小净距隧道施工顺序FLAC3D模拟分析

李荣伟

（1.保定市水利水电勘测设计院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利监理咨询有限公司，河北 保定 071051）

小净距隧道施工顺序FLAC3D模拟分析

李荣伟1，2

（1.保定市水利水电勘测设计院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利监理咨询有限公司，河北 保定 071051）

以云南某地双线隧道工程为背景，采用FLAC3D数值模拟研究方法，对小净距隧道采用“同向滞后开挖”和“对向开挖”2种施工顺序下施工过程中的力学行为进行了对比分析，揭示出不同施工顺序下的地层剪应变增量、变形位移、应力及塑性区分布等相关方面的研究成果，得出“对向开挖”的施工方案优于“同向滞后开挖”方案的结论。同时也表明FLAC3D用于隧道围岩变形分析是可行的。

隧道工程；围岩稳定；数值模拟；有限差分法；FLAC

随着我国西部大开发的深入，大量的地下工程要开工建设，探讨地下工程稳定性的方法就显得尤为必要。目前，地下洞室围岩稳定性的分析方法大致可分为解析法、数值分析法、工程地质类比法、模型试验法、不确定性法等几种，各种方法均有优缺点［1－2］。FLAC有限差分法克服了有限元等其他数值分析方法不能求解大变形问题的缺陷，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，是目前研究地下洞室工程的一种重要手段［3－7］。

云南某地正在修建的小净距双线穿山隧道，均为直墙拱型，顶拱半径为5.0m，直墙高5.0m。两洞中隔墙厚10.0m。洞口天然斜坡分为38.7°、33.7°、26.6°3个等级，岩体较完整，岩层产状近水平，岩性大致呈阶梯状展布，分上、中、下3层。目前，双孔近距离平行隧道常见的开挖方式有同向滞后开挖、对向同步开挖2大类开挖方法。由于近距离双线隧道开挖过程中相互影响，围岩极易松弛和失稳，给施工带来很大难度。因此，为了确定较为合理的施工方案，现急需对两隧道不同开挖顺序下的围岩稳定性作以对比分析，以选择合理的洞挖方案。为此，本文利用FLAC3D有限差分数值模拟法对以上问题进行探讨。

1 计算模型网格剖分及物理力学参数选取

由于需分析比线隧道不同工况下洞身围岩稳定性问题，故采用了三维计算。根据围岩发生的变形情况及围岩的材料特性，采用了弹塑性本构模型和摩尔－库仑破坏准则。

模型计算范围为：上取至地面，下取至隧道底部以下5.5D，横向取至距洞室中心线两侧各5D，模型长度在隧道前进方向取15D，在负方向取6D。坐标原点建立在两条隧道洞轴线连线的中心位置（图1）。计算模型除上部为垂直荷载边界外，其余各侧面和底面为法向约束边界，计算时仅按自重应力场考虑。计算稳定判定标准选为1×10－5。 隧道及其附近20m×20m区域采用方形放射状网格，其余部位主要采用八面体网格（5m×5m×5m），天然斜坡表面采用五面体、六面体网格，共计32592个单元，34918个结点。

根据勘察成果，选取物理力学参数见表1。

表1 围岩物理力学参数表

2 数值模拟结果及分析

根据常规，小净距双线隧道施工时，一般采用同向滞后开挖和对向开挖。同向滞后开挖时，滞后隧道较先行隧道要滞后一段合理距离；对向开挖时，一般在两洞汇集点附近需相隔一定时间，以减小对相邻隧道施工造成的不良影响。但对向开挖时应尽量避免两线处于相互影响范围内同时施工，两线掌子面间的距离应大于一定值（另作讨论），当距离小于一定值时，应停止其中一线的施工，待间距超过合理距离时两线再同时对向推进。参照相关工程的施工经验，以及采用数值模拟的方法反复试算比较，本工程主要按以下参数设置初期支护：①布置径向锚杆，排间距1.5m，每排13根，顶拱180°范围内放射状均匀分布，长5m。力学参数取：杨氏模量45×109Pa，横截面面积6.158×10－4m2，浆液暴露周长1，抗拉强度250×106Pa，浆液固结刚度17.5×106Pa，浆液最大剪切力20×104Pa，内摩擦角30.0°。②顶拱180°范围内设置网喷混凝土，厚0.2m。 力学参数取：抗压强度10.5×109Pa，泊松比0.25，密度2500kg/m3。

本例中，当采用同向开挖时其滞后距离按50m考虑，模拟两隧道均开挖完且计算平衡后的围岩稳定性等问题，开挖循环步长取5m，初期支护滞后掌子面的距离按2个开挖段（2.5m×2m）进行了模拟。

2.1 最大剪应变增量

从隧道支护后围岩剪应变增量云图（图2）表明，隧道由于受到自重应力和滑坡作用力的影响，在隧道两侧拱脚处剪应变增量较大，由此可推断此四处是应力集中区，应对其进行重点监测，以掌握围岩发生的剪切变形数据。从两图对比可以看出，采用对向开挖时同等级的剪应变增量分布面积较小，且剪应变增量最大值也相对较小。

