不同掌子面间距非对称小净距隧道施工围岩运移规律研究

邱 浩 刘 春* 李 萌 雷 畅

（重庆科技学院，重庆401331）

为舒缓城市交通运输压力，我国正在逐步完善现代城市综合运输体系，加快城轨交通线路建设，目前城轨交通线路主要以地铁线路为主，占到各种轨道交通的80%左右[1]。在城市修建地铁隧道不同于公路、铁路隧道建设，其受限于地质环境和周围地形环境等众多复杂因素的影响，出现很多特殊的隧道结构设计形式，例如连拱隧道、分离式隧道、小净距隧道等，为了满足双线停车、节省用地、增添景观等设计要求，出现很多断面不对称的小净距隧道，称为非对称小净距隧道[2]。

小净距隧道由于双洞间距较小，施工过程中双洞的相互扰动尤为明显，就开挖顺序而言，先行洞开挖对处于初始应力状态的岩体造成初次扰动，后行洞开挖对先行洞和中间岩柱造成二次扰动，二次应力场叠导致其处于更不利的状态。近年来对小净距隧道施工研究规律表明，先行洞对于中间岩柱和地层沉降的影响都弱于后行洞，通过转换隧道施工方法、改变前后掌子面间距、加强支护方式都可以减弱中间岩柱叠加效应，以控制隧道的施工的安全[3]。

非对称小净距隧道断面不对称的几何结构，导致隧道处于偏压状态，其围岩应力相互作用更加复杂。岳健冷，荆春燕等针对小净距隧道的前后掌子面合理间距研究主要集中在二维施工动态，主要针对施工工法、隧道净距离、开挖顺序进行研究，研究也不够系统、不够精细[4-7]。因此本文依托实际工程针对非对称小净距隧道施工围岩变化规律展开研究，通过数值模拟三维施工动态响应，以揭示不同前后掌子面间距下非对称小净距隧道施工相互影响规律，这对于提高施工效率和保证施工安全具有重要的意义。

1 工程背景

选取重庆轨道交通九号线一期工程（高滩岩～兴科大道）高滩岩站～天梨路站区间为本工程的第一个区间（以下简称为高天区间），选取工程为高天区间的第一个工程，穿越的地层从上到下依次为人工填土、残坡积（Q4el+dl）粉质粘土及侏罗系中统沙溪庙组（J2s）砂岩、砂质泥岩。

本文针对高天区间的第一段路程，YDK0+554.214～YDK0+554.214 段进行分析，该段路程设计为双洞隧道，因左侧车道为双线车道，右侧车道为单线车道为减少工程造价，所以采用断面非对称隧道设计方式，左侧大断面隧道为A 断面，右侧小断面隧道为B 断面，左右两洞的中间岩柱的距离仅有2.82m，两断面截表1 所示。

表1 断面信息表

2 隧道施工动态模拟

本文数值模拟的模型将钢拱架与喷射的混凝土单元折算为壳体单元进行计算，高滩岩站至天梨路区间工程地质围岩等级为Ⅳ级，其中砂岩、砂质泥岩占到大部分，建模围岩物理力学参数来源于地质勘探，由于二次衬砌作为后期筹备作用，初期支护承担围岩释放荷载的大部分比例为60%～80%左右，本次模拟暂不考虑二次衬砌的影响，为简化模拟步骤，在数值模拟中按等效刚度的原则，将工字钢或格栅钢架的弹性模量折算到初期支护上，单车道和双车道之间的间距仅为2.8m，隧道之间的扰动比较大，采用钢拱架和锚喷支护相结合的支护结构。

式中：E 为折算后的弹性模量；

E0为混凝土的弹性模量；

SG为工字钢或格栅钢架的单位长度截面面积；

EG为工字钢或格栅钢架的弹性模量；

SO为混凝土单位长度截面面积。

隧道的支护参数和建模参数如表2 和3 所示。

表2 隧道支护物理参数

表3 建模物理力学参数一览表

3 工况选取及模型建立

本次模拟依托实际工程的开挖方法和顺序，大断面隧道先行，小断面隧道后行，大断面隧道采用CRD 法，小断面隧道采用上下两台阶法施工。为研究不同掌子面间距下围岩变化规律，以双洞净距离以实际工程距为标准取值2.8m，改变前后掌子面间距分别取值为3m、6m、9m、12m、15m、18m，模拟工况为后行洞开挖为9m，先行洞开挖分别为12m、15m、18m、21m、24m、27m。本次车站的开挖存在双线车道和单线车道两个隧道同时施工的工况，两隧道均五心圆不规则隧道，本次计算模型边界尺寸，为横向110m，纵向70m，即左右两侧计算边界为4 倍双隧道的总跨度，A 断面大断面隧道埋深27.91m，B 断面小断面隧道埋深30.11m，上取至地面30m。A 断面高8.69m，B 断面高6.95m，向下取3 倍洞径取值30m。隧道开挖长度51.81m，开挖长度取值51m。对模型左右两侧边界进行水平约束、底部边界进行竖直约束，模型初始应地应力场按照自重力进行，网格划分中间岩柱局部加密。隧道网格划分和岩体网格划分如图1 和图2 所示。

