小净距隧道双洞错距对围岩稳定性的影响研究

摘要：文章以龙胜—峒中口岸公路上思至峒中口岸段那丽隧道作为工程依托，采用数值模拟的方法建立那丽隧道双侧壁导坑法三维模型，并分别设置0 m、9 m、18 m、30 m共4种不同的双洞错距隧道开挖施工工况，根据模拟结果，分别从地表沉降、拱顶下沉、拱腰收敛以及围岩塑性区分布4个方面分析双洞错距对围岩稳定性的影响。结果表明，小净距隧道施工过程中应重点关注中岩柱上方的地表沉降情况，防止其变形超过规定的限度，适当增大小净距隧道双洞错距有利于控制拱顶沉降的变形速率。同时，根据拱腰收敛变形和围岩塑性区分布分析，确定那丽隧道的双洞错距设置为18 m较为合适。

关键词：缓倾；层状岩体；小净距隧道；双洞错距；数值模拟

0引言

随着高速公路建设在西南山区的不断延伸，将会有越来越多的隧道工程穿越层状岩体。层状岩体的稳定性主要受结构面控制，不同岩层倾角条件下围岩稳定性差异显著［1-3］，在此条件下修建的隧道工程结构受力形式与变形机理较为复杂，往往需要更加谨慎的支护结构设计与施工方案设计才能降低其诱发施工安全风险事故的概率［4］。

小净距隧道的概念于2004年在《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）［5］中正式提出。小净距隧道能较好地满足某些特定的地质和地形条件，有效解决了分离式隧道接线难度大、占地面积广等问题［6］，同时也能克服连拱隧道造价昂贵、工艺复杂、施工质量难控制等缺陷［7-8］。因此，小净距隧道在山区公路隧道得到了较为广泛的应用［9-10］。

小净距隧道的本质是双洞施工的互相影响，其支护结构受力与变形特征以及围岩的稳定性特征都比普通隧道要复杂得多［11］。进行小净距隧道双洞开挖时，先行洞与后行洞掌子面錯距较小则双洞施工互相影响显著，不利于围岩变形的控制；掌子面错距较大则会影响施工工期，不利于高效的进行施工组织设计［12］。因此，相当一部分研究人员对小净距隧道合理错距开展了研究［13-16］，虽然取得了一定的建设性成果，但仍不够全面，尤其针对层状地层条件下的小净距隧道合理错距的研究目前还较少开展。因此，本文依托实际在建工程，通过数值分析的方式研究缓倾层状地层条件下小净距隧道的合理错距。

1 工程概况

在建的那丽隧道位于防城港市峒中镇那丽村北西约1.8 km处，属于龙胜—峒中口岸公路上思至峒中口岸段。隧道全长1.1 km，开挖宽度为18.48 m，毛洞开挖高度为12.56 m，Ⅴ级围岩段开挖方式为双侧壁导坑法开挖，具体开挖顺序及支护形式如图1所示。那丽隧道左、右线平行布置，中间岩柱最小间距为15 m，仅为0.81D（D为隧道开挖宽度），为小净距隧道。隧道埋深约为50 m，属于浅埋隧道。上覆岩体主要为层状中风化砂岩，岩层走向与隧道径向基本平行，倾斜方向与水平面呈15°角，如图2所示。

2 隧道施工模拟

2.1 数值模型

为模拟那丽隧道Ⅴ级围岩段的动态施工过程，采用FLAC 3D软件建立三维数值模型。模型高度为90 m，隧道上覆岩体高度约为50 m，下覆岩体高度约为40 m；根据隧道开挖的边界效应，模型的宽度应至少取至5倍的隧道洞径，约为90 m，但考虑到本模型为双洞隧道且存在中岩柱，因此将模型宽度适当加大，设置为120 m，中岩柱的厚度设置为15 m，两隧道对称布置，模型纵向长度为30 m，模型整体尺寸为90 m×120 m×30 m（高×宽×纵深）；数值模型上边界设置为自由边界，除上边界外，各方向的边界均约束其法向速度为0（如图3所示）。

隧道及围岩采用实体单元zone模拟，本构模型采用Mohr-Columb模型。隧道的初期支护采用FLAC 3D软件内置的shell单元模拟。力学参数设置见表1。

为了使模型能够有效地反映那丽隧道层状围岩的特征，将模型按照图2所示进行分组，共计分为15组，在两个分组的交界处设置接触面（interface），用来模拟层状围岩的交界面（如图4所示）。接触面（interface）的力学参数见表2。

