不同开挖工法下浅埋偏压小净距隧道及边坡稳定性研究

徐松

摘 要：【目的】隧道施工中常遇到小凈距偏压隧道与边仰坡相互作用的情况，可能导致隧道塌方及边坡失稳，因此在建设过程中应及时对二者进行加固，尤其是浅埋小净距偏压黄土隧道。【方法】以中兰客专引入兰州枢纽配套工程白石一号隧道为工程背景，采用数值模拟的方法对不同开挖工法及施工顺序下小净距隧道的稳定性进行研究。【结果】浅埋偏压小净距隧道开挖形成的塑性区与边坡潜在滑动面贯通，极易使隧道坍塌，使隧道邻近边坡发生失稳灾害。采用三台阶临时横撑法的开挖方式对围岩的扰动范围最小，且先对靠近山体的隧道开挖所得的边坡稳定安全系数较大，更有利于小净距隧道及边坡的安全稳定；三台阶临时横撑的开挖工法使得临时横撑与衬砌共同承担荷载，可最大限度地抑制隧道拱顶和仰拱的围岩变形，继而保证施工安全。【结论】针对小净距隧道中岩柱稳定性问题提出了相应的加固建议，为类似浅埋小净距隧道施工提供参考。

关键词：浅埋；小净距隧道；偏压；开挖工法；稳定性；数值模拟

中图分类号：U455     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）06-0064-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.013

Study on the Stability of Shallow-Buried Bias Voltage Neighbourhood Tunnel and Slope Under Different Excavation Methods

XU Song

（China Railway 22nd Bureau Group Co.， Ltd.， Beijing 100043， China）

Abstract： [Purposes] The interaction between the neighbourhood bias tunnel and the side slope is often encountered in the construction of the tunnel， which may lead to tunnel collapse and slope instability. Therefore， it is necessary to reinforce the two in time during the construction process， especially the shallow buried neighbourhood bias loess tunnel. [Methods] Based on the project background of Baishi No.1 Tunnel， a supporting project of Lanzhou Hub introduced by Zhonglan Passenger Dedicated Line， the stability of small clear distance tunnel under different excavation methods and construction sequence is studied by numerical simulation. [Findings] The results show that the plastic zone formed by shallow-buried unsymmetrical tunnel excavation with small clear distance is connected with the potential sliding surface of the slope， which is easy to collapse the tunnel and cause landslide disaster near the slope. The excavation method of three-step temporary cross brace has the smallest disturbance range to surrounding rock， and the slope stability safety factor obtained by excavating the tunnel near the mountain is larger， which is more conducive to the safety and stability of the small clear distance tunnel and slope. The excavation method of three-step temporary cross brace makes the temporary cross brace and lining share the load， which can restrain the deformation of surrounding rock of tunnel vault and inverted arch to the maximum extent， and then ensure the construction safety. [Conclusions] The corresponding reinforcement suggestions are put forward for the stability of rock pillars in small clear distance tunnels. The research results can provide reference for similar shallow-buried tunnels with small clear distance.

Keywords： shallow burial; neighbourhood tunnel; bias voltage; excavation method; stability; numerical simulation

