不同净距双洞隧道上下台阶法同时开挖数值模拟分析

李明樾 洪星架

为研究不同净距双洞隧道在上下台阶法同时开挖下的围岩变形、受力及支护受力情况，文章基于Midas/GTS软件平台对10 m、14 m、18 m、22 m净距双洞隧道进行了数值模拟分析。结果表明：（1）隧道中岩墙一侧拱腰水平位移相比左侧拱腰大，拱顶处、仰拱处水平位移较小，且随着净距变化其值基本保持不变;（2）隧道拱顶及仰拱位置处围岩竖向位移较大，拱腰处较小，随着隧道净距增大各部位竖向位移均减小;（3）随着隧道净距的增大拱顶及仰拱处的水平应力及竖向应力逐渐减小，但减小幅度较小，同时拱腰处水平应力及竖向应力变化较大，且减小幅度不断扩大;（4）随着净距的增大，锚杆轴力最大值及喷混结构最大拉应力发生了减小，减小幅度逐渐扩大。

双洞隧道;不同净距;上下台阶法;围岩;支护

U455.4A200704

0 引言

我国山岭所占比重较大，山嶺地形条件复杂，受限于这些复杂的地形地质条件，隧道工程就常见于高级公路的修建当中。双洞隧道不同于单洞隧道，当两个隧洞净距较小时，隧洞开挖就会互相产生影响[1-2]，开挖过程中围岩变形、受力就更为复杂。因此，针对双洞隧道的开挖过程，不同开挖方法、不同围岩等级等方面因素已有不少学者已经进行了研究[3-5]。上下台阶法因其预留台阶长度和分部开挖的方式能够有效控制隧道开挖过程的围岩变形[6]，所以，为了研究不同净距双洞隧道在上下台阶法同时开挖下的围岩变形、受力及支护受力情况，本文基于Midas/GTS软件平台对10 m、14 m、18 m、22 m净距下的隧道拱顶、拱腰及仰拱部位的水平、竖向位移，水平、竖向应力以及锚杆、喷混结构的应力变化规律进行了数值模拟分析，研究结论对双洞隧道净距及支护参数的设计具有重要参考意义。

1 小净距隧道及施工方法

1.1 小净距隧道

小净距隧道是指隧道中的中岩墙厚度小于分离式独立双洞的最小净距的双洞隧道。根据《公路隧道设计细则（JTG/T D70-2010）》[8]，分离式独立双洞的最小净距如表1所示，其中B为隧道洞径长度。

1.2 上下台阶法

上下台阶法因预留一定的台阶长度，给予掌子面一定反向推力，有利于控制开挖过程中的围岩变形，常用于围岩等级较低或其他特殊开挖环境中。主要施工步骤为：开挖上台阶①、预留下台阶②→施作上部台阶锚杆、喷射混凝土→开挖下台阶②→剩余部分初支施作。

2 模型建立及分析工况

2.1 隧道模型建立

假定围岩性质为连续、均质及各向同性，初始地应力场为自重应力，即σZ=γH，采用摩尔-库伦屈服准则[7]。初期支护中喷射混凝土采用2D板单元模拟;锚杆采用1D植入式桁架单元模拟;岩体采用3D实体单元模拟。

计算区域选取约5倍洞径左右，横向120 m、竖向120 m、纵向30 m。模型方向规定为：隧道开挖方向为Y轴正向，竖直向下为Z轴正向，隧道掘进横断面向左方向为X轴正向，数值模型如图2所示。模型边界X、Y方向位移面施加约束;底部边界Z方向位移面施加约束;隧道围岩等级为Ⅲ级，采用喷锚支护的方式，锚杆采用2×1.8 m的间距布置，结构单元如图3所示。

2.2 分析工况

该隧道洞径为10.5 m，而分离式独立双洞的最小净距为21 m。本次模拟分析工况为三个小净距隧道，一个分离式隧道，具体工况如表2所示。不同净距模型示意图如图4所示;隧道的围岩参数如表3所示;支护参数如表4所示。

3 数值模拟结果分析

3.1 围岩位移分析

3.1.1 围岩水平位移

导出模型计算结果，通过结果提取方式提取隧道不同部位围岩的位移值，如下页图5所示。由图5可知：10 m净距下双洞隧道开挖的围岩水平位移拱顶处为0.5 mm，仰拱处水平位移为0.6 mm;两侧拱腰水平位移值并不相等，不同于单洞隧道，左侧拱腰水平位移为10.1 mm，中岩墙一侧拱腰水平位移为11.3 mm，相比左侧拱腰大1.2 mm。以相同的方式提取不同净距的双洞隧道开挖后的水平位移值，绘制折线图进行对比分析，其中因中岩墙一侧拱腰的水平位移值更大，四种工况下拱腰处的水平位移值采取中岩墙一侧的水平位移值。

