邵珠山，王孟輝

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055)

1 研究背景

隨著國家“十三五”規(guī)劃以及“交通強(qiáng)國戰(zhàn)略”的提出[1-3]，中國處在交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化和現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系化的黃金時(shí)期，城市軌道建設(shè)在西北地區(qū)也有了長足的發(fā)展。黃土地層在西安、蘭州及其它西北地區(qū)有著廣泛的分布，其孔隙率大、側(cè)壓力系數(shù)小、垂直節(jié)理發(fā)育、濕陷性明顯，是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)，開挖以后不能形成有效的壓力拱[4]，極易造成洞身及掌子面失穩(wěn)，在此地層中進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隧道建設(shè)，難度更大，風(fēng)險(xiǎn)性更高。市區(qū)線路規(guī)劃時(shí)由于整體布局和實(shí)際需要，地鐵的存車線區(qū)間常常設(shè)置為不對(duì)稱斷面的小凈距隧道。該類隧道由于斷面大小不對(duì)稱，左右線隧道大多采用不同的結(jié)構(gòu)形式和開挖方法，因此左右線隧道的影響范圍及分布規(guī)律與對(duì)稱隧道明顯不同，隧道中間巖柱的變形規(guī)律和受力特征尤為復(fù)雜，且存車線區(qū)間多集中在人口密集的街區(qū)。為了防止隧道開挖過程中地表下沉過大使周圍建筑和既有管線產(chǎn)生不均勻變形進(jìn)而拉裂，因此對(duì)圍巖的變形與應(yīng)力控制提出了嚴(yán)格的要求[5]。

隧道先后開挖會(huì)對(duì)圍巖造成多次擾動(dòng)，掌子面之間的錯(cuò)距較近時(shí)彼此擾動(dòng)會(huì)相互疊加，造成沉降過大，錯(cuò)距較遠(yuǎn)時(shí)又會(huì)影響工程的工期。目前很多學(xué)者針對(duì)不同的地質(zhì)條件對(duì)小凈距隧道的掌子面間距進(jìn)行研究，如楊忠民等[6]采用3DEC對(duì)Ⅴ級(jí)強(qiáng)風(fēng)化圍巖的連拱隧道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)掌子面的間距應(yīng)介于2～2.5倍的跨度；趙陽等[7]通過FLAC3D對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道進(jìn)行研究，最終得到掌子面保持在2倍跨度時(shí)能有效地維持圍巖穩(wěn)定性的結(jié)論；覃達(dá)[8]對(duì)黃土分叉隧道開挖的應(yīng)力影響范圍進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)掌子面對(duì)前后圍巖的影響范圍為1.75～2.25倍跨度；胡志平等[9]通過ABAQUS對(duì)西安5號(hào)線連拱隧道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)連拱隧道在同步開挖時(shí)仍滿足要求；高一杰等[10]對(duì)杭州紫之隧道淺埋破碎段的開挖合理錯(cuò)距進(jìn)行研究，得到的有效控制范圍為2～3倍跨度；趙亞龍等[11]利用FLAC3D重點(diǎn)對(duì)重慶興隆隧道中夾巖的位移和應(yīng)力在不同滯后距離下的變化作出了規(guī)律統(tǒng)計(jì)；而王春玲[12]通過FLAC3D對(duì)湖北峽口隧道在隧道錯(cuò)距0、40、80 m三種工況下進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)距40 m時(shí)圍巖的力學(xué)行為最佳，但工況對(duì)比太少，難以規(guī)避偶然誤差；同樣何巍[13]用ANSYS對(duì)江西省九嶺隧道工程的錯(cuò)距開挖進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了隧道錯(cuò)距開挖的必要性，且錯(cuò)距2倍跨度時(shí)可以有效地控制變形，但是同樣只選取了6、15、30 m三種方案下的錯(cuò)距進(jìn)行研究，依舊有偶然性的存在。

