公路小净距隧道开挖方法数值模拟优化研究

施 露 周联英

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000;2.浙江大学城市学院 土木工程系，浙江 杭州 310000)

0 引言

小净距隧道与普通分离隧道施工工艺相近，可弥补连拱隧道整体结构受力复杂、施工工序转化多等不足，近年来在铁路、公路等多种工程领域得到广泛应用.但由于小净距隧道中间岩柱厚度较小，隧道在施工过程中会产生一定的相互作用，对隧道周围的岩土体稳定性和应力状态产生不利影响，从而影响施工进度并增加成本，甚至会导致一些安全事故发生，造成重大的经济损失和社会效益损失[1].影响小净距隧道施工质量与安全的因素众多，如施工方法、开挖顺序、加固方式等，合理选择小净距隧道的施工方法以及控制施工过程中关键点的变形和受力就显得尤为重要[2-4].

近年来，国内学者对小净距隧道做了大量的研究工作，龚健武[5]通过数值模拟和现场监测，指出了大断面小净距隧道施工开挖对围岩变形和稳定性影响的时空效应及其影响范围，提出了大断面小净距公路隧道在不同地质、地形条件下合理施工方法和施工顺序.孙振宇、张顶立等[6]建立小净距隧道荷载计算模型，从而提出了小净距隧道围岩压力的计算方法和小净距隧道围岩稳定性控制方法.王小林、张亮等[7]针对某地铁隧道不同施工顺序采用了二维动态有限元数值模拟，通过对比分析，得到了断面非对称小净距地铁隧道合理的施工顺序.李君君、石文广等[8]对高边坡小净距隧道失稳过程和锚杆支护建立离散元数值力学模型，研究表明在高边坡地形偏压和节理岩体条件下,深埋侧隧道拱肩节理剪切、滑移和张开是整个隧道失稳的主要原因.尽管如此，小净距隧道仍然处于探索研究阶段，在小净距隧道施工过程中，存在着隧道进出口端埋深浅、中间岩体稳定性差、偏压严重等问题，并且由于围岩以及中夹岩体的受力复杂[9]，使得设计时偏于保守，造成实际工程开挖方式复杂、工效低、工期长和投入大等问题.

本文以镇海至安吉公路段杨湾隧道为依托工程，运用有限元数值模拟软件MIDAS GTS/NX对隧道进行模拟分析，研究隧道在设计净距为12.4 m时，分别采用上下台阶法、单侧壁导坑法和CD法进行隧道的开挖，分析隧道整体位移、中间岩柱竖向应力等变化规律，通过数值模拟数据对设计推荐开挖方法进行优化，并通过监控量测进行验证分析，从而提高工效、加快工期，为该类小净距隧道的设计和施工提供参考.

1 工程概况

杨湾小净距隧道是镇海至安吉公路德清对河口至矮部里段工程的第四段隧道，右洞起讫桩号YK9+125～YK9+555，全长430 m，左洞起讫桩号ZK9+116～ZK9+599，全长483 m.隧道埋深0～69 m，净高5 m，净宽11 m，实际施工中间岩柱厚度D=12.4 m，设计开挖方法采用单侧壁导坑法.隧道沿线和进出口上部覆盖层为残坡积土含碎石粉质黏土、黏性土，以坡积黏性土、强风化为主，围岩稳定性和岩体完整性差，[BQ]<250，综合评定围岩等级为V级；下伏白垩系中风化晶屑凝灰岩、晶屑熔结凝灰岩为主，中风化岩体为块状构造，硬质岩，节理发育，岩体完整性较差，[BQ]=288.5，综合评定围岩等级为IV级.隧道初期支护采用20 cm厚的C25喷射混凝土和Φ25先锚后灌式中空注浆锚杆.岩体内部地下水主要为基岩风化带裂隙水，汇水面积小，地下水易于排泄，水量较贫乏，故模拟时可不考虑地下水的作用.隧道断面及尺寸如图1所示.

2 隧道开挖模拟

2.1 模型的建立

隧道进口YK9+120～YK9+172埋深为0～30 m，YK9+172～YK9+242隧道埋深为30～69 m，分别选取YK9+172和YK9+242两个典型断面进行模拟，隧道断面位于IV级围岩处，隧道埋深分别为30 m和69 m，上部覆盖层V级围岩厚度为2～4 m.在隧道的轴向方向取单位长度，将空间问题近似为平面应变问题进行求解[9].

围岩视为各向同性体，模型类型采用摩尔—库伦模型.锚杆和喷射混凝土均采用弹性材料模拟，锚杆的材料属性采用一维的植入式桁架单元.植入式桁架单元的优点在于不需要和土体网格节点耦合，程序会自动找到最近的节点传递位移，喷射混凝土材料属性，采用一维的梁单元进行模拟.岩体的初始地应力均考虑自重作用，根据工程地质勘查报告和相关规范，选取的围岩和工程材料物理力学性质参数如表1所示.

根据给出材料的物理力学参数、约束条件、本构关系，结合杨湾小净距隧道的地质勘察设计图建立隧道模型，计算模型网格划分如图2所示.

