山區小凈距三洞淺埋偏壓隧道開挖順序分析

張玉龍 李世文 李增源 林子鑫

摘要：為研究淺埋偏壓條件下小凈距三洞隧道的開挖力學響應，文章通過數字地面模型和有限差分軟件FLAC 3D建立了考慮原地表的三洞隧道三維模型，基于現場巖體參數開展了開挖順序的影響分析，討論了三洞隧道開挖的圍巖變形模式和最優開挖順序。結果表明：在偏壓小凈距三洞隧道開挖中，先行洞的開挖位置會影響其沉降變形大小和圍巖的沉降變形模式，先開挖邊側洞對另一側的沉降影響較小，先開挖中間洞則會對兩側邊洞造成較大沉降影響；在小凈距三洞隧道開挖中，隧道凈距對沉降造成的影響大于開挖順序；三洞開挖順序的4種工況中，選擇中間洞最后開挖的兩種開挖順序沉降變形相差不大，選擇由一側順序開挖至另一側的兩種開挖順序較優。

關鍵詞：小凈距隧道；偏壓隧道；淺埋隧道；隧道開挖

中圖分類號：U455.4 A 51 168 2

0 引言

小凈距隧道指的是在地形和用地受限的情況下，需要在較小的空間內布置多洞隧道穿越，一般認為兩洞間距小于2倍洞徑的為小凈距隧道［1］。小凈距隧道的建設難點在于隧道掘進會受到來自自身地形地質和周圍隧道開挖的雙重影響。隧道的開挖會擾動圍巖造成巖體應力的重分布，小凈距隧道多次開挖擾動加劇了這一過程的發展，當重分布的應力大于圍巖的強度時往往會造成位移激增，支護失效，甚至發生隧道整體失穩。目前關于小凈距隧道的研究包括以庫倫楔體理論為代表的雙洞平地面、雙洞斜地面小凈距隧道圍巖壓力計算理論［2-3］，以及以有限元隱式算法為代表的雙洞平地面、雙洞斜地面小凈距隧道數值模擬研究［4-5］。但這些研究目前還局限在二維空間，考慮因素較為單一，對于復雜地形下的隧道開挖難以形成指導，同時鮮有針對三洞小凈距隧道研究。本文以樂望高速公路樂業北互通主線雙洞及匝道隧道為實際工程案例，通過數字地面模型和FLAC 3D軟件建立了考慮原地形的三洞隧道三維模型，分析三洞小凈距隧道的開挖力學反應，為同類工程提供參考。

1 工程概況

樂業北互通主線左洞（A洞）全長747 m，右洞（B洞）全長767 m，D匝道隧道（D洞）全長611 m。三洞空間位置關系如圖1所示，A～B洞軸線間距為21.6 m，B～D洞軸線間距為18 m。隧道進洞位置為陡崖上，周圍分布村莊及農田。隧道進口段洞頂及洞身圍巖主要為坡積粉質黏土、中風化灰巖，巖體極破碎-較破碎，節理裂隙、巖溶發育，圍巖級別為Ⅴ級，根據鉆取的巖芯試驗，得出隧道進口的巖體力學參數如表1所示。

2 數值模型

通過將等高線數據矢量化建立數字地表模型，然后利用FLAC 3D軟件內置的網格生成方法Zone Generate From-Geometry建立隧道所在的地層網格，對隧道周圍巖體網格進行加密，網格尺寸為0.5 m，地表巖體采用1.0 m的網格，其余部分網格適當稀疏，模型總體網格數量為188 685個，節點數量為194 994個。利用Zone Face Apply命令建立隧道的邊界條件，除地表平面外對各地層剖面施加法向約束。

考慮到邊界效應，隧道兩側圍巖寬度取2.5倍洞徑，模型長度取三洞隧道洞口段Ⅴ級圍巖前45 m。隧道初期支護為鋼拱架和C25噴射混凝土。將鋼拱架采用剛度折算法換算為等厚的噴射混凝土，采用Shell單元模擬，厚度取0.3 m。二次襯砌為C35混凝土，采用實體單元模擬，厚度為0.5 m。由于A洞和B洞是主線，D洞是匝道，所以三洞的洞徑不同，但為了分析一般的三洞開挖力學響應規律和建模的難度，此處取三洞的平均洞徑8 m作為建模分析的參數，建模過程如圖2所示。開挖前對模型施加重力場，實現地應力平衡，消除地應力平衡時的位移。

3 參數分析

3.1 先行洞開挖位置分析

本文選擇沉降位移作為評價最優開挖順序的指標，這是因為沉降位移能夠較好地反映地表和隧道圍巖的變形情況，進一步反映隧道的穩定性。

根據既有研究可知，雙洞偏壓隧道的關鍵在于低側隧道（偏壓一側）和高側隧道（偏拉一側）開挖順序的確定。對三洞隧道而言，其開挖的順序的關鍵也在于確定最低側和最高側兩洞的開挖，中間洞對于山體的沉降位移影響介于兩者之間。在理論上，從最低側開挖可起到護腳的作用，從最高側開挖則可起到卸載的作用，因此在兩者的最優開挖順序上值得進一步研究。