統(tǒng)計(jì)上述結(jié)論發(fā)現(xiàn)在不同的工程地質(zhì)下，隧道掌子面的合理開挖錯(cuò)距不盡相同，且斷面形式對(duì)于隧道開挖也有一定的影響。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者和技術(shù)人員針對(duì)小凈距隧道展開了大量的研究，逐步積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果，但研究對(duì)象仍主要集中在小凈距對(duì)稱隧道結(jié)構(gòu)，而對(duì)于非對(duì)稱的小凈距隧道，相關(guān)研究并不多見。黃土地區(qū)土體松散，城市軌道相比于山嶺隧道而言控制精度更高，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)施工單位偏于保守，掌子面錯(cuò)距通常超過45 m，這使得工期過長，不利于施工調(diào)度，因此有必要對(duì)黃土地區(qū)不對(duì)稱斷面型式下小凈距隧道的掌子面間距確定一個(gè)合理的范圍[14]。

2 工程概況

西安市地鐵軌道交通工程8號(hào)線電子正街站至東儀路站區(qū)間(K1+897.916—K2+277.049，以下簡(jiǎn)稱電東區(qū)間)隧道位于城市交通主干道丈八東路的下方，為了滿足左右側(cè)正常行車和右側(cè)斷面存車線擴(kuò)大的需要，設(shè)計(jì)右線為大斷面隧道，開挖高9.8 m，寬12.88 m，左線為小斷面隧道，開挖高6.82 m，寬6.58 m。本工程兩線為平行隧道，圖1為部分電東區(qū)間的平面圖，隧道暗挖區(qū)間較長，為了加快施工效率，在K2+145.034處設(shè)置一座礦山法區(qū)間施工豎井及橫通道，平行隧道之間的最小間距是3.82 m，分別僅為0.58D2(D2為小斷面隧道跨度)與0.30D1(D1為大斷面隧道跨度)，計(jì)劃采用大洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與小洞環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相結(jié)合的施工方案[15-17]。

圖1 線路平面圖Fig.1 Line plan

3 隧道動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本工程為淺埋小凈距隧道，斷面型式為不對(duì)稱分布。由于現(xiàn)場(chǎng)土層的特殊性與復(fù)雜性，為了能使模擬結(jié)果與實(shí)際接近，便于準(zhǔn)確地分析施工引起的沉降規(guī)律，因此進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬。計(jì)算采用有限差分軟件FLAC3D，巖土體采用Mohr-Column本構(gòu)模型。土層物理力學(xué)性質(zhì)見表l。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of soil strata

依據(jù)圣維南原理和實(shí)際需要，選取隧道外輪廓線以外的3倍洞徑作為模型邊界，向上取至地表。隧道土體采用實(shí)體單元，超前支護(hù)與初次襯砌采用殼單元，二襯在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圍巖變形穩(wěn)定以后施加作為安全儲(chǔ)備，故暫不考慮二襯的施加。為了保證計(jì)算精度，在隧道建模時(shí)采用細(xì)密單元，共劃分51 200個(gè)單元，靠近隧道處的單元加密處理，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。模擬過程中，格柵拱架根據(jù)抗壓剛度相等的原則將彈性模量等效折算給混凝土，超前小導(dǎo)管同樣將彈性模量等效折算給圍巖，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

式中：Ea為折算后初次襯砌的彈性模量；Eb為折算后圍巖加固的彈性模量；E0為初次襯砌噴射混凝土的彈性模量；Eg為鋼格柵彈性模量；E1為小導(dǎo)管內(nèi)注漿的彈性模量；E2為小導(dǎo)管彈性模量；Sg為鋼格柵截面積；Sc為初期支護(hù)截面積；I1為注漿的慣性矩；I2為小導(dǎo)管慣性矩。數(shù)值模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of supporting structure