2.2 隧道三维动态模拟

左、右洞隧道均按照双侧壁导坑法施工顺序施工，左洞为先行洞，右洞为后行洞，每次开挖进尺为3 m。为了对比左、右洞不同错距条件下围岩的变形特征，分别将双洞错距设置为0 m、9 m、18 m、30 m（先行洞贯通）进行隧道施工动态模拟，因此，此次模拟共设置4种工况，如表3所示。

为了方便对比各种工况下隧道的变形特征，在模型的中部Y=15处分别设置地表沉降、拱顶下沉、周边收敛监测点，其中地表沉降监测点设置7个，拱顶沉降监测点2个，周边收敛监测点4个。各监测点布置如图5所示。

分别对4种工况进行模拟，得到了各个工况下的模拟结果。为研究不同掌子面错距对围岩变形的影响，对数值模拟结果进行提取、处理与分析。

2.3 地表沉降

浅埋隧道在施工过程中对地表沉降有着较高的要求。对于小净距隧道，一个合理的掌子面错距应能在一定范围内使隧道总体的地表沉降值较小，这样能更加有效地保障浅埋隧道上覆岩体的围岩稳定性。

提取地表沉降点的变形监测结果，分别绘制4种工况条件下地表沉降随着隧道开挖施工的变形曲线，如图6所示。从图6中可以看出，在小净距隧道开挖施工过程中，双洞隧道不同掌子面错距下地表沉降变形的趋势保持一致，当左洞（先行洞）开挖后，地表沉降进入快速变形状态，随着开挖的进行，地表沉降值逐渐增大，当右洞（后行洞）开挖至监测断面后，随着隧道的开挖，各地表沉降监测点的变形值趋于稳定，基本不再发生变化。

对比图6中的工况1、工况2、工况3、工况4可以发现，地表沉降变形稳定的时间随着双洞错距的增加而增加，双洞错距为0 m、9 m、18 m、30 m时对应的地表沉降变形稳定时步分别为15步、18步、21步、25步。这说明对于某个监测断面，双洞隧道的左、右洞均开挖至该监测断面后，隧道开挖对监测断面地表沉降的影响才算结束。也就是说，在不考虑变形值只考虑变形持续时间的条件下，双洞错距越短，地表沉降就越能够快速地趋于稳定。

同时，为了分析小净距隧道双洞错距对地表沉降最终变形值的影响，绘制了不同工况下地表沉降变形的沉降槽曲线，如图7所示。

从图7可以看出，地表沉降值以中间岩柱的中线划分，呈左、右非对称分布，左侧监测点整体变形大，右侧监测点整体变形小，这主要是受到了岩体倾向的影响，使隧道整体处于偏压状态。隧道左洞开挖后，隧道上部岩体底层应力快速释放，整体向左洞隧道洞内挤压，中岩柱左侧地表沉降较大；当右洞隧道开挖后，残余的地层应力较小，中岩柱右侧地表沉降也相对较小。

对比4种工况下地表沉降值的变化可以看出，随着双洞错距的增加，各测点的地表沉降值逐渐减小。从地表沉降变形最大的DB0点（中岩柱上方）的数据来看，掌子面错距分别为0 m、9 m、18 m、27 m时，该点地表沉降值分别为13.38 mm、12.95 mm、12.53 mm、12.43 mm，由此可见双洞错距的增加有助于控制地表沉降变形，但这个控制作用也是有限的，且双洞错距为18 m和30 m时的地表沉降值较为接近。

2.4 拱顶下沉

分别提取左、右洞隧道拱顶下沉监测点GDZ、GDY的变形数据，绘制变形曲线，如图8所示。

从图8可以看出，在变形稳定时间上，掌子面错距越长，左、右洞隧道拱顶沉降变形稳定所需的时间也越长，这与地表沉降保持一致。在变形趋势上，左、右洞隧道的拱顶变形在不同的掌子面错距条件下呈现出的变化趋势并不相同，左洞隧道拱顶下沉值随着错距的增加而增加，右洞隧道拱顶下沉值随着错距的增加而减小。出现这种情况的原因主要在于：对左洞而言，左洞为先行洞，错距越长，右洞开挖对左洞的影响持续时间也就越长，因此变形也就越來越大；右洞则恰恰相反，错距越长，右洞开挖至监测断面所需的时间也越长，在此期间左洞承担的岩体释放荷载越来越多，右洞开挖后周边岩体处于相对较为稳定的状态，因此变形也越来越小。

