姜彥彥 姜建平 紀(jì) 宏

（濟(jì)南市公路管理局 濟(jì)南 250108）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下空間開發(fā)利用的規(guī)模將逐步擴(kuò)大，地下商場、地下綜合交通樞紐、地下隧道、地下鐵道等將在全國各地全面展開，地下空間開發(fā)將迎來高峰期［1］。在地下工程發(fā)展的同時，許多工程問題不斷出現(xiàn)［2］，而地下工程開挖面的時空效應(yīng)問題就是這諸多問題之一。

在巖土體中開挖隧道，伴隨著開挖面向前推進(jìn)，荷載與約束實質(zhì)上是處于一個在時間和空間上動態(tài)變化的過程，這勢必對圍巖產(chǎn)生影響。因此，可以說圍巖的穩(wěn)定不僅與最終狀態(tài)有關(guān)，而且還與過程相關(guān)［3］。在這個過程中，圍巖位移不斷調(diào)整，尤其是圍巖較好的硬巖隧道，隧道掘進(jìn)時，開挖面空間效應(yīng)更加顯著。而對于小凈距隧道，2個工作面之間在空間上產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，使位移分布形式更加多樣，這不僅與施工的工序相關(guān)［5］，而且與凈距的大小密切相關(guān)。因此，在隧道開挖過程中，如何盡可能地減少對巖體初始狀態(tài)的擾動使圍巖處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)［6］，是非常復(fù)雜的問題，有必要對開挖面空間效應(yīng)展開特別研究，這對于圍巖穩(wěn)定及對隧道的順利施工起著至關(guān)重要的作用。

對開挖面空間效應(yīng)進(jìn)行研究的科技工作者很多，目前多采用粘彈性模型或粘彈塑性模型結(jié)合空間效應(yīng)的流變屬性進(jìn)行分析，小凈距隧道多將監(jiān)控量測與數(shù)值模擬結(jié)合起來進(jìn)行分析。

趙旭峰［7］計入圍巖流變效應(yīng)，考慮深部軟巖隧道時空效應(yīng)影響，得出在作業(yè)面影響范圍內(nèi)開挖面空間效應(yīng)占主導(dǎo)因素；王軍等［8］對不對稱連拱隧道中墻的破壞機里進(jìn)行了以監(jiān)控量測為主的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方式來展開研究；李術(shù)才等［9］采用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對分岔隧道進(jìn)行了穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化方面的研究，得出不同中墻寬度及裝藥量大小時的優(yōu)化方案；王者超［10］等對分岔隧道的變形監(jiān)測展開研究得出針對小凈距隧道的施工對策。

本文采用三維線彈性的有限元數(shù)值模擬，分別分析開挖面的空間效應(yīng)，及小凈距隧道開挖面的疊加效應(yīng)，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出有實際意義的結(jié)論，見圖1。

圖1 單隧道和小凈距雙隧道三維有限元模型

1 研究方法

研究主要采用ABAQUS軟件，選用20節(jié)點六面體單元即C3D20R單元類型對模型統(tǒng)一劃分，假設(shè)巖體為線彈性，具體模型尺寸及相關(guān)物理參數(shù)見表1。物理參數(shù)的選取參考了相關(guān)實驗數(shù)據(jù)和工程勘察資料。

表1 模型尺寸與相關(guān)物理參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)情況，所建模型初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力場。模型底部加豎向位移約束，兩側(cè)面加左右位移約束，前后面加前后向約束，共5處約束。隧道開挖前采用Geostress分析步進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

2 隧道開挖面空間效應(yīng)

2.1 單隧道拱頂沉降規(guī)律分析

為研究拱頂沉降全過程曲線，監(jiān)控模型中間斷面拱頂?shù)某两底兓闆r，得到隨著開挖面向前掘進(jìn)監(jiān)測斷面拱頂?shù)某两禂?shù)據(jù)。圖2為監(jiān)測斷面拱頂沉降變化曲線。由圖2可見，隧道開挖時，在監(jiān)測點處，即使巖體還未開挖，由于開挖面的向前掘進(jìn)，監(jiān)測點處已經(jīng)產(chǎn)生了沉降，沉降量約為32.4%，而且在開挖面前后1倍洞徑處沉降量較大，占到總沉降量的72.9%。

圖2 拱頂沉降與其擬合曲線

所以監(jiān)控量測只能根據(jù)工程現(xiàn)場條件得到部分變形曲線，而不能得到完整的變形曲線。

由于開挖面的空間約束效應(yīng)，拱頂沉降是逐步釋放的。開挖面的掘進(jìn)導(dǎo)致隧道前方一定范圍內(nèi)圍巖受到擾動，開始產(chǎn)生沉降。同時，由于開挖面空間約束作用，隨著開挖面掘進(jìn)，其后圍巖應(yīng)力逐漸釋放，拱頂逐步下沉，當(dāng)距開挖面一定距離時，洞室圍巖變形不再受開挖面約束。