3.2 施工方案動(dòng)態(tài)模擬

本工程計(jì)劃采用大洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與小洞環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相結(jié)合的施工方案，通過對(duì)隧道中的實(shí)體單元施加null材料來模擬開挖，并允許應(yīng)力重分布，先開挖隧道3 m，創(chuàng)建殼結(jié)構(gòu)單元并附到隧道表面上以模擬噴射混凝土，下一段再開挖3 m，再一次允許應(yīng)力重分布，重復(fù)過程直至隧道開挖完成。結(jié)合實(shí)際施工情況，施工步驟動(dòng)態(tài)模擬如下。

(1)右線大斷面隧道的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法：①左上臺(tái)階與右上臺(tái)階依次施作超前小導(dǎo)管、開挖土體以及襯砌、中隔壁、臨時(shí)仰拱；②左下臺(tái)階、右下臺(tái)階依次進(jìn)行開挖土體以及襯砌、中隔壁的施作；③中上臺(tái)階依次進(jìn)行開挖土體及襯砌、臨時(shí)仰拱的施作；④中下臺(tái)階依次進(jìn)行開挖土體和襯砌的施作。由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在施工過程中各工序緊密跟進(jìn)，是一個(gè)連續(xù)的過程，不同于計(jì)算步，以3 m為一個(gè)開挖步長，算作一個(gè)開挖步，由于隧道區(qū)間模型取60 m，右線隧道臺(tái)階長12 m，因此右線隧道的施工沿縱向模擬為24(72/3)步。

(2)左線小斷面隧道的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法：①上臺(tái)階依次施作超前小導(dǎo)管、開挖土體(留核心土)及襯砌；②開挖核心土，施作臨時(shí)仰拱；③下臺(tái)階依次進(jìn)行開挖土體及襯砌施作。左線隧道臺(tái)階長3 m，因此左線隧道的施工沿縱向模擬為21(63/3)步。

為進(jìn)一步研究不對(duì)稱斷面型式的隧道開挖時(shí)掌子面錯(cuò)距對(duì)地表沉降變形和圍巖受力特性的影響規(guī)律，并確定施工過程中合理錯(cuò)距，減小分析時(shí)的誤差，分別對(duì)左右線的掌子面錯(cuò)距為0 m(同時(shí)開挖)、12、24、36、48、60 m(先貫通先行洞)6種方案進(jìn)行模擬，具體模擬方案如表3所示。

表3 模擬方案Table 3 Simulation schemes

4 計(jì)算結(jié)果及分析

在實(shí)際開挖過程中要及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)以指導(dǎo)施工，當(dāng)掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離為2D1時(shí)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，西安地鐵8號(hào)線電東區(qū)間監(jiān)測(cè)等級(jí)為二級(jí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。為了進(jìn)一步研究在不同方案下的圍巖變形與受力特征，選取區(qū)間K2+040—K2+100處60 m進(jìn)行研究，同時(shí)選取K2+079處為代表性斷面(距離初始開挖面21 m)進(jìn)行分析，以減少模型邊界效應(yīng)的影響，后續(xù)各分析內(nèi)容均在此斷面基礎(chǔ)上進(jìn)行展開。由于現(xiàn)場(chǎng)拱頂沉降與中間巖柱應(yīng)力進(jìn)行全程監(jiān)控較為困難，因此重點(diǎn)分析隧道監(jiān)測(cè)斷面處的地表沉降及沉降槽的形成規(guī)律[18-20]。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面處的控制點(diǎn)Fig.3 Control points at monitoring sections

4.1 左右線隧道開挖順序結(jié)果分析

(1)施工前首先要研究主洞開挖順序?qū)Y(jié)果的影響，包括先貫通右線與先貫通左線2種方案，對(duì)2種方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的地表沉降曲線如圖4所示。可以看出，由于左右線隧道之間的凈距較小，開挖引起的地表沉降相互疊加，在2種方案下的地表沉降曲線均表現(xiàn)為“單峰”狀態(tài)，峰值位于土柱中軸線靠近大斷面一側(cè)。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，先貫通右線隧道引起的地表沉降較小，更有利于控制隧道在施工過程中產(chǎn)生的地表變形。