從本文研究的三洞隧道邊仰坡來看，A洞受到前后和左右雙向坡的偏壓，D洞和B洞凈距極小，處于左右單向坡的下部。如圖3所示為開挖A洞、開挖B洞和開挖D洞后的位移云圖，從沉降位移數值上來看，A洞、B洞、D洞地表最大的沉降位移為7.31 mm、7.48 mm、7.77 mm，可以發現三者開挖均會在隧道頂部邊仰坡引起較大的位移，其中D洞單洞開挖引起的位移最大，A洞單洞開挖引起的位移最小。

從沉降位移模式上來看，單洞開挖時隧道圍巖正上方均會出現漏斗狀深度沉降區域，兩側圍巖出現蝶翼狀淺度沉降區域，隧道底部環形回彈位移。由圖3（a）可知，A洞開挖后，B洞頂部左側受到深度沉降影響（沉降位移＞2 mm），D洞受到淺度沉降影響；由圖3（b）可知，B洞開挖后，A洞和D洞頂部均會受到一定的深度沉降影響；由圖3（c）可知，D洞開挖后，B洞頂部右側受到深度沉降影響，A洞右側受到淺度沉降影響。綜上，B洞（D洞）開挖對左右兩側洞均有較大影響，A洞（偏壓一側）開挖后對另一側兩洞的影響較小，D洞（偏拉一側）開挖后對另一側兩洞的影響也較小，對A洞的影響更是極小。因此，在開挖順序上選擇A洞或D洞作為先行洞。

3.2 三洞開挖順序分析

前文僅對單洞開挖后隧道圍巖變形情況進行了分析，本小節將對三洞開挖后的圍巖變形進行分析。根據前文的分析結果，選擇A洞或D洞作為先行洞，那么共有4種工況需要分析，分別為ABD、ADB、DAB、DBA，其計算結果如后頁圖4所示，為了更加明顯地分析出不同開挖順序的差異，在計算中未考慮超前小導管和系統錨桿的支護作用，同時該開挖段仍處于淺埋破碎段，因此隨進尺和埋深的增加，隧道位移也隨之增大。

由圖4可知，B洞和D洞的沉降位移始終顯著大于A洞，這是因為B洞和D洞的凈距極小，開挖時在兩個隧道頂部形成了共同沉降區，顯著增加了圍巖變形。由圖4（a）可知，按照ABD順序開挖后，D洞的位移最大，A洞的位移最??；由圖4（b）可知，按照ABD順序開挖后，B洞的位移最大，A洞的位移最??；由圖4（c）可知，按照DAB順序開挖后，B洞位移最大，A洞位移最??；由圖4（d）可知，按照DBA順序開挖后，B洞位移最大，A洞位移最小。通過進一步分析可知，隧道凈距對沉降造成的影響大于開挖順序，無論哪種開挖順序都應該首先關注凈距對隧道變形的影響。

如表2所示，給出了不同開挖順序下洞口段的最終位移，可以看出三洞開挖順序對于三洞的位移也具有一定影響，最后掘進B洞的兩種工況（ADB、DAB），三洞的洞口位移相差不大。以此兩種工況的位移作為基準進行參考，按照偏壓埋深由低到高順序（ABD）開挖，低側洞位移降低，會造成中間洞的位移降低，高側洞的位移增加；按照由高到低順序（DBA）開挖，會造成高側洞位移降低，中間洞位移降低，低側洞位移增加。綜上可知，較優的開挖順序為ABD和DBA，在這兩種順序中，先開挖洞的位移會較小，后開挖洞的位移會較大，可根據沉降位移的控制目標進行選擇。

4 結語

本文建立了原地表數字地面模型，通過FLAC 3D軟件建立考慮地面的隧道開挖支護模型，對山區偏壓小凈距三洞隧道的三維位移反應進行了分析，探索了單洞開挖后和三洞開挖后隧道圍巖的沉降變形情況，討論了不同開挖順序對三洞隧道的沉降影響規律，得到如下結論：

（1）在偏壓小凈距三洞隧道開挖中，先行洞的開挖位置會影響其沉降變形大小和圍巖的沉降變形模式，先開挖邊側洞對另一側的沉降影響較小，先開挖中間洞則會對兩側邊洞造成較大的沉降影響。

（2）在偏壓小凈距三洞隧道開挖中，凈距較小的兩個隧道位移始終大于第三洞，三洞開挖的順序會對其沉降位移產生一定影響，選擇中間洞最后開挖的兩種開挖順序沉降變形相差不大，根據偏壓情況選擇由低到高順序開挖或由高到低順序開挖的兩種開挖順序較優。

參考文獻

［1］楊 靈. 淺埋偏壓小凈距隧道施工力學效應研究［D］.徐州：中國礦業大學，2014.

［2］孫振宇，張頂立，房 倩，等. 淺埋小凈距公路隧道圍巖壓力分布規律［J］. 中國公路學報，2018，31（9）：84-94.

［3］舒志樂，劉?？h，李 月.偏壓小凈距隧道圍巖壓力分析［J］.地下空間與工程學報，2007（3）：430-433.

［4］耿建儀，梁志輝，楊新安，等. 八達嶺長城站小凈距三洞隧道中巖柱受力特性與支護優化研究［J］. 隧道建設（中英文），2019，39（12）：2 000-2 010.

［5］李金奎，魏賢科，梁文靜. 大斷面小凈距三孔隧道群施工順序研究［J］. 水利與建筑工程學報，2015，13（2）：33-36.

收稿日期：2023-08-20