提取不同部位不同净距下围岩竖向位移值绘制折线图，如图6所示。由图6可知：10 m净距下拱顶处、仰拱处水平位移分别为0.5 mm、0.6 mm，且随着净距变化其值基本保持不变;而中岩墙一侧在净距为10 m时拱腰处水平位移为11.3 mm，净距增大为14 m、18 m时水平位移值分别为10.6 mm和9.48 mm，分别减小了0.7 mm、1.12 mm，减小幅度有所扩大;当净距增大至22 m时，即隧道从小净距隧道变为分离式隧道时，拱腰处水平位移值减小至5.67 mm，减小幅度进一步扩大。

3.1.2 围岩竖向位移

如图7所示，围岩竖向位移较大值发生在隧道拱顶及仰拱位置处，拱腰处竖向位移值较小。随着隧道净距的增大，隧道拱顶、拱腰及仰拱处的竖向位移均减小;在净距从18 m增大至22 m时，拱顶、仰拱和拱腰处的竖向位移分别减小了1.05 mm、1.29 mm和0.75 mm，减小比率分别为14.8%、18.5%和34.1%，可以看出净距的增大对拱腰处位移影响更大。

3.2 围岩应力分析

导出隧道水平应力S-XX及竖向应力S-ZZ分布图，同样通过提取结果方式提取隧道不同部位的应力值。

3.2.1 围岩水平应力S-XX

从围岩不同部位的水平应力变化可以看到，拱顶及仰拱处的水平应力随着隧道净距的增大在逐渐减小，但减小幅度较小，拱顶处水平应力在-480～-450 kN/m2范围内，仰拱处水平应力在-290～-280 kN/m2范围内;而拱腰处水平应力变化较大，10 m净距时水平应力为-560.6 kN/m2，随着净距的增大，拱腰处水平应力值分别减小了9.86 kN/m2、31.5 kN/m2、62.39 kN/m2，减小幅度不断扩大。如图8所示。

3.2.2 围岩竖向应力S-ZZ

分析竖向应力变化可以看到，拱顶及仰拱处竖向应力值随隧道净距变化较小，拱顶处竖向应力值在-250～3 000 kN/m2范围内，仰拱处竖向应力值在-145～165 kN/m2范围内;同样在拱腰位置处竖向应力变化较大，随着净距的增大，拱腰处水平应力值分别减小了50.32 kN/m2、134.97 kN/m2、365.87 kN/m2，减小幅度不断扩大。如图9所示。

3.3 支护受力分析

分析支护受力情况，导出开挖完成后喷混结构最大主应力分布图及锚杆轴力图，如图10～11所示。

从图11可以看到，喷混结构最大拉应力及锚杆轴力最大值均分布在隧道拱腰位置，且随着净距的增大，锚杆轴力最大值及喷混结构最大拉应力均发生了减小，减小幅度也逐渐扩大，锚杆轴力最大值在325～400 kN范围内，喷混结构最大拉应力在1 900～2 250 kN/m2范围内。

4 结语

为了分析不同净距双洞隧道上下台阶法同时开挖下围岩变形、受力及支护的受力情况，本文基于Midas/GTS软件平台对隧道开挖过程进行了数值模拟及结果分析，得到以下主要结论：

（1）双洞隧道开挖的围岩两侧拱腰水平位移值并不相等，中岩墙一侧拱腰水平位移相比左侧拱腰大。

（2）拱顶处、仰拱处水平位移较小，且随着净距变化其值基本保持不变;中岩墙一侧拱腰处水平位移随净距的增大不断减小，减小幅度不断扩大;当净距增大至22 m时，即隧道从小净距隧道变为分离式隧道时，减小幅度进一步扩大。

（3）围岩竖向位移较大值发生在隧道拱顶及仰拱位置处，拱腰处竖向位移值较小;随着隧道净距的增大，隧道拱顶、拱腰及仰拱处的竖向位移均发生了减小;在净距从18 m增大至22 m时，拱顶、仰拱和拱腰处的竖向位移减小比率分别为14.8%、18.5%和34.1%，净距的增大对拱腰处位移影响更大。

（4）拱顶及仰拱处的水平应力S-XX及竖向应力S-ZZ随着隧道净距的增大在逐渐减小，但减小幅度较小，而拱腰处水平应力S-XX及竖向应力S-ZZ变化较大，且随着净距的增大减小幅度不断扩大。

（5）喷混结构最大拉应力及锚杆轴力最大值均分布在隧道拱腰位置，且随着净距的增大，锚杆轴力最大值及喷混结构最大拉应力均发生了减小，减小幅度也逐渐扩大。

综上分析可以发现，小净距双洞隧道同时开挖，因净距较小，其中岩墙厚度远远小于分离式隧道中岩墙厚度，左右洞开挖相互作用在中岩墙处出现二次应力叠加，使应力集中，从而導致中岩墙一侧拱腰处围岩应力、位移及支护结构的应力较大，且净距越小，开挖对围岩及支护的影响越大，因此需对中岩墙一侧的支护参数进行加强。

[1]祝志恒，阳军生，董 辉.双洞隧道施工引起地表移动的多参数反分析研究[J].岩土力学，2010（1）：293-298.

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[8]JTG/T D70-2010，公路隧道设计细则[S].