城區大斷面淺埋小凈距隧道全斷面開挖條件下圍巖力學特性分析

江 帆

福州市市政建設開發有限公司，福建 福州 350000

0 引言

近年來，一部分山嶺地區城市快速路的建設已經進入新的發展時期，因受建設條件限制需要采用小凈距或者連拱等特殊的隧道結構形式［1］。其中，小凈距隧道具有兩隧道施工獨立、風險較小、造價較低等特點，較好地解決了雙洞隧道接線問題。但由于隧道間距較小，小凈距隧道襯砌及圍巖的力學行為變得更為復雜。

對此國內學者對此開展了一系列理論分析［2-5］、數值模擬［6-8］、模型試驗［9］和工程實踐［11-12］的研究，在淺埋小凈距隧道圍巖壓力方面取得了較為豐富的研究成果。然而，在圍巖壓力計算方面，特別是淺埋大跨條件下隧道圍巖荷載作用模式不明確，數值模擬所采用系數與工程實際可能存在一定出入，無法廣泛應用，為此有必要對淺埋小凈距隧道圍巖壓力的分布和發展規律此進行深入研究。

本文將實際工程得到的相關參數用于大跨淺埋小凈距公路隧道的有限元建模，在分析圍巖壓力的基礎上，總結施工力學行為的主要規律和時空特性，為圍巖壓力計算、支護設計提、施工安全、質量及進度管控工作具有一定的指導意義。

1 工程背景及開挖方式

本文以福州市工業北路延伸線文林山主線機動車隧道工程為例，工業北路延伸線位于福州市西片區，為南北向骨架路網之一。其中，主線機動車隧道沿現狀工業路往北延伸，穿越文林山至梅峰路。隧道左線長1176m，右線長1140m，均為單洞單向4 車道。隧道凈寬17.976m，拱高8.6m，含仰拱拱高11.5m。

本工程地質是剝蝕殘丘地貌，隧道段地形起伏較大，高程約為。根據相關勘察設計文件，文林山隧道右線YK2+698～YK2+730、YK3+490～3+810，左線ZK2+694～YK2+735、ZK3+480～3+816 區間段地層均為V 級圍巖，隧道洞身主要位于砂土狀、碎塊狀強風化花崗巖中，其埋置深度為淺埋、超淺埋，采用復合式襯砌。

圖1 文林山機動車隧道的橫斷面示意圖 （單位：m）

文林山主線機動車隧道主要采用全斷面法、CD 法以及上下臺階法進行分段施工。隧道二襯采用C35 鋼筋混凝土，厚70cm；初期支護使用噴射C25 混凝土+I25a 鋼拱架，厚31cm，并輔以多道系統錨桿和鎖腳錨桿進行加固。

為研究小凈距隧道開挖過程中圍巖壓力分布，故選用對圍巖擾動最大的全斷面法對隧道進行開挖，其施工橫截面示意圖如圖2 所示：

圖2 全斷面施工橫截面示意圖

其中：Ⅰ—左洞隧道；Ⅱ—左洞道系統錨桿支護區域；Ⅲ—右洞隧道；Ⅳ—右洞道系統錨桿支護區域；Ⅴ—中夾巖柱。

整個施工過程主要分為2 施工步驟：

（1）對左洞隧道Ⅰ進行開挖，同時進行左洞隧道初期支護Ⅱ，每次循環進尺；

（2）對右洞隧道Ⅲ進行開挖，同時進行右洞隧道初期支護Ⅳ，每次循環進尺；

2 計算模型的建立

2.1 基本假定

本文數值模擬計算采用有限差分數值平臺FLAC3D建立數值分析模型，以此來模擬隧道開挖過程中圍巖壓力的變化情況。

巖土材料在物理力學特性上存在較大隨機性和復雜性，并且小凈距隧道修建過程中開挖與支護工序十分復雜，為了能更有效地利用FLAC3D對此過程進行數值模擬，本文將對數值仿真過程采取一定的簡化：

（1）圍巖簡化為均質且各項同性的連續介質，其材料特性考慮為理想彈塑性體，力學特性假定遵循摩爾-庫倫強度準則；

（2）只考慮自重應力場，忽略構造應力場；

（3）忽略地表建筑與擴建隧道之間的相互影響；

（4）忽略超前支護對圍巖的有利作用；

（5）只考慮初期支護，二次襯砌作為安全儲備考慮；

（6）初期支護中系統錨桿的作用效果，將以提高支護區域內圍巖的粘聚力c 和內摩擦角Φ 來代替，其參數提高為20%。

2.2 模型參數

碎塊狀強風化花崗巖采用摩爾-庫倫本構模型，隧道初期支護系統采用線彈性本構模型，各項物理力學參數具體見表1。

表1 圍巖及襯砌參數

2.3 邊界條件

建模時為了有限的減少邊界條件對模擬結果的影響，模型在隧道左右邊墻各自向外再延伸3 倍洞徑。模型水平方向上總寬度約為8 倍洞徑，；隧道頂部至模型地表面約為左右，隧道底部至下邊界取。模型豎直方向上總高度約為3 倍洞徑，。左右洞隧道凈距為。為了模擬開挖過程對圍巖壓力的時空效應，模型設置了了進深。

