连拱隧道掌子面纵向间距数值分析

■高 帅 胡明香 胡发旺

（1.江西省赣南公路勘察设计院有限公司，赣州 341000；2.赣州水务股份有限公司，赣州 341000）

近年来，我国交通基础设施建设规模不断扩大，交通运输业实现高质量快速发展。 据统计，2021 年中国交通基建投资规模达3.6 万亿元， 总体朝着建设交通强国的目标大步迈进。 越岭公路隧道作为山区公路的重要构造物，在改善公路线型、节省用地和节约投资等方面发挥着重要作用。 连拱隧道作为一种特殊的隧道形式，因其线形流畅、占地面积小、避免了洞口路基或大桥分幅、 经济环保等优点，在双洞双向行车的公路短隧道建设中得到了广泛应用。截至2020 年，我国公路隧道总数量突破2 万座，总里程突破2 万km，其中连拱隧道数量超过1600座，总里程达500 km 以上。 同时，连拱隧道已不限于公路山岭隧道，在不同地理环境下，出现了隧道入湖、下海、过江、上岛等更加广泛的发展和应用趋势[1]。交通建设实践已证明，修建连拱隧道符合生态环境保护和绿色可持续发展的理念，也符合我国人多地少的基本国情。

不同于普通单线隧道或分离式隧道，连拱隧道由于开挖跨度大、施工工序交错多、施工工艺复杂、围岩应力变化和衬砌荷载转换复杂等因素[2]，导致其施工难度大，安全隐患增多。 连拱隧道左右线施工开挖相互影响，在影响范围内围岩应力和变形互相叠加，先后行洞掌子面纵向间距大小影响两者的叠加程度。 连拱隧道开挖施工时，为了减小左右洞的相互影响，先后行洞掌子面应保持合理的纵向间距，这样不仅可以降低围岩扰动，最大程度保证围岩稳定，还能够缩短工期，节约工程成本。 因此，对连拱隧道掌子面纵向间距分析具有重要的理论研究和工程实践意义。

1 研究背景

目前对于隧道掌子面纵向合理间距的研究，多集中在双线小净距隧道方面。Chung[3]通过建立三维模型研究双隧道相互作用效应，得出隧道影响周范围内侧向应力显著增加的结论。Ng C W 等[4]通过对平行开挖双线隧道荷载传递机制和先后行洞纵向间距变化对隧道稳定性影响的研究， 提出2.5 倍洞径为双线隧道纵向间距的临界值。 杜菊红[5]研究了小间距隧道不同掌子面间距对围岩变形和应力产生不同的影响，提出掌子面最优间距为20 m 左右。袁飞等[6]以黄土连拱隧道为研究对象，通过对黄土连拱隧道动态施工的三维数值模拟，确定偏压黄土连拱隧道施工过程中左右主洞掌子面的合理纵向间距为3 倍单洞跨度。 吴贲等[7]以韩府山小净距隧道为研究背景，通过数值模型分析，认为掌子面距离控制在2 倍洞径较为合理。杨子奇等[8]以九龙山—大郊亭区间隧道为研究背景，利用数值模拟软件对相同隧道间距情况下不同掌子面距离对地表沉降造成的影响进行分析，提出最佳隧道施工掌子面距离为1～2 倍隧道洞径。 厉广广[9]选取不同纵向间距同向开挖隧道模型作为研究对象，研究纵向间距变化对围岩变形的影响程度，得出V 类围岩台阶法施工双线隧道合理纵向间距为1.5 倍及以上开挖洞径。徐才厚等[10]以广州地铁工程案例为背景，采用有限元软件对7 种不同纵向间距下的盾构隧道进行开挖模拟，提出纵向距离9 环为最佳纵向施工间距。

从掌子面纵向间距研究现状来看，目前国内外针对连拱隧道的研究还相对较少，主要研究内容及成果多以小净距双线隧道为主。 本文以连拱隧道为研究对象，采用三维有限元数分析软件Plaxis，对V 级围岩三层复合曲中墙连拱隧道开挖施工进行数值模拟，分析不同纵向间距开挖条件下围岩变形与应力特征，确定连拱隧道施工中左右主洞掌子面合理纵向间距大小。