圖4 不同開挖順序的地表沉降曲線Fig.4 Surface subsidence curves under different excavation sequences

(2)對(duì)2種方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬，開挖完成后2種方案下圍巖的塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖5 不同先行方案下的塑性區(qū)Fig.5 Plastic zone under different excavation sequences

由圖5可知，隧道開挖完成后大斷面隧道的塑性區(qū)主要分布在拱腰和仰拱處，小斷面隧道的塑性區(qū)主要分布在拱腰兩側(cè)。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，先貫通右線大斷面隧道以后周邊塑性區(qū)的面積明顯減小，而先貫通左線小斷面隧道后兩個(gè)斷面之間的塑性區(qū)出現(xiàn)了連通的現(xiàn)象，非常不利于保持中巖柱的穩(wěn)定。

綜上所述，雖然以上2種工法數(shù)值上均可以滿足安全的要求，但是采用右線大斷面先行的開挖方案顯然更有利于控制圍巖的變形，減小塑性區(qū)的分布。所以對(duì)于本工程，建議采用先開挖右線大斷面隧道后開挖左線小斷面的施工順序。

4.2 地表沉降結(jié)果分析

電東區(qū)間位于人口較密集的區(qū)域，附近建有大量的居民住宅樓與高層建筑，住宅樓多為磚混結(jié)構(gòu)，年久失修。為了減少開挖產(chǎn)生不均勻沉降對(duì)建筑物的影響，對(duì)地表的沉降有著嚴(yán)格的要求。

4.2.1 不同方案下的地表變形曲線

圖6為在不同方案下開挖時(shí)，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)10、6處的地表沉降情況?？梢钥闯觯淼朗┕拈_始至結(jié)束，在不同的方案下曲線的變化趨勢(shì)相同，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：緩慢增長、快速增長、趨于穩(wěn)定。當(dāng)掌子面錯(cuò)距為12 m(D1)時(shí)，左右線的地表沉降最大，分別為8.74、12.05 mm，當(dāng)掌子面錯(cuò)距為60 m(5D1)時(shí)，左右線的地表沉降分別為8.4、11.73 mm，不同方案下最終沉降相差不到0.4 mm。當(dāng)左線隧道開挖經(jīng)過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，沉降開始小幅度增長，比右線隧道單獨(dú)開挖時(shí)增大了20%左右，最終沉降略小于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線，結(jié)果均滿足要求，說明掌子面錯(cuò)距對(duì)地表的最終沉降無明顯影響。

圖6 大、小斷面隧道地表沉降曲線Fig.6 Surface subsidence curves of tunnels of large section and small section

圖7為右線隧道開挖時(shí)地表的沉降比值(監(jiān)測(cè)斷面沉降與最終沉降的比值)曲線，可以看出在不同方案下的地表沉降規(guī)律相同，當(dāng)左右線同時(shí)開挖(錯(cuò)距0 m)時(shí)地表沉降速率最大，以此方案為例進(jìn)行分析。

圖7 大斷面隧道地表沉降比值曲線Fig.7 Curves of surface subsidence ratio of tunnel with large section

當(dāng)掌子面距離前方監(jiān)測(cè)斷面15 m(施工步為2步)時(shí)，大斷面隧洞的地表沉降為0.64 mm，占總沉降的5%左右。隨后繼續(xù)開挖，地表沉降速率開始緩慢增加，當(dāng)掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面6 m(施工步為5步)時(shí)，地表沉降為1.52 mm，也僅占10%左右，這表示對(duì)前方未開挖土體的地表沉降影響范圍約為0.5D1。隨后掌子面繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面以后，地表沉降速率快速增加，由于掌子面的三維支撐作用，地表沉降存在一定的滯后性，當(dāng)下導(dǎo)洞通過監(jiān)測(cè)斷面以后，下一步的開挖使地表沉降了9%左右。當(dāng)掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面約30 m(施工步為17步)時(shí)，地表沉降為10 mm，達(dá)到最終沉降的85%，隨后地表沉降速率逐漸減小并趨向穩(wěn)定，說明掌子面對(duì)后方已開挖土體的斷面影響范圍為(2～3)D1。