最終模型尺寸為（寬度高度進深）。圍巖采用6 面體實體單元，共計36280 個實體單元，39228 個節點（圖3）。隧道初支采用Liner 單元，共計3906 個節點和7520 個單元（圖4）。

其中地表面為自由邊界，未受任何約束；側面為法向位移約束邊界，允許豎直方向的位移；底面施加固定支座，約束所有位移。

圖3 淺埋大斷面小靜距隧道三維數值模型示意圖

圖4 二次襯砌模型示意圖

2.4 基本假定

根據前述開挖過程及施工工序（圖2），在FLAC3D平臺上模擬開挖V 級圍巖區間段隧道，共計40 個開挖步（圖5），其關鍵開挖步對應工況如表2 所示。

圖5 施工工序平面示意圖

表2 圍巖及襯砌參數

3 計算結果與分析

關于淺埋小凈距隧道圍巖壓力與隧道凈距、埋深、圍巖級別的關系，以及小凈距隧道的施工力學行為，已有較多研究。下面結合文林山機動車隧道全斷面開挖，借助有限差分軟FLAC3D分析淺埋大斷面小凈距隧道的圍巖壓力分布和發展進行分析。

3.1 圍巖壓力

3.1.1 先行左洞

垂直和水平圍巖壓力監測點布置分別如圖6（a）、（b）所示。將第1 步及以后施工步獲取的左洞擴建隧道監測點的法向和切向壓力轉化為垂直向和水平向的圍巖壓力。

圖6 左洞圍巖壓力測點布置

圖7 為不同開挖階段上部圍巖作用在左洞隧道支護結構上的垂直圍巖壓力分布圖。

圖7 開挖過程中左洞垂直圍巖壓力分布

根據左洞開挖掌子面距監測截面0.1D 這條豎向圍巖壓力曲線所示：左洞開挖掌子面在監測斷面后方，距離約為0.1D，此時穩定的垂直圍巖壓力可以作為監測面上左洞擴建隧道的初始應力狀態，其壓力分布大致呈“U”字型；隨著左洞隧道的持續進尺，圍巖壓力分布由“U”型向“W”型過渡，并且在距離監測斷面0.5D 內，其豎向圍巖壓力持續增大，其中靠近擴挖面積較大一側變化幅度更大。右洞開挖后，隧道兩側靠外的部分拱肩處垂直圍巖壓力繼續呈現增大趨勢，然而其增加幅度較左洞隧道開挖（距離監測斷面內0.5D）??；而拱頂以及兩側拱肩處的垂直圍巖壓力存在有減小的現象。右洞開挖后，左洞先行隧道的圍巖壓力受其影響，隧道拱肩至拱頂部分其圍巖壓力出現一定的增加，靠近右洞一側圍巖壓力增大值較左側大，最大增量達0.08MP；兩側邊墻受其影響較小，尤其是遠離右洞一側的邊墻，其影響可忽略不計。

左洞隧道兩側水平圍巖壓力如圖8（a）、（b）所示。在左洞開挖過程中，水平圍巖壓力持續增大，拱腳處圍巖壓力大于拱頂及拱肩。右洞開挖施工令兩側水平圍巖壓力也繼續呈現增大趨勢。同時，靠近右洞一側水平圍巖壓力的增量大于左側水平圍巖壓力值的增量，最大增量為0.15MP。

圖8 開挖過程中左洞水平圍巖壓力分布

3.1.2 后行右洞

垂直和水平圍巖壓力監測點布置分別類似圖6（a）、（b）所示。將第31 步及以后施工步獲取的右洞洞隧道監測點的法向和切向壓力轉化為垂直向和水平向的圍巖壓力，如圖9 和圖10（a）、（b）所示。

如圖9 和圖10 所示，右洞隧道監測面上的垂直圍巖壓力及水平圍巖壓與如左洞隧道類似。對比圖7 和圖9、圖8 和圖10 可知，在淺埋小凈距隧道開挖過程中，先行洞所受圍巖壓力（垂直、水平向）大于后行洞所受圍巖壓力。且對于垂直圍巖壓力而言，隧道內側（靠中夾巖柱）大于外側，而隧道兩側分布的水平圍巖壓力則大致相同。

圖9 開挖過程中左洞垂直圍巖壓力分布

圖10 開挖過程中右洞水平圍巖壓力分布

4 結論

（1）淺埋大跨小凈距隧道垂直和水平圍巖壓力發展隨開挖工序發展的趨勢基本一致，發展速率略有不同，水平壓力發展速率大于垂直壓力。

（2）右洞開挖后，隧道兩側靠外的部分拱肩處垂直圍巖壓力繼續呈現增大趨勢，靠近右洞一側圍巖壓力增大值較左側為多；兩側水平圍巖壓力也繼續呈現增大趨勢，靠近右洞一側水平圍巖壓力的增量大于左側水平圍巖壓力值的增量。

（3）先行洞所受圍巖壓力（垂直、水平向）大于后行洞所受圍巖壓力。且對于垂直圍巖壓力而言，隧道內側（靠中夾巖柱）大于外側，而隧道兩側分布的水平圍巖壓力則大致相同。

（4）本文在數值模擬過程中選定為全斷面開挖，而實際工程中大斷面小凈距隧道常采用分步開挖方法，下一步研究中應考慮不同開挖功法影響下小凈距隧道圍巖壓力的分布和發展模式。