2 数值模型建立

以广东某连拱隧道为研究对象，该隧道形式为三层复合曲中墙连拱隧道。 隧道洞顶埋深为20 m，开挖高度为8.5 m，单洞宽度为10 m，隧道围岩等级为Ⅴ级，隧道数值分析计算参数如表1 所示。

表1 数值分析计算参数

图1 为连拱隧道三维数值计算模型示意图，假设隧道围岩为各向同性均质弹塑性介质，其屈服准则采用Mohr-Coulomb 准则。 不考虑构造应力和二次衬砌的影响，初期支护采用板单元模拟，采用提高喷射混凝土厚度来等效钢拱架作用，初支模拟厚度取0.5 m。

图1 连拱隧道三维数值计算模型

隧道施工采用中导洞施工法， 右洞为先行洞，总进尺长度为80 m， 右洞掌子面位置保持不变，调整左洞掌子面位置， 选取0D、0.5D、1D、1.5D、2D、2.5D、3D、3.5D、4D、4.5D、5D、5.5D、6D（D 为隧道单洞宽度）共13 个不同掌子面纵向间距进行数值模拟。为减小边界约束效应的影响， 左洞取20 m 隧道进尺作为初始状态。 表2 为不同掌子面纵向间距对应的隧道进尺长度， 图2 为掌子面纵向间距为6D 时对应的连拱隧道开挖平面示意图。

表2 不同纵向间距开挖情况

图2 隧道开挖平面示意图

3 计算结果分析

3.1 地表沉降分析

取右洞掌子面位置对应的横断面为特征断面A，研究分析不同纵向间距条件下特征断面A 所在地表沉降量，绘制地表沉降曲线，如图3 所示。 图中各曲线近似正态分布，且对称中心随着纵向间距的减小逐渐向中隔墙轴线位置偏移，表明掌子面纵向间距愈小，左右洞之间相互影响愈明显。 此外，随着纵向间距的减小，地表沉降量逐渐增大，纵向间距从6D 向2.5D 变化时，地表沉降量增速不明显，但从2.5D 开始，地表沉降量增速显著，沉降量大幅增加，并在0D 时于中隔墙处达到最大沉降量。因此，从地表沉降角度分析时，为降低左右洞开挖相互影响程度，掌子面纵向间距宜保持在2.5 倍及以上单洞宽度。

图3 特征断面A 地表沉降曲线

取中隔墙轴线方向竖直断面为特征断面B，图4为不同纵向间距条件下特征断面B 所在地表沉降曲线。 对比不同纵向间距对应的沉降曲线可以发现如下规律：随着纵向间距的减小，沉降曲线线型由上凸曲线逐渐向上凹曲线过渡， 其中过渡曲线为2.5D 间距对应的沉降曲线， 同样表明纵向间距越小，地表沉降越显著，为降低隧道开挖对地表下沉的影响， 掌子面纵向间距宜保持在2.5 倍及以上单洞宽度。

图4 特征断面B 地表沉降曲线

3.2 洞周收敛变形与应力分析

以右洞掌子面为研究对象， 分析不同纵向间距条件下对应的洞周收敛变形及应力大小。 图5（a）为右洞掌子面处拱顶沉降变形随纵向间距变化曲线，其线形为抛物线形，拱顶沉降变形随掌子面纵向间距减小而逐渐增大， 取2.5D 作为拐点，2.5D 之前增长速率较小，2.5D 之后增长速率逐渐增快，表明为使相邻左洞对右洞拱顶沉降的影响最小，两洞掌子面纵向间距宜保持在2.5D 以上。 图5（b）为右洞掌子面处拱底隆起变形随纵向间距变化曲线，其线形与拱顶沉降变形曲线类似，拱底隆起变形随掌子面纵向间距减小而逐渐减小， 取2.5D作为拐点，2.5D 之前减小速率不大，2.5D 后减小速率增大并趋于定值，因此为确保相邻左洞对右洞拱底扰动最小，两洞掌子面纵向间距宜保持在2.5D以上。

