不同施工工法对浅埋小净距隧道围岩稳定性影响的数值模拟研究

岳晓蕾，李晓静，张 岩，朱冬梅

(山东建筑大学土木工程学院，山东济南 250101)

小净距隧道是介于普通分离式隧道和连拱隧道之间的一种隧道结构形式，因不受地形地质条件限制，施工工艺简单，造价易于控制，可有效提高运输效率，利于保护环境，目前在国内外已有很多工程实例。

目前，国内对于小净距隧道的研究尚处于边施工边探讨的阶段，没有明确的设计和施工规范，理论研究滞后于工程建设需求。在隧道施工过程中，不同的开挖方式对隧道围岩稳定性的影响变化较大，开挖方式决定着隧道围岩的荷载释放和变形方式，关系隧道的施工安全。小净距隧道的间距较小，中夹岩柱厚度小，两隧道的施工工序相互影响程度较大。因此，不同开挖方式引起的应力重分布和围岩扰动程度有较大区别，有必要对不同开挖方式下围岩和支护结构的变形及力学特征进行研究。

某隧道设计为双洞八车道上下行分离式隧道，隧道最大埋深约60 m，最小埋深约7 m。隧址区属丘陵地貌单元类型，地形起伏很大;地层结构主要为第四系黏性土及变粒岩、片岩等变质岩，基岩裸露地段风化严重，其中，变粒岩及片岩等变质岩物理力学性质较差，岩性较软，岩体较破碎。区内构造主要为断裂构造、韧性挤压变形构造和节理裂隙断裂构造，节理裂隙较发育，区内共有大的断层四处，断层处岩体破碎，挤压劈理发育。该隧道属于典型的浅埋、小净距、大跨度隧道，地质条件复杂，不同的施工工法将对隧道的安全性产生显著影响。

本文采用数值模拟的方法探索不同开挖方法对隧道围岩变形和力学特性的影响，优化隧道施工方案，确保隧道的施工和运营安全，并对类似工程的设计和施工提供较好的理论依据。

1 施工方法介绍

CRD工法又称交叉中隔壁法，施工中先开挖隧道一侧的一部或二部，施作部分临时中隔壁墙及临时仰拱，再开挖隧道另一侧的一部或二部，然后再开挖最先施工一侧的最后部分，并延长中隔壁墙，最后开挖剩余部分的施工方法。其施工开挖步序如图1所示。

双侧壁导坑法是新奥法的一个分支，又称眼镜工法。施工中先开挖一侧导坑，施作初期支护，再开挖另一侧导坑并作支护，然后开挖上部核心土，作顶拱支护，最后开挖下台阶部分，作仰拱支护。其施工开挖步序如图2所示。

图1 CRD工法的开挖步序

图2 双侧壁导坑法的开挖步序

2 数值模型及参数

2.1 数值模型

岩体初始地应力场仅考虑自重应力场的作用。隧道断面形状为三心圆加仰拱形式，取隧道毛洞单洞跨度为17.52 m，高为11.5 m。由FLAC3D建立数值模型，围岩采用四边形网格实体单元模拟，支护采用FLAC3D的结构单元模拟。

CRD工法和双侧壁导坑法的有限差分网格分别如图3和图4所示。

图3 CRD工法的有限差分网格

图4 双侧壁导坑法的有限差分网格

2.2 岩体力学参数

围岩采用摩尔—库仑屈服准则，根据该隧道岩石试样的室内试验结果，并考虑到岩块与岩体的力学参数差异，在计算中采用如表1所示的参数。

表1 岩体力学参数

2.3 支护参数

把二衬作为强度储备考虑，只模拟计算初期支护的作用。设计的隧道初期支护主要由系统锚杆、工字钢钢拱架、C20喷射混凝土和钢筋网组成。其中中间支撑为临时支撑，支护参数稍弱于洞周围岩支护，各支护参数如表2所示。

表2 隧道的初期支护条件

为模拟钢拱架与围岩的共同作用，先施加梁单元，在梁单元的预支护下开挖。CRD工法和双侧壁导坑法各开挖步的梁单元施加图分别如图5和图6所示。圆圈表示梁单元的节点，两个节点连成一个梁单元，若干梁单元连接成一根梁。

图5 CRD工法的梁单元施加

图6 双侧壁导坑法的梁单元施加

3 计算结果及分析

3.1 关键点位移

为查看开挖及支护后的位移和结果，在洞周设立部分关键点，关键点的分布如图7和图8所示。

图7 CRD工法的洞周关键点分布

图8 双侧壁导坑法的洞周关键点分布

使用FLAC3D计算程序按照两种工法的开挖步序逐步开挖，计算应力重分布至平衡，提取出隧道开挖完毕后洞周关键点的位移数值如表3和表4所示。

表3 CRD工法开挖步4关键点的位移值 mm

表4 双侧壁导坑法开挖步4关键点的位移值 mm

分析以上计算结果得出:CRD工法和双侧壁导坑法各开挖步洞周的水平和竖向位移值接近，双侧壁导坑法的位移值略大。

CRD工法最大竖向沉降位移约73 mm，在拱顶稍偏右处;双侧壁导坑法的最大竖向沉降位移约为83 mm，在拱顶区域。两种工法的竖向沉降位移变化均较为平稳，CRD工法的开挖步1与开挖步2之间位移变化幅度稍大，隧道上部全部开挖，施工中应注意开挖步2的施工安全和支护时机;双侧壁导坑法的开挖步2和开挖步3之间位移变化幅度稍大，隧道上部核心土全部开挖后，应及时支护。

CRD工法的最大水平收敛位移约为20 mm，在两侧拱肩处最大;双侧壁导坑法的最大约为40 mm，在两侧拱腰处最大。且先开挖一侧导洞水平收敛大，两种工法的水平收敛位移变化幅度均较为平缓，尤其是CRD工法。两种工法的底部隆起位移接近，CRD工法略小。

3.2 塑性区分布

两种工法开挖步4的塑性区分布见图9、图10。

由隧道开挖完之后塑性区分布图可以看到，因岩体较为破碎，强度低，两种工法均有较大剪切塑性区。CRD工法相对于双侧壁导坑法的要小，这也与开挖变形分布规律相一致。在施工过程中，应针对不同的施工方法采用合理的加固措施，如锚杆和注浆支护等，切实提高隧道围岩的稳定性，提高隧道结构的安全性。

图9 CRD工法的塑性区分布(开挖步4)

图10 双侧壁导坑法的塑性区分布(开挖步4)

4 结论

通过以上对小净距隧道两种开挖工序中竖向位移、水平位移、塑性区分布的计算结果比较得出，CRD工法的竖向位移和水平位移均较小，但与双侧壁导坑法的差别不大，CRD工法在控制位移和变形方面优于双侧壁导坑法。无论采用何种方法，由于围岩条件相对较差，均需进行必要的加固补强措施，以确保隧道结构的稳定性和耐久性。

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