從模擬曲線中還可發(fā)現(xiàn)，曲線斜率在縱軸左側(cè)大于右側(cè)，說明開挖面對其前方巖體的約束效應(yīng)大于其后方巖體。這一結(jié)果，也符合新奧法中的超前支護(hù)理論。

為了得到拱頂沉降與開挖面空間關(guān)系，采用式（1）擬合有限元模擬數(shù)據(jù)。

式中：S為沉降量；n＝L／D為量綱～的量化開挖面與監(jiān)測點距離，L為監(jiān)測斷面距開挖面距離；D為隧道洞涇。

其中：S0和c為參數(shù)。式（1）滿足以下3個條件：

①當(dāng)n→－∞時，S＝0 （2）

②當(dāng)n→＋∞時，S＝S0（3）

③當(dāng)n＝c時，S＝S0／2 （4）

從上述式子不難看出，S0為隧道最終沉降量。

對式（1）分別求一次和二次導(dǎo)數(shù)，得

當(dāng)n＝c，曲線斜率最大。即開挖面開挖至此處時開挖單位長度隧道引起的拱頂沉降量最大。

將圖2中數(shù)據(jù)與式（1）擬合，得S0＝1.92 mm，c＝0.25。

將c代入式（1），并令n＝0得

即地下工程開挖面未開挖至監(jiān)測斷面時，發(fā)生的拱頂沉降量約占總沉降量的37.7%。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)

圖3為某巷道拱頂沉降典型監(jiān)測曲線，監(jiān)測采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行。自巷道開挖至最終穩(wěn)定巷道沉降值S觀為2.76mm。而根據(jù)2.1研究結(jié)果，在巷道開挖至監(jiān)測斷面前，巷道拱頂已經(jīng)發(fā)生了部分沉降。

圖3 施工巷道后行側(cè)0＋180斷面拱頂沉降曲線

假設(shè)c＝0.25，則由式（8）得：Sn＝0＝0.377S0，因此S觀＝0.623S0。

圖3曲線起始可視為n＝0，則最終沉降量

因此，圍巖發(fā)生的總位移遠(yuǎn)大于監(jiān)測所得位移。

圖4為該斷面拱頂沉降－開挖面距離全過程曲線與由公式（1）得到的當(dāng)S0＝4.43mm時的擬合曲線。從圖4中可看出，在0～4倍洞徑范圍內(nèi)，2條曲線出現(xiàn)較大差異。其原因有：

（1）擬合曲線假設(shè)，該取值是選用線彈性模型，未考慮時間效應(yīng)情況下得到的，而實際情況下圍巖本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜。

（2）模型未考慮現(xiàn)場施工條件，比如有爆破及其他人為操作所帶來的振動荷載。

圖4 拱頂沉降監(jiān)測曲線與擬合曲線

目前，位移反分析是獲取圍巖參數(shù)的重要途徑，在反分析中，一個重要的輸入?yún)?shù)是圍巖最終位移量。根據(jù)本研究結(jié)果，在本研究設(shè)定條件下，圍巖發(fā)生的總沉降值約為監(jiān)測值的1.6倍，即：S0＝1.6S觀。

3 小凈距隧道工作面空間效應(yīng)

隨著高等級公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，山區(qū)高速公路選線時上、下行隧道往往受地形限制，使得兩相鄰隧道的最小凈距不能滿足設(shè)計規(guī)范的要求。而連拱隧道的工程造價、施工難度、施工周期均比雙線雙洞隧道大得多，為此，在工程實踐中衍生出小凈距隧道。小凈距隧道雙洞的中夾巖墻寬度介于連拱隧道和雙線隧道之間，一般小于1.5倍隧道開挖斷面的寬度。由于間距較小，兩側(cè)隧道的相互影響作用是小凈距隧道建設(shè)中需要特別關(guān)注的問題。

3.1 小凈距隧道拱頂沉降規(guī)律分析

為研究小凈距隧道拱頂沉降全過程曲線，分別監(jiān)控兩隧道中間斷面拱頂沉降變化情況。圖5為間距6m時，先行側(cè)中間拱頂點豎向位移變化及后行側(cè)中間拱頂點豎向位移變化的數(shù)值模擬曲線。