图5 洞周收敛变形曲线

图6（a）为右洞掌子面处拱顶总应力随纵向间距变化曲线，通过观察，纵向间距以2.5D 为拐点，在2.5D 之前拱顶总应力值几乎不变，2.5D 之后拱顶总应力值逐渐递增，故为减小相邻左洞叠加在右洞拱顶的总应力， 两洞掌子面纵向间距宜保持在2.5D 以上。 图6（b）为右洞墙腰总应力随纵向间距变化曲线，其线形为抛物线形，墙腰总应力随着纵向间距减小而增加，同样以2.5D 为拐点，2.5D 之前总应力增长速率缓慢，2.5D 以后增长速率逐渐增大， 因此为减小相邻左洞叠加在右洞墙腰的总应力，掌子面纵向间距宜保持在2.5D 以上。

图6 先行洞拱顶腰墙应力变化曲线

3.3 中隔墙变形与应力分析

取右洞掌子面处中隔墙中心点为研究对象，对不同纵向间距条件下中隔墙变形与应力进行分析。图7（a）为中隔墙中心点水平位移随掌子面纵向间距变化曲线，从图中可以看出，中隔墙中心点水平位移随纵向间距减小而增加，以2.5D 为拐点，2.5D之前位移增长速率缓慢，2.5D 以后水平位移呈线性增大，因此保持掌子面纵向间距在2.5D 以上，可以减小相邻左洞引起的中隔墙水平位移量。图7（b）为中隔墙中心点水平应力随掌子面纵向间距变化曲线， 通过观察可以发现， 掌子面纵向间距在6D～2.5D 间变化时， 中隔墙中心点水平应力值几乎不变，以2.5D 为拐点，水平应力开始逐渐增大，同理，为减小相邻左洞叠加在中隔墙上的应力值，掌子面纵向间距宜保证在2.5D 以上。

图7 中隔墙水平变形与应力变化曲线

3.4 初期支护变形与应力分析

以右洞掌子面处初期支护结构为研究对象，对不同纵向间距条件下初支拱腰处总位移及轴力进行分析。图8（a）为初期支护总位移随掌子面纵向间距变化曲线，其线形同样为抛物线形，初期支护总位移随纵向间距减小而增加，以2.5D 为拐点，纵向间距在2.5D 之前总位移增长速率缓慢，2.5D 以后增长速率递增并逐渐呈线性状态，故为减小相邻左洞对右洞初期支护变形的叠加影响，两洞掌子面纵向间距宜保持在2.5D 以上。 图8（b）为初期支护轴力随掌子面纵向间距变化曲线， 该曲线以2.5D 为拐点， 纵向间距在2.5D 之前初期支护轴力几乎保持不变，2.5D 之后轴力迅速增大，与上述结论相同，即掌子面纵向间距保持在2.5D 以上时， 可以减小相邻左洞叠加在右洞初期支护上的应力。

图8 初期支护轴力与总位移变化曲线

4 结语

研究采用三维有限元数值模拟，在Ⅴ级围岩基础上，对不同掌子面纵向间距条件下连拱隧道地表沉降、洞周收敛变形与应力、中隔墙变形与应力及初期支护变形与应力分别进行计算分析，得到如下结论：

（1）连拱隧道左右洞施工开挖存在相互影响，在影响范围内地表沉降及各项变形与应力均会互相叠加，且以2.5 倍单洞宽度为界，当左右洞掌子面纵向间距小于2.5 倍单洞宽度时， 两洞相互影响明显，变形与应力叠加显著；当左右洞掌子面纵向间距大于2.5 倍单洞宽度时，两洞相互影响减弱，变形与应力叠加不明显。

（2）对于连拱隧道，为减小左右洞施工相互影响， 两洞开挖掌子面纵向间距应保持在2.5 倍及以上单洞宽度。