表1 围岩和工程材料物理力学性质参数

材料参数弹性模量/kN/m2 泊松比容重/kN/m3黏聚力/kN/m2内摩擦角/°本构IV级围岩9.7×105 0.352015035摩尔—库伦V级围岩8.2×104 0.32186028摩尔—库伦锚杆2×108 0.3260——弹性喷混6×106 0.2225——弹性硬化1.6×107 0.2225——弹性

2.2 开挖方法

根据工程实践，小净距隧道开挖方法一般有上下台阶法、单侧壁导坑法和CD法，具体根据地质条件选用.因此，本文对上述三种开挖方法进行数值模拟，如图3所示，其中，每开挖完一个断面后注入锚杆，喷射混凝土.

3 数值模拟结果分析

3.1 总位移分析

位移是判断隧道稳定性和安全性的一个重要指标，通过两种不同埋深下不同开挖工况的总位移云图(如图4)可以得到：(1)30 m埋深时上下台阶法最大位移为6.8 mm，单侧壁导坑法最大位移为6.7 mm，CD法最大位移为6.8 mm，可知三种开挖方法最大位移非常接近；(2)69 m埋深时三种开挖方法最大位移分别为12.8 mm、12.8 mm、12.5 mm，可知埋深增加时，三种开挖方式的最大位移值有所增大，但最大差值为0.3 mm，差距较小；(3)由总位移模拟计算可知，对于选取的两个典型断面，采用常规的三种开挖方法对总位移的影响并不大，而采用上下台阶法开挖明显可降低成本，加快工期.

3.2 拱顶沉降分析

隧道开挖后拱顶沉降值对于判断围岩的变形以及稳定性具有重要的意义[10].通过数值模拟可以得到拱顶各点的沉降值，主要分析点如图5所示.

由图6可知，三种开挖方法的拱顶沉降值随分析点的位置不同，呈现“W”字形状，可知，三种方法的沉降值均由隧道顶部逐渐向拱脚处减小，其中5、6分析点为内拱脚， 沉降值最小. 三种工法最大沉降均在拱顶位置附近，且沉降值相差不大，远远小于规范允许最大沉降值18.0 mm(埋深30 m).相应埋深69 m时，三种工法拱顶最大沉降也均小于规范允许最大沉降值22.0 mm.由拱顶沉降数值模拟计算可知：对于选取的两个典型断面，采用常规的三种开挖方法差别不大.

3.3 中间岩柱破坏区分析

中间岩柱是小净距隧道最容易进入屈服状态的部位，因此对其进行分析至关重要.对中间岩柱的竖向应力进行分析，如图7所示，1至7点均为监测中间岩柱的分析点，用来分析中间岩柱的竖向应力大小.

结果如图8所示，不同埋深的中间岩柱竖向应力值均是先减小后增大，主要是由于隧道在开挖时拱顶和仰拱处的围岩竖向应力释放最大，使得中间岩柱上部分析点的应力最大.埋深30 m时，上下台阶法的最大竖向应力值为309.9 kPa，然而其变化幅度较其他开挖方法较为平稳，变化幅度为5.2%，而单侧壁导坑法在4至7分析点竖向应力值最小，与上下台阶法的竖向应力最大差值为16.8 kPa.埋深69 m时，三种开挖方法的竖向应力差值较为明显，由于埋深增大，中间岩柱上部荷载变大，CD法开挖较其他两种开挖方法更为保守，因此使得CD法的应力值较小，然而三种开挖方法的竖向应力最大差值为33.7 kPa.由中间岩柱的数值分析可知，三种开挖方法对中间岩柱的竖向应力值影响不大.

4 优化和监控量测

由上述对杨湾隧道两个典型断面数值模拟计算可知：在设计净距12.4 m时，三种开挖方式引起的最大位移、拱顶最大沉降和对中间岩柱引起的竖向应力值都较接近，均满足规范要求.对设计推荐的单侧壁导坑法开挖方法进行优化，根据杨湾隧道工期紧、任务重，结合工程实际，选用工序较为简单、工效快的上下台阶法开挖，可以大大加快施工进度和减少施工成本.为保证施工安全，在施工过程中对隧道断面每隔5 m进行监控量测，监控点为隧道拱顶位置，选取进口段YK9+170、YK9+175断面监控量测数据如图9所示，最大累计沉降值为2.5 mm，YK9+240、YK9+245断面监控量测数据如图10所示，最大累计沉降值为3.8 mm.根据监控量测数据，实测值小于计算值，存在一定的误差.经分析， 由于拱顶监断面最大累计沉降值控量测值并没有计算测量点布设前的沉降损失值，使得数值模拟偏大于监控量测值.然而通过数值模拟和监控量测数据均满足规范要求，具有一定的指导施工的作用.

5 结论

根据杨湾小净距隧道结构设计参数，结合地质条件， 采用有限元数值模拟， 对常规采用的上下台阶法、单侧壁导坑法和CD法三种开挖方法进行拱顶沉降、总位移云图、中间岩柱竖向应力分析，并根据计算结果，对设计推荐开挖方法进行优化，达到简化施工工序、加快进度和节约成本的目的，可为类似工程案例设计和施工提供有益借鉴.