0 引言

随着我国经济的快速发展，基础设施建设取得了一些成就，铁路建设也是其中重要一环，铁路的建设不仅满足了国民出行需求，且对我国国防事业安全至关重要。我国中西部地区山脉纵横交错，尤其是黄土高原地区地质复杂，在铁路修建时常采用隧道的形式，在存在土地资源紧张和现有居民点的地方可采用小净距隧道来进行绕避。同时，在偏压情况下开挖和支护的小净距隧道由于形式特殊也备受关注。因此，为保证偏压小净距隧道及边坡的施工安全，研究不同工法及施工顺序下小净距隧道开挖稳定性具有重要意义。目前，已有众多学者对该领域进行了不同角度的研究。李华和彭文波［1］采用有限元方法对超浅埋小净距隧道进行了施工顺序的模拟，表明先施工埋深较浅一侧的隧道，可降低衬砌结构所受的内力。李伟平等［2］采用有限元软件Abaqus对偏压小净距隧道的三种不同施工方案进行模拟，确定了单侧壁导坑法为陡坡偏压小净距隧道的合理施工方案。王春国［3］利用FLAC3D有限差分软件对大跨偏压小净距隧道施工过程中的受力变形规律与施工方案进行对比分析，并与现场实际监测数据做了对比，表明先开挖靠近山體一侧的隧道更稳定。曹小平等［4］以某公路隧道为背景，通过建立偏压小净距隧道的围岩压力计算模型，并对隧道参数变化对围岩压力的敏感性进行了分析，结果表明，后行洞施工会使先行洞拱部压力增大，水平压力与侧压力减小，同时围岩侧压力系数也受摩擦角及偏压坡角的影响。江学良等［5］设计了隧道物理模型，并开展了大型振动台试验，研究了不同地震波类型与加速度对偏压小净距隧道衬砌结构的应变动力响应规律的影响。腾俊洋等［6］根据浅埋偏压小净距隧道推导了其围岩压力计算公式，并分析了不同地形坡度及不同埋深对小净距隧道竖向压力与侧向压力的影响规律。孙振宇等［7］研究了小净距隧道围岩压力的演变规律，分析了影响围岩压力的主要因素，讨论了小净距隧道中夹岩柱侧向压力与隧道围岩参数的关系，进而建立了相应的计算模型来进一步验证。刘佳［8］利用三塌落拱理论建立了隧道荷载计算模型，推导了隧道围岩压力的理论计算公式，研究了不同埋深与净距对隧道围岩压力的影响规律，提出了小净距隧道中夹岩柱的加固方式。李然等［9］基于普式理论提出了三种小净距隧道围岩压力的计算方法，分析了净距和跨度对围岩压力分布规律的影响，并与实测数据进行了对比，验证了方法的合理性和有效性。王赶等［10］以极限平衡法原理为基础，引入水平地震力系数推导出一种考虑后行洞施工对先行洞影响的浅埋偏压小净距隧道围岩压力的计算方法，并分析了水平地震力对围岩破裂角的影响规律。

基于浅埋小净距偏压黄土隧道稳定性研究的研究现状，本研究采用数值模拟和分析的方式对不同开挖工法及施工顺序下的浅埋偏压小净距隧道的稳定性进行研究，并针对偏压小净距隧道中岩柱的稳定问题提出相应的加固建议，以期为此类小净距隧道施工提供参考。

1 工程背景

白石一号隧道地处兰州市七里河区，全长350 m，地面高程为1 556～1 591 m，相对高差约35 m，最大埋深24 m，最小埋深13 m，属典型的浅埋小净距隧道。隧道开挖高度为11.54 m，开挖宽度为8.57 m，隧道净空断面面积为85.1 m2，属于大断面隧道。隧道起止里程为DK6+170～DK6+520，其中K6+224～DK6+513为暗挖段，净距为2.52～8.61 m。隧道左线长350 m，右线长342 m，设计进口61 m、出口60.66 m，明洞段共计121.66 m，围岩等级均为Ⅴ、Ⅵ级。隧道地质岩层主要为杂填土、砂质黄土等，黄土具有大孔隙、强度低、湿陷性等特点，施工过程中易出现隧道拱顶沉降过大、边坡失稳等现象。现场隧道设计断面如图1所示。

2 数值模型建立及参数选取

2.1 模型建立

本研究选用有限元软件Abaqus建立二维小净距隧道模型，只考虑围岩与支护结构自重，土体采用摩尔-库伦本构模型，初支和二衬为弹性材料。选取隧道的某一截面进行模拟，计算模型如图2（a）所示。隧道埋深18 m，右线隧道距坡面8.5 m，开挖高度为11.5 m，跨度为8.5 m，属于典型的浅埋偏压小净距隧道。考虑模型的边界效应，左边界距左线隧道取为4倍洞径，底部边界距隧道底部取为3倍洞径，右线隧道右上侧为边坡，底部设置固定约束，左右两侧设置水平约束，上部为自由边界。为分析隧道开挖过程中的边坡的变形情况，在边坡上设置了5个测点，如图2（b）所示。