图1 隧道岩体网格划分

图2 隧道开挖网格划分

4 模拟计算结果及分析

4.1 位移分析

为揭示不同掌子面间距下地层沉降规律，下图为左右掌子面不同间距下隧道开挖洞口切面地层沉降图，其中横坐标0 点为非对称小净距隧道的中间岩柱中心线位置，工况间距12m 工况下地层沉降图如图3。以大断面隧道拱顶沉降为纵坐标，以隧道纵向深度为横坐标，以前后掌子面间距为图例进行绘图4。

图3 掌子面间距12m 地层沉降图

图4 不同掌子面间距先行洞拱顶沉降

以上共有6 种工况，由于不同掌子面间距下隧道地层沉降曲线图形状基本相似，本次只对掌子面间距12m 进行相应的分析：隧道上部岩体地层沉降共有两种变化状态，从上到下由“单驼峰”形向“双驼峰”形逐渐转变，隧道沉降曲线向先行洞倾斜，且先行洞沉降值远大于后行洞，两洞都是越靠近隧道顶部沉降速率越来越大，沉降差值先行洞隧道也大于单行洞隧道。单驼峰隧道地层沉降以距离拱顶1m、3m 和6m 为代表，双驼峰以距离拱顶20m、24m 和36m（地表）为代表横向分析，隧道地层沉降越靠近先行洞周围，沉降增幅愈加明显，主要集中在先行洞的18m 范围之内，越靠近后行洞周围增幅也较明显相对于先行洞隧道增幅小很多。

通过图4 分析6 种工况下隧道拱顶沉降的变化曲线图趋势基本一致，由快速上扬、平稳上扬、急速上扬，平稳收敛的过程，6种工况先行洞掌子面后方12m 隧道基本趋于稳定，即围岩不在受到掌子面开挖的影响，且随着掌子间距的增加这个数值基本不在发生改变，开挖在纵向影响距离为12m。

4.2 中间岩柱分析

中间岩柱是小净距隧道分析的重点，本节以纵向隧道深度为横坐标，以中间岩柱中间点的横向位移和最大主应力为纵坐标绘图如图5-8。

图5 左侧点x 位移

图6 中间点x 位移

图7 右侧点x 位移

图8 中间岩柱应力变化

前后掌子面间距为3m-9m 时，隧道边墙收敛为负值，12m-18m 逐渐呈现为正值，这是因为在纵向上随着掌子面间距逐渐增大，中间岩柱的应力叠加令中间岩柱受合力方向发生改变，应力纵向传导令洞口面中间岩柱位移发生变化，说明掌子面间距变化对于纵向应力传递对洞口具有一定的影响。中间点横向位移，除掌子面间距3m 呈现负值，其余工况中间点位移呈现正值。分析其原因是左侧先行洞开挖后隧道通过中间岩柱向右侧传递应力，后行洞开挖向中间岩柱左侧传递应力相互抵消导致中间位移呈现正值。隧道开挖还是以先行洞传递应力为主导应力，掌子面距离越近对中间岩柱作用越明显，这种作用强度与间距成正相关，且隧道应力传导会优先偏向弱区。分析中间点应力变化图， 掌子面间距0-12m 最小应力为320kpa，12m-18m 应力减小保持在265kPa，通过应力变化分析前后掌子面间距控制在大于12m，这与上文中地层沉降、拱顶沉降分析结果基本一致。

综上所述这三个监测点具有明显的叠加性，左中右受力处于不均匀状态从沉降位移来看，掌子面间距越大掌子面之间上升越平缓，后行洞掌子面至先行洞掌子面之间有一个急速上升的区间，其差值、斜率基本一致，开挖过程中通过改变前后掌子面间距可以减缓中间岩柱位移变化速率，以减少对中间岩柱的扰动。

4 结论

非对称小净距隧道开挖地层沉降曲线向先行洞大断面隧道倾斜，越接近隧道顶端沉降曲线由“单驼峰”形向“双驼峰”形逐渐转变，双驼峰为非对称双驼峰，靠近先行洞大断面的沉降速率远大于后行洞，对中岩柱应力纵向应力进行分析，掌子面间距大于12m 时应力处于较小数值。对先行洞拱顶沉降分析，隧道停止开挖后隧道后方12m 围岩将不在受开挖的影响而趋于稳定。通过中间岩柱应力、位移和地层沉降规律综合分析，隧道掌子面间距控制距离和纵向掌子面开挖影响距离基本一致。