4.2.2 模擬不同方案下沉降槽曲線

圖8為不同方案下數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出的地表沉降槽曲線，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在不同的方案下開挖時(shí)，橫向地表的沉降曲線規(guī)律相同，最終地表沉降相差很小，模擬值與實(shí)測(cè)值在橫向距離的變形上高度擬合，隧道開挖引起的地表位移規(guī)律符合高斯分布。

圖8 不同方案下及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表沉降槽Fig.8 Surface subsidence simulated under different schemes and monitored on site

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值來看，右線隧道上方的地表沉降大于左線隧道，隨著掌子面前進(jìn)，沉降槽曲線表現(xiàn)出了明顯的空間效應(yīng)。開挖距離目標(biāo)斷面約1D1時(shí)，開始出現(xiàn)沉降槽，隨著掌子面不斷向前推進(jìn)，地層損失也逐漸明顯，當(dāng)右線掌子面超過目標(biāo)斷面0.5D1時(shí)，地層損失迅速增加，當(dāng)超過目標(biāo)斷面約3D1時(shí)，地層損失的趨勢(shì)開始緩和，并逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)左線隧道開始開挖，對(duì)已開挖隧道的圍巖應(yīng)力產(chǎn)生二次擾動(dòng)，進(jìn)行了應(yīng)力重新分布，沉降槽曲線的中心開始向小斷面隧道偏移，小斷面隧道中心線處的地表沉降也在掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面以后有了明顯的增長，而在距離目標(biāo)約5D1時(shí)，地層損失開始逐漸趨于穩(wěn)定，最終中心線偏移了0.25D1。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，距離隧道中心35 m外的地表沉降在開挖過程中變化很小，最大沉降僅1 mm左右，說明本工程連拱隧道開挖對(duì)橫向地表影響范圍在隧道中心兩側(cè)35 m范圍內(nèi)，約3倍隧道跨徑，沉降槽曲線形成的縱向影響范圍為(3～5)D1。

4.3 拱頂?shù)奈灰平Y(jié)果分析

分析隧道圍巖的變形規(guī)律與特點(diǎn)時(shí)，拱頂?shù)淖冃沃笜?biāo)是最直接的判斷標(biāo)準(zhǔn)。圖9為大斷面隧道在不同的開挖方案下拱頂位置處的豎向位移曲線。

圖9 大斷面隧道拱頂沉降曲線Fig.9 Subsidence curves of vault of tunnel with large section

拱頂沉降位移曲線與地表沉降曲線規(guī)律相近，從拱頂豎向位移曲線可以看出：在不同滯后距離之下，大斷面隧道拱頂?shù)淖罱K沉降都穩(wěn)定在一個(gè)定值，分別為-17.31、-17.42，-17.07、-17.01、-17.00、-17.00 mm，大小基本一致，從計(jì)算結(jié)果可以看出掌子面之間的錯(cuò)距開挖對(duì)于最終沉降影響不大，左線隧道對(duì)右線大斷面隧道拱頂?shù)某两涤绊懞苄?。錯(cuò)距12 m時(shí)拱頂沉降最大，這是因?yàn)殄e(cuò)距12 m時(shí)左線隧道與右線隧道的下導(dǎo)洞同時(shí)開挖，地應(yīng)力釋放更大，從而產(chǎn)生更大的沉降。從曲線可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，時(shí)空效應(yīng)很明顯，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面以后約30 m時(shí)，拱頂沉降為15.47 mm，達(dá)到最終沉降的90%左右，之后繼續(xù)開挖，拱頂沉降速率緩慢增長并趨于穩(wěn)定，說明掌子面對(duì)后方已開挖土體的斷面影響范圍為(2～3)D1，超出范圍以后，開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)就不再明顯。