2.5 拱腰收敛

隧道的拱腰收敛变形反映了隧道的横向稳定性。提取SLZ1、SLZ2、SLY1、SLY2点模拟结果的X向位移监测数据，并经处理得到左、右洞拱腰收敛变形结果（SLZ1-SLZ2，SLY1-SLY2），绘制变形曲线如图9所示。

从图9中可以看出，左洞的拱腰收敛在不同工况条件下变形趋势并不相同，当掌子面错距不为0时，拱腰收敛变形表现为先增大、后减小、最后不变3个阶段：第一阶段拱腰收敛快速增加，主要是因为左洞隧道开挖后，周围岩体急剧地向洞内挤压；第二阶段收敛值减小，主要是因为右洞开挖至监测断面后，岩体部分开始向右洞挤压，因而左洞的拱腰收敛变形会有一定的减小，错距为0 m时，左右洞同时开挖，则不存在拱腰收敛减小的情况；第三阶段为开挖支护完成后拱腰收敛保持稳定。右洞的拱腰收敛在掌子面错距不为0时，变形阶段为先减小再增加最后稳定，这个阶段也是与左洞一一对应的，拱腰收敛首先减小是因为左洞开挖后右洞还没有开挖，监测点随周边围岩一起向左洞内挤压，因此右洞的拱腰收敛会出现减小的趋势，当然，错距为0时，若左右洞同时开挖则不存在这种情况。

从拱腰收敛变形值来看，左、右洞掌子面错距是否为0（即左、右洞是否同时开挖）对左洞拱腰的收敛变形影响显著，当掌子面错距为0时的拱腰收敛变形值明显较大，但当掌子面错距不为0时，错距的增加对左洞拱腰收敛变形基本没有影响。同时，对于右洞而言，其拱腰收敛变形值基本保持不变，不受掌子面是否为0以及掌子面错距大小的影响。

2.6 塑性区

围岩塑性区的大小反映了岩体的破坏范围，能够直观地体现出隧道开挖对周边岩体的影响范围。为分析不同掌子面错距对隧道塑性区的影响，借助FLAC 3D软件内置的Fish语言开发代码，用于自动计算塑性区体积，计算结果见表4，并绘制掌子面错距-塑性区体积变化曲线图，如图10所示。

根据表4、图10可知，当隧道掌子面错距为0时，塑性区体积最大为22 457.86 m3；当错距为30 m时，塑性区体积最小为19 694.02 m3，塑性区体积随着掌子面错距的增加而减小。这主要是因为左、右洞隧道开挖掌子面距离越近，双洞之间的影响就越强，围岩扰动的范围也越大，所以隧道周边围岩的塑性破坏区域也就越大。同时，从图10可以看出，随着掌子面错距的增大，塑性区体积减小的幅度越来越小，当掌子面错距＞18 m时，随着错距的增加，塑性区体积减小不再明显，这也说明双洞隧道掌子面开挖的影响范围约为18 m，即1D（为隧道开挖宽度）。

3 结语

缓倾层状岩体条件下，小净距隧道双洞错距对围岩稳定性的影响相对复杂。本文采用隧道三维动态数值模拟的方法，重点分析了双洞掌子面错距对隧道变形的影响，主要得到以下结论：

（1）缓倾层状岩体条件下浅埋小净距隧道的地表沉降变化是非对称的，以中岩柱划分，左侧变形大，右侧变形小，中岩柱中心处的地表沉降最大。因此，在现场施工时应重点监控中岩柱上方的地表沉降，避免其变形超限。

（2）双洞错距的大小对拱顶下沉最终值影响较小，但对变形稳定时间影响明显，较短的双洞错距会使拱顶下沉在短时间内达到较大的一个值，变形速率过大会提高现场施工的风险。

（3）左、右洞的拱腰收敛较为明显地反映出小净距隧道双洞的互相影响，双洞同时施工时拱腰收敛变形激增。经过对岩体塑性区的分析，基本确定本文的小净距隧道掌子面开挖对周边岩体的影响范围约为18 m。

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基金项目：广西重点研发计划项目“隧道施工风险信息精细化采集、分析及数字管理平台研发”（编号：桂科AB22080033）

作者简介：周邦鸿（1988—），工程师，研究方向：工程管理。