开挖工法对灰岩地区小净距公路隧道稳定性影响研究

王玮 WANG Wei；史奎 SHI Kui；郑茂源 ZHENG Mao-yuan；张新正 ZHANG Xin-zheng

（山东省公路桥梁建设集团有限公司，济南 250014）

0 引言

随着交通运输需求的日益增长，受隧址区地形和周边环境的影响，小净距隧道成为高速公路中常见的结构形式，其洞室开挖对围岩稳定性影响成为重要的研究内容。许多学者对小净距隧道围岩受力特征[1-3]、中夹岩稳定性控制[4-6]、开挖方法和安全间距[7，8]、支护效果[9，10]等方面进行了一些研究。本文主要针对灰岩地区大跨小净距隧道开展研究。隧址区为剥蚀低山丘陵地貌区，主要为中风化灰岩、局部夹泥灰岩。采用数值模拟的方式，通过对比不同开挖工法对隧道围岩稳定性影响进行研究，从而得到最优开挖方式，降低施工成本、保障施工安全，满足低碳环保的要求。本文针对小净距隧道开挖方案的优选进行研究，可为类似工程地质条件下小净距隧道实现快速、经济、安全的开挖施工提供参考。

1 计算模型及参数

为分析该灰岩地区小净距公路隧道左右洞开挖对隧道围岩及中夹岩稳定性的影响，左右线隧道轮廓相同，隧道开挖净宽17.35m，断面高度为10.5m。选取左、右洞净距最小处为7.2m 断面为研究对象，建立有限元模型，模型共计302980 个单元体，58628 个网格节点。计算模型四周和底部的外边界约束边界面法向位移，上边界地表为自由表面。岩土体结构计算采用Mohr-Coulomb 本构模型。

计算模型中各土层的参数根据设计单位提供的地质资料，结合类似石灰岩隧道工程资料确定。隧址区地层分布较为简单，隧址区主要岩性为中风化灰岩。计算选用的物理力学参数参考表1。

2 开挖工法对小净距隧道围岩稳定性分析

为探究开挖工法对小净距隧道围岩稳定性的影响，模拟计算共讨论了4 种工况，见表2。

2.1 围岩位移影响特征分析

为研究不同开挖工况对小净距隧道围岩稳定性的影响，选取隧道拱顶、左拱腰、右拱腰、左侧墙、右侧墙、拱底共6 个关键点作为研究对象（如图1）。其中，左线关键点编号为Z01～Z06，右线隧道关键点编号为Y01～Y06。提取不同开挖工况对应的计算结果。

图1 隧道关键点布置

提取不同开挖工法对左右线隧道关键点01 和06的竖直位移值和关键点02～05 的水平位移，得到如表3 和表4 所示计算结果。

表3 不同开挖工法对应关键点竖直位移（mm）

表4 不同开挖工法对应关键点水平位移（mm）

通过关键点位移可以看出，先施工的隧道会受到后施工的近接隧道施工时的扰动，洞周围岩位移较后施工的大。通过对比，工况3 施工时，隧道拱顶、底板的竖向位移及隧道边墙的水平位移都较其他工况大，对围岩扰动情况明显。上下台阶法对比CD 法，洞周围岩位移稍大。三台阶法施工对围岩扰动较上下台阶法小，但整体位移情况大于CD 法施工。4 种工况施工完成后围岩总位移云图，见图2。

图2 施工完成后洞周围岩总位移云图

由图2 可知，隧道开挖后，左、右洞中夹岩的稳定性受到了极大扰动，围岩位移较大区从中夹岩一直延伸到了地表。因此，为确定最优的施工工法，还需对不同工况下中夹岩的稳定性进行进一步分析。

在左洞与右洞之间设置关键点，使用摩尔库伦本构模型分别进行各个工况的分步开挖计算。提取不同工况下隧道开挖完成后各个关键点的位置值进行对比，见图3。

图3 隧道开挖完成后中夹岩各关键点位移

不同开挖工法下隧道开挖完成后中夹岩各关键点位移曲线均呈现先减小后增大的趋势，在距离左线隧道右边墙临空面3～4m 处到达最低点。之后，随着与右线隧道左边墙临空面的距离减小，中夹岩关键点位移逐渐增加。具体来说，与隧道边墙围岩位移特征相同，开挖完成后，工况2 开挖后对中夹岩产生的位移量最大，在未进行支护时，全断面开挖完成后对右线边墙内部造成了超过20mm 的位移。工况4 对中夹岩的扰动也较大，开挖完成后对右线边墙内部造成了超过15mm 的位移。此外，上下台阶法开挖完成后对左线右边墙处的中夹岩也有较大扰动，部分区域的围岩位移甚至超过了全断面法开挖。整体而言，工况1 和工况3 对中夹岩扰动相对较小。

2.2 围岩应力情况分析

为进一步说明不同开挖工法对隧道洞周围岩的扰动情况，分别提取不同工况开挖后左右线洞周关键点应力特征，见表5。

表5 各工况开挖后隧道围岩关键点应力变化表 单位：MPa

由表5 可以得到，开挖后，洞周径向应力释放，切向应力增加。各关键点的最大主应力基本为压应力，在左洞隧道靠近中岩墙拱肩关键点Z03 及右洞隧道靠近中岩墙拱肩关键点Y02 附近出现较大的压应力集中。

2.3 围岩破坏情况分析

根据摩尔库伦模型定义，开挖后围岩的塑性区体积能反映隧道开挖后围岩的破坏情况，因此也能从一定层面上说明不同工法开挖对围岩的扰动特征。因此提取隧道开挖后相同区间段的隧道洞周塑性区体积以及中岩墙处塑性区体积（如表6），以此来分析不同工法隧道开挖后的围岩情况。

表6 各工法开挖后隧道洞周及中岩墙处塑性区体积特征

根据表6 可以看出，工况2 即全断面开挖时无论是总体塑性区体积还是中岩墙处塑性区体积都是最大，工况3即三台阶开挖时塑性区体积最小。上下台阶法及CD 法开挖塑性区体积差别不大，但CD 法较上下台阶法稍好。

3 结论

对小净距隧道4 个开挖工法进行研究，分别从隧道围岩位移场、应力场、塑性区进行对比分析。通过综合对比4种不同开挖工况对隧道围岩及中岩墙的扰动情况，全断面开挖对周边岩体扰动最大，开挖完成后总塑性区为1.82×103m3，此外对洞周围岩及中岩墙岩体扰动均为最大。三台阶开挖对周边岩体扰动最小，开挖完成后总塑性区为1.46×103m3，该工法对中岩墙扰动也为最小。CD 法与上下台阶法相比，CD 法对洞周围岩及中岩墙岩体扰动较小，但两种工法的整体塑性区大小及中岩墙处塑性区体积相差不大。

因此，整体而言，考虑到施工难度，该隧道可采用CD法或上下台阶法进行分步施工，对围岩变形控制要求较高的区间可采用CD 法进行施工，对围岩变形控制要求不高的区间可采用上下台阶法进行施工。