圖10 中間土柱處的控制點(diǎn)布置Fig.10 Layout of control points at middle soil columns

4.4 中間土柱的水平位移差及應(yīng)力分析

中間土柱是小凈距

隧道開挖過程中的薄弱部位， 在開挖時(shí)受到先、 后行隧道的擾動(dòng)比較嚴(yán)重。 圖10為中間土柱處的控制點(diǎn)布置， 為保證圍巖的穩(wěn)定， 筆者利用數(shù)值模擬軟件將掌子面的錯(cuò)距開挖對(duì)中間土柱的影響作簡(jiǎn)單的分析[21-22]。

4.4.1 中間土柱的水平位移差分析

由于A、B兩點(diǎn)深度不同，在開挖時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，隨著掌子面錯(cuò)距的增大，A、B的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)會(huì)有所不同。圖11為A、B兩點(diǎn)在各方案下隨開挖步變化的水平位移差曲線，假設(shè)與X軸正方向一致的位移為正向位移。

圖11 中間土柱的水平位移差Fig.11 Horizontal displacement difference of middle soil column

在不同的錯(cuò)距方案下沿施工步開挖，先開挖右線隧道。水平位移差的減小表明小斷面隧道的開挖對(duì)中間土柱的傾斜具有一定的恢復(fù)作用。當(dāng)錯(cuò)距12 m時(shí)，開挖過程中土柱的水平位移差很小，而增大或減小掌子面的間距，中間土體的水平位移差會(huì)在開挖過程中過大，最大水平位移差接近5 mm，這對(duì)中間土柱的穩(wěn)定非常不利，因此為了保證土體的穩(wěn)定，掌子面的錯(cuò)距既不能過大也不宜過小。

4.4.2 中間土柱的應(yīng)力分析

淺埋小凈距隧道開挖后，圍巖產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，不對(duì)稱斷面型式下的應(yīng)力分布更加復(fù)雜。FLAC3D可以將隧道開挖以后的重分布應(yīng)力以可視化的云圖形式展示出來，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)各方案最終水平應(yīng)力分布規(guī)律相同，如圖12所示，以掌子面同時(shí)開挖為例來分析隧道開挖以后的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

圖12 水平應(yīng)力分布云圖Fig.12 Horizontal stress distribution

在FLAC3D中受壓為負(fù)，可以看出，圍巖以受壓為主，中間土柱處的水平應(yīng)力明顯大于隧道輪廓線以外的應(yīng)力，不利于土柱的穩(wěn)定，因此開挖過程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)該部位處的水平應(yīng)力。圖13為中間土柱AB、CD交點(diǎn)處在不同方案下的水平應(yīng)力變化曲線。

圖13 中間土柱在不同方案下的水平應(yīng)力曲線Fig.13 Horizontal stress curves of middle soil columns under different schemes

在不同方案下的最終水平應(yīng)力分別為-144 135、-144 101、-144 517、-144 808、-144 888、-144 866 Pa，說明不同方案對(duì)水平應(yīng)力結(jié)果影響不大，但是在掌子面錯(cuò)距0、12 m時(shí)開挖過程中，中間土柱的最大水平應(yīng)力達(dá)159 079 Pa，增加了14 978 Pa，約最終應(yīng)力的10%，這對(duì)于中間土體的薄弱環(huán)節(jié)極其不利，錯(cuò)距超過24 m時(shí)，開挖過程中最大水平應(yīng)力大幅度減小，因此出于對(duì)中間土體的應(yīng)力考慮，隧道掌子面的開挖錯(cuò)距不宜小于2D1。

4.5 塑性區(qū)分析

當(dāng)大斷面隧道先行時(shí)，在不同方案下的塑性區(qū)分布規(guī)律基本相同，以隧道同時(shí)開挖在監(jiān)測(cè)斷面處的塑性區(qū)分布為例，如圖14所示。