2.2 模型参数

参照地勘报告，围岩及支护结构参数的取值见表1。

2.3 施工工况模拟

在数值模拟分析中，主要利用Abaqus软件的生死单元功能实现隧道的开挖与支护。模拟的隧道开挖工况包括两台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法和三台阶临时横撑法等4种，分别分析4种开挖工法下边坡及围岩的稳定性，具体工况见表2。

3 边坡及围岩稳定性分析

3.1 隧道开挖过程中边坡塑性区分布

浅埋偏压小净距隧道采用两台阶法开挖，分析隧道开挖前、先左洞开挖后与双洞开挖后未支护条件下边坡塑性区分布，结果如图3所示。由图3（a）可知，边坡已有失稳趋势，塑性区自坡脚延伸至坡体中上部，但还未贯通，边坡暂时处于稳定状态。由图3（b）可知，在左洞开挖后形成了新的塑性区，左洞边墙两侧产生的新塑性区一直往上延伸与边坡塑性区相贯通，最终导致隧道左侧土体的下滑和坡脚以上土体向隧道右侧的塌陷。由图3（c）可知，在小净距隧道开挖完成后，中夹岩柱部位产生新的贯通塑性区，右洞拱顶部位产生的塑性区与边坡塑性区相贯通，极易使右洞发生坍塌。因此，在隧道开挖前务必做好边坡的预加固措施，否则将发生隧道坍塌和边坡失稳情况。

3.2 边坡稳定性分析

3.2.1 不同施工顺序下边坡稳定性分析。两台阶开挖不同施工顺序时，边坡强度折减系数与坡面监测点水平位移关系曲线如图4所示。由图4可知，各测点的水平位移起初随折减系数的增加而线性增大，之后在一拐点处急剧增大。对于工况1水平位移在折减系数为1.43时出现拐点，故取边坡安全系数为1.43；对于工况2水平位移在折减系数为1.45时出现拐点，故取边坡安全系数为1.45。显然，工况2的安全系数略大，故在浅埋偏压小净距隧道施工时应先进行靠山侧洞室的开挖。

两种工况下各施工阶段对应的边坡稳定安全系数见表3。分析表3可知隧道施工过程中边坡稳定性的演化规律。由计算结果可看出，随着隧道开挖面的增大，边坡稳定安全系数逐渐降低，且第二个洞室的上台阶开挖会使得边坡安全系数大幅降低；工况1和工况2中由开挖第二个洞室上台阶造成的安全系数降低值分别占总安全系数降低值的51.4%和54.6%，说明小净距隧道的开挖会使围岩扰动区变大，不利于隧道侧向边坡稳定。

3.2.2 不同工法下边坡稳定性分析。不同工法下土体强度折减系数与测点水平位移的关系曲线如图5所示。可见工况3、工况4和工况5边坡稳定安全系数分别为1.54、1.56和1.62，另外由图5（b）可知工况2边坡稳定安全系数为1.45，4种开挖方法都满足边坡稳定的要求。通过对比不同开挖方法的边坡稳定安全系数可知，采用工况5左洞先行三台阶临时横撑法开挖，可使边坡安全系数较其他工况分别提高11.7%、5.2%和3.8%，因此优先采用三台阶临时横撑法开挖。

3.3 圍岩稳定性分析

3.3.1 不同施工顺序对围岩稳定性影响。以两台阶法施工为例，对左右洞不同开挖顺序下的隧道拱顶沉降进行模拟计算，如图6所示。由图6可知，先右洞两台阶开挖法对围岩造成的扰动范围较广一些，最大竖向位移为25.96 mm，左洞先开挖造成的最大竖向位移为23.47 mm，较右洞减小9.6%。由此可知，先进行左洞两台阶开挖对边坡及围岩的影响较小，可有效降低围岩的竖向沉降。