2.2 地层位移

根据数值模拟结果（图3），隧道纵断面位移最大值分布在浅埋段（0～50m），最大值为2.82cm；横断面位移最大值分布在中隔墙侧拱脚处，两隧道靠近中隔墙一侧的拱顶变形位移量均较大，说明隧道如发生破坏，应先从先行施工隧道靠中隔墙一侧的拱顶开始。从两图对比可以看出，采用对向开挖时同等级的地层变形位移值分布面积较小，且位移最大值也相对较小。

2.3 地层应力

从支护后局部第一主应力等值线云图（图4）可以看出，隧道附近围岩普遍处于低应力状态，大部分范围内仍处于受压状态；采用同向滞后施工顺序时，两边墙局部和中隔墙部位压应力集中现象明显，中隔墙中心最大压应力值为0.772MPa，两边墙部位最大压应力值为0.6MPa，深5～10m；采用对向施工顺序时，仅在中隔墙部位出现压应力集中现象，最大压应力值为0.5MPa。

隧洞边墙浅部及底部仰拱部位明显出现了应力松弛现象，该部位围岩基本处于低应力状态，但是两边墙拱脚及底拱小范围出现拉应力集中现象，采用同向施工顺序时最大拉应力达到0.076MPa，采用对向施工顺序时最大拉应力达到0.093MPa，接近围岩的抗拉强度，所以结合施工实际情况，两边墙和底板可补充增加初期支护，或者洞挖后及时进行二次衬砌。

2.4 地层塑性区

根据支护后围岩塑性区分布图（图5）可以看出，在模型运行开始阶段大部分范围进入过剪切屈服状态，后来由于应力重分布已退出塑性状态，深部围岩目前大范围处于弹性状态。模型完成开挖且计算平衡后，采用同向施工时接近活动塑性域的单元分布在两边墙、中隔墙及其基础地层中，其中两边墙接近活动塑性域的深度5m，并向坡体浅部发展，表现为剪切屈服；中隔墙地层接近活动塑性域的单元表现为剪切屈服，深度15m。采用对向施工时，单元接近活动塑性域的面积稍有减少，而且中隔墙基础地层已处于弹性状态。

2.5 结构内力

采用两种施工方案时，加固锚杆轴力随时间步长的变化规律基本相同。从分析可知，锚杆安装后即发挥其效用，其轴力开始增长缓慢，到后来迅速增大，随着计算时步的增加，最终又趋于一个稳定值，说明初期支护结构发挥了应有作用。两种施工方案下锚杆轴力均表现为拉张力，采用同向施工时锚杆最大轴力为6.521×105Pa，而采用对向施工时锚杆最大轴力为1.163×105Pa。

3 结语

根据FLAC3D数值模拟研究结果，说明按设计参数进行初期支护后，小净距隧道围岩趋于稳定状态，且采用“对向开挖”的方案优于“同向滞后开挖”的施工方案，如隧道两侧进洞口均具备作业条件，则可优先考虑“对向开挖”的施工方案，有利于提高施工进度和经济效益。总之，FLAC3D数值模拟法在本例中的成功应用，为该工程选择合理的施工方案提供了可信证据，其方法也值得同类工程借鉴。

［1］张继勋，刘秋生.地下工程稳定性分析方法现状与不足［J］.现代隧道技术，2005，42（1）：1－5.

［2］许传华，任青文，李瑞.地下工程围岩稳定性分析方法研究进展［J］.金属矿山，2003（2）：34－37.

［3］杜彬.长梁山隧道水平软弱围岩地段施工效应分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（13）：2357－2362.

［4］童伟.大型水电工程地下洞室群工作状态研究［D］.南京：河海大学，2006.

［5］Itasca Consulting Group，Inc.Fast Language Analysis of continua in three dimensions［R］.USA：Itasca Consulting Group，Inc.，1997.

［6］吴传斌，施斌，孙宇，等.昆明白泥井3号隧道围岩稳定性FLAC3D模拟［J］.水文地质工程地质，2004（6）：52-55.

［7］华渊，朱赞成，周太全，等.基于有限差分法的隧道新型支护结构稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（15）：2718-2722.

Numerical Simulation Analyses on the Construction Sequence of Twin－tunnel with Short Separation by FLAC3D

LI Rong－wei1，2
（1.Baoding Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Insititute， Baoding 071051， China；
2.Baoding River Water Conservancy Project Management and Consulting Co.， Ltd.， Baoding 071051， China）

In accordance with one twin－tunnel with short separation in Yunnan province， a comparative study was carried out by numerical simulation program FLAC3Don the behavior of the construction process of two closely－spaced parallel tunnels， considering two options of construction， namely asynchronous excavation in the same direction and excavation in opposite direction.Results of the numerical analyses indicate， with different construction sequence of twin－tunnel， many reasonable conclusions on relevant research， such as shear strain increment， the maximum displacement， the maximum principal stresses， the plastic zones and so on， are gained.At the same time， the article revealed the result of the excavation in opposite directions is much better than the other option.Finally， the article indicates that FLAC3Dis very capable of solving the deformation analysis of the tunnel surrounding rock.

tunneling engineering；the stability of surrounding rock；numerical simulation；finite difference method；FLAC

TV52

A

1672-9900（2011）01-0082-03

2010－12－31

李荣伟（1974－），男（汉族），甘肃陇西人，高级工程师，主要从事水利水电工程勘察设计与研究工作，（Tel）18931261505。