圖14 塑性區(qū)分布Fig.14 Plastic zone distribution

可以發(fā)現(xiàn)，在隧道的拱腳位置處，塑性區(qū)發(fā)生剪切破壞比較嚴(yán)重,據(jù)此重點(diǎn)關(guān)注拱腳位置處的最大剪應(yīng)力的發(fā)展情況，圖15為左右線隧道拱腳處在不同方案下的最大剪應(yīng)力變化情況。

圖15 不同方案下的最大剪應(yīng)力曲線Fig.15 Curves of maximum shear stress under different schemes

隨著掌子面錯(cuò)距的增加，右線隧道的最大剪應(yīng)力逐漸減小，對(duì)圍巖受力變形有利，左線隧道的最大剪應(yīng)力增幅較大，說明先行隧道開挖對(duì)后行隧道造成了擾動(dòng)，且擾動(dòng)不可忽視，當(dāng)錯(cuò)距在24 m時(shí)，變化量為28.4%，增大錯(cuò)距，最大剪應(yīng)力增長速度較快，說明掌子面錯(cuò)距24 m左右，能使塑性區(qū)處的最大剪應(yīng)力得到有效的控制。

4.6 圍巖收斂結(jié)果分析

隧道開挖過程中，由于水平應(yīng)力的作用，凈空收斂也是圍巖變形的重要表現(xiàn)形式。表4是在不同方案下隧道開挖完成以后的收斂情況，由于隧道下臺(tái)階的水平應(yīng)力大于上臺(tái)階，因此下臺(tái)階的收斂值明顯大于上臺(tái)階的收斂值。左右線隧洞受到開挖順序的先后擾動(dòng)，收斂值均大于大斷面隧道單線開挖的情況，且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近。隨著掌子面的錯(cuò)距增大，先行隧道的收斂值逐漸減小，錯(cuò)距60 m時(shí)收斂值與右側(cè)單線隧道的開挖非常接近，最終不同方案下凈空收斂的差值不大于0.3 mm，說明掌子面的錯(cuò)距對(duì)隧道的收斂值幾乎無影響。

表4 不同方案下上下臺(tái)階的收斂值Table 4 Convergence values of upper and lower steps under different schemes

5 結(jié) 論

非對(duì)稱小凈距隧道作為一種新穎的隧道結(jié)構(gòu)型式，在圍巖變形與受力方面表現(xiàn)出了不同于對(duì)稱隧道的特點(diǎn)。本文通過對(duì)工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，分析了在黃土地層中掌子面錯(cuò)距開挖對(duì)小凈距隧道的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，得到了以下的結(jié)論：

(1)不對(duì)稱斷面的隧道開挖時(shí)，先開挖大斷面隧道可以有效地控制圍巖變形，且先開挖大斷面隧道時(shí)圍巖的塑性區(qū)面積明顯減小，避免先開挖小斷面隧道時(shí)2個(gè)斷面之間的塑性區(qū)出現(xiàn)連通現(xiàn)象，有利于保持中巖柱的穩(wěn)定。

(2)大斷面隧道對(duì)前方未開挖土體的影響范圍為0.5D1，對(duì)后方已開挖土體的影響范圍為(2～3)D1，當(dāng)掌子面與監(jiān)測(cè)斷面超過5D1時(shí)，地層損失基本穩(wěn)定。

(3)在不同的方案下，圍巖的變形及應(yīng)力的最終結(jié)果相差不大，均滿足規(guī)范要求，說明最終結(jié)果基本不受掌子面錯(cuò)距影響，但是錯(cuò)距過小時(shí)，變形速率較大不利于圍巖穩(wěn)定，掌子面的錯(cuò)距超過3D1時(shí)，隧道的水平位移差與最大剪應(yīng)力過大，也不利于圍巖穩(wěn)定。

(4)綜合考慮圍巖變形大小和變形速率，在保證安全的情況下施工掌子面錯(cuò)距可以縮減至2～3倍大斷面隧道的跨度，即30 m左右為宜，此研究可為以后的類似工程提供一定的借鑒。