3.3.2 不同开挖工法对围岩稳定性的影响。根据上述分析所得结论，本研究采用左洞先行的开挖顺序对两台阶法、三台阶法、环形开挖预留核心土法和三台阶临时横撑法等进行对比分析不同开挖工法下的围岩沉降变形，得到偏压状态下最优的开挖工法。不同开挖工法下围岩位移云图如图7所示。由图7可知，在隧道开挖作用下，围岩与边坡均有不同程度的变形。对于竖向位移，拱顶沉降并非在中心处，而是向深埋侧偏移，两台阶开挖引起的沉降最大为23.47 mm，三台阶开挖引起的拱顶沉降最小为19.17 mm，环形预留核心土开挖与三台阶开挖引起的拱顶沉降基本一致，三台阶临时横撑法开挖引起的拱顶沉降比两台阶法、环形开挖预留核心土法和三台阶法减小了18.3%、8.4%和7.7%；类似地，两台阶法开挖引起的仰拱隆起最大为21.29 mm，三台阶临时横撑法引起的仰拱隆起最小为20.18 mm，环形开挖预留核心土法和三台阶法引起的仰拱隆起也基本一致，三台阶临时横撑法引起的仰拱隆起较两台阶法、环形开挖预留核心土法和三台阶法减小了5.2%、3.5%和2.9%，差别较小。整体对比拱顶沉降与仰拱隆起发现数值均不大，主要原因是隧道埋深较浅，上覆土压力较小，并且地应力较小，进而导致围岩变形较小。对于水平位移，主要集中在隧道拱顶及右洞拱脚处。在隧道开挖工程中临空面的产生，使得边坡下滑，产生的下滑力进而造成边坡水平位移增大。采用三台阶开挖引起的水平位移最小为4.9 mm，最大为10.6 mm，分别比两台阶法、三台阶法和环形开挖预留核心土法减小了15.3%、14.0%和3.0%。由此可知，三台阶临时横撑法开挖对隧道围岩扰动最小，引起的竖向位移和水平位移也最小。采用该种工法的临时横撑可和初期支护封闭成环，共同承担土体荷载，显著增强了围岩的变形稳定性。

3.4 中岩柱加固措施

在实际工程施工中，小净距隧道施工势必会对中岩柱造成多次扰动，并且双洞开挖造成的扰动相互叠加，更加容易使中岩柱变形，不利于隧道的稳定，因此应对其进行工程加固。目前，常用于小净距隧道中岩柱加固方式有注浆加固、贯通长预应力锚杆加固以及几种方法组合的方式。根据施工经验，单通过注浆加固的方式难以增强中岩柱区域土体的黏聚力，而单通过预应力锚杆的方式则难以控制施工成本。本研究中白石一号小净距隧道中岩柱采用注浆与预应力锚杆相结合的方式进行加固，从而保证了隧道施工的安全性。

4 结论

①浅埋偏压小净距隧道开挖形成的塑性区与边坡潜在滑动面贯通，极易使隧道坍塌，使小净距隧道邻近边坡发生失稳。

②采用三台阶临时横撑法的开挖方式对围岩的扰动范围最小，且先对靠近山体的隧道开挖所得的边坡稳定安全系数较大，更有利于小净距隧道及边坡的安全稳定。

③三台阶临时横撑的开挖工法使得临时横撑与衬砌结构共同承担荷载，可最大限度地抑制隧道拱顶和仰拱的围岩变形，继而保证施工安全。

④为避免小净距隧道中岩柱塑性区贯通，可以采用注浆加固与预应力锚杆相结合的方式对中岩柱区域进行加固。

参考文献：

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［2］李伟平，邓学斌，王薇，等.陡坡偏压小净距隧道合理施工方法研究［J］.铁道科学与工程学报，2016，13（6）：1135-1142.

［3］王春国.偏压大跨小净距公路隧道施工力学行为［J］.山东大学学报（工学版），2020，50（4）：85-89，97.

［4］曹小平，张云鹏，韦志凯，等.浅埋偏压小净距黄土隧道施工过程围岩压力分析［J］.地下空间与工程学报，2023，19（5）：1422-1432.

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［10］王赶，杜建明，房倩，等.水平地震力作用下浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算方法研究［J］.铁道标准设计，2021，65（9）：133-139.