圖5 雙隧道先行側(cè)、后行側(cè)拱頂沉降模擬曲線

如圖5所示（為便于表示，將先行側(cè)0～120 m表示為0～10倍洞徑，后行側(cè)0～120m表示為10～20倍洞徑 ），先行側(cè)拱頂沉降曲線在0～10倍洞徑范圍與圖2拱頂沉降曲線相似，10倍洞徑之后為后行側(cè)開挖對先行側(cè)待測拱頂點沉降位移的影響。隨開挖面在后行側(cè)掘進(jìn)，先行側(cè)拱頂沉降進(jìn)一步釋放，位移曲線繼續(xù)上升，在開挖面與待測點平行時，曲線斜率出現(xiàn)陡增，而后又漸漸趨于平緩。從后行側(cè)拱頂沉降變化曲線中可看出，當(dāng)開挖面在先行側(cè)掘進(jìn)時，后行側(cè)就已經(jīng)開始產(chǎn)生拱頂沉降。從圖5中還可以看出2個開挖面空間約束效應(yīng)疊加：在先行側(cè)開挖完后，其變形已趨于穩(wěn)定，但由于后行側(cè)開挖面空間效應(yīng)的影響，圍巖應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了新的調(diào)整。表現(xiàn)為先行側(cè)拱頂豎向位移曲線在開挖至15倍洞徑處斜率上升，位移量加大。

圖6為不同凈距下，拱頂沉降分布曲線。從圖6可看出，開挖面對相鄰隧道豎向位移的空間約束效應(yīng)隨著兩隧道凈距的減小而增大。凈距為8m時，后行開挖隧道開挖至12倍洞徑時，先行側(cè)拱頂位移曲線已趨于穩(wěn)定。而隨著凈距的減小，后行隧道對先行隧道的影響增大，即后行隧道開挖面要掘進(jìn)更遠(yuǎn)的距離，先行隧道拱頂點的豎向位移才會趨于穩(wěn)定。所以小凈距雙隧道中，開挖面對相鄰隧道豎向位移的影響非常大，當(dāng)后行隧道開挖時，對于之前變形已監(jiān)測穩(wěn)定的先行隧道，仍要進(jìn)行監(jiān)控量測，以控制變形。且在施工作業(yè)時，兩隧道進(jìn)程應(yīng)保持兩倍洞徑以上的距離，防止開挖面空間效應(yīng)疊加，產(chǎn)生較大的位移變形。

圖6 小凈距隧道先行側(cè)中間拱頂點在不同凈距下拱頂沉降曲線

3.2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析

滬蓉國道主干線八字嶺隧道小凈距段某斷面兩側(cè)隧道拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。該段隧道平均埋深約為100m，巖體以三疊系下統(tǒng)大冶組上段微晶灰?guī)r為主。從圖7中可以看出2個開挖面空間約束的疊加效應(yīng)：開挖并支護(hù)完畢后，經(jīng)過一段時間的應(yīng)力調(diào)整，先行側(cè)隧道在趨于穩(wěn)定，但由于位于后行側(cè)開挖面空間約束效應(yīng)的影響范圍，圍巖應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了新的調(diào)整。表現(xiàn)為先行隧道拱頂下沉曲線在橫坐標(biāo)3～4倍洞徑處出現(xiàn)一個陡增，下沉明顯加大，但隨著后行側(cè)開挖面的掘進(jìn)，影響逐漸減小，最后下沉曲線趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示小凈距隧道兩側(cè)隧道相互影響，這與3.1節(jié)所獲得的規(guī)律一致。

圖7 雙隧道中間拱頂點現(xiàn)場實測沉降變化曲線

4 結(jié)論

（1）單隧道拱頂沉降分布規(guī)律可采用式（1）進(jìn)行簡單描述。

（2）根據(jù)式（1）可推算地下工程圍巖全部變形量與監(jiān)測變形量的關(guān)系。

（3）在小凈距隧道開挖的過程中，兩側(cè)隧道存在相互影響，且這種影響隨間距減小而增大。

本研究成果可為地下工程位移反分析及穩(wěn)定性評價提供一定依據(jù)。

［1］ 姜彥彥.地下水封石油洞庫風(fēng)險分析與評價研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

［2］ 王夢恕.中國鐵路：隧道與地下空間發(fā)展概況［J］.隧道建設(shè)，2010，30（4）：352－354.

［3］ 王夢恕.21世紀(jì)我國隧道及地下空間發(fā)展的探討［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2004（1）：8.

［4］ 陳柚州，何文正，鞏 雯.巖石隧道開挖面空間效應(yīng)及其機理的研究［J］.黑龍江科技信息，2010，26：302.

［5］ 朱維申，李術(shù)才，白世偉，等.施工過程力學(xué)原理的若干發(fā)展和工程實例分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（10）：1587－1588.

［6］ 朱維申，王 平.巖體動態(tài)施工力學(xué)與動態(tài)規(guī)劃原理在工程中的應(yīng)用［J］.水電站設(shè)計，1993 9（2）：1－3.

［7］ 趙旭峰，王春苗，孔祥利.深部軟巖隧道施工性態(tài)時空效應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（2）：406－408.

［8］ 王 軍，夏才初，朱合華，等.不對稱連拱隧道現(xiàn)場監(jiān)測與分析研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（2）：268－269.

［9］ 李術(shù)才，王漢鵬，鄭學(xué)芬.分岔隧道穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（3）：448.

［10］ 王者超，李術(shù)才，陳衛(wèi)忠.分岔隧道變形監(jiān)測與施工對策研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28（4）：788－789.