隧道初始水平位移与施工步骤6时右侧隧道侧墙最大水平位移接近，左侧隧道侧墙外围岩自第10 施工步骤开始，其水平位移变化率明显大于右侧隧道，同期右侧隧道侧墙外围岩的水平位移变化速率虽有明显变缓但并未趋于稳定，左侧隧道完成时，侧墙水平位移大于右侧隧道，说明先开挖右侧隧道对之后两隧道侧墙外围岩水平位移均有影响。

3.2 塑性区分析

当围岩应力超过土体强度时，隧道周边围岩会发生破坏，从而形成一个塑性区。由图6可以得出，方案A 中塑性区域（图中红色区域）范围较方案B小，其中，方案A围岩最大应变为3.6 ×10-3，方案B 围岩最大应变为4.5 ×10-3，说明先施工右侧隧道对左侧隧道施工影响较大。究其原因，采用方案A，后开挖右侧隧道时，隧道上方覆土会向左侧隧道产生斜压向下的位移，形成偏压作用，挤压隧道间土体，在隧道拱肩及侧墙形成较大应力。采用方案B，先开挖右侧隧道会削弱两隧道间土体的侧向支撑能力，除拱肩、侧墙外，拱脚处所受应力亦会增大。

图6 塑性区范围Fig.6 Plastic zone

通过对围岩塑性区的描述可较为直观地进行初判，如塑性区相对集中于某一隧道，则该隧道应作为优先施工隧道。如塑性区范围均匀包含两个隧道，则应重点研究两隧道间土体的受力状态，优先选择受扰动较少或有利于后开挖隧道围岩稳定的方案。

综上所述，应采用方案A进行施工。

4 结论

偏压小净距隧道受边坡坡度、覆土深度、地质情况等诸多因素影响，其初期支护的施工方案无法得出固定结果，通过对偏压小净距隧道初期支护施工进行力学分析，得到结论如下：

1.无论采用何种方案，均会对后开挖隧道产生影响，这是因为先开挖隧道会改变后开挖隧道土体的应力场，不利于后开挖隧道施工。

2.两隧道间土体的受力情况是判定偏压小净距隧道初期支护施工的重要因素，应选择对中间土体扰动较少或有利于后开挖隧道的方案进行施工。

3.隧道开挖顺序的选择应结合围岩变形、初期支护内力等指标综合评定，实际工程可根据具体情况参考本文进行针对性研究。