張玉龍 李世文 李增源 林子鑫

摘要：為研究淺埋偏壓條件下小凈距三洞隧道的開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)，文章通過(guò)數(shù)字地面模型和有限差分軟件FLAC 3D建立了考慮原地表的三洞隧道三維模型，基于現(xiàn)場(chǎng)巖體參數(shù)開(kāi)展了開(kāi)挖順序的影響分析，討論了三洞隧道開(kāi)挖的圍巖變形模式和最優(yōu)開(kāi)挖順序。結(jié)果表明：在偏壓小凈距三洞隧道開(kāi)挖中，先行洞的開(kāi)挖位置會(huì)影響其沉降變形大小和圍巖的沉降變形模式，先開(kāi)挖邊側(cè)洞對(duì)另一側(cè)的沉降影響較小，先開(kāi)挖中間洞則會(huì)對(duì)兩側(cè)邊洞造成較大沉降影響；在小凈距三洞隧道開(kāi)挖中，隧道凈距對(duì)沉降造成的影響大于開(kāi)挖順序；三洞開(kāi)挖順序的4種工況中，選擇中間洞最后開(kāi)挖的兩種開(kāi)挖順序沉降變形相差不大，選擇由一側(cè)順序開(kāi)挖至另一側(cè)的兩種開(kāi)挖順序較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：小凈距隧道；偏壓隧道；淺埋隧道；隧道開(kāi)挖

中圖分類號(hào)：U455.4 A 51 168 2

0 引言

小凈距隧道指的是在地形和用地受限的情況下，需要在較小的空間內(nèi)布置多洞隧道穿越，一般認(rèn)為兩洞間距小于2倍洞徑的為小凈距隧道［1］。小凈距隧道的建設(shè)難點(diǎn)在于隧道掘進(jìn)會(huì)受到來(lái)自自身地形地質(zhì)和周?chē)淼篱_(kāi)挖的雙重影響。隧道的開(kāi)挖會(huì)擾動(dòng)圍巖造成巖體應(yīng)力的重分布，小凈距隧道多次開(kāi)挖擾動(dòng)加劇了這一過(guò)程的發(fā)展，當(dāng)重分布的應(yīng)力大于圍巖的強(qiáng)度時(shí)往往會(huì)造成位移激增，支護(hù)失效，甚至發(fā)生隧道整體失穩(wěn)。目前關(guān)于小凈距隧道的研究包括以庫(kù)倫楔體理論為代表的雙洞平地面、雙洞斜地面小凈距隧道圍巖壓力計(jì)算理論［2-3］，以及以有限元隱式算法為代表的雙洞平地面、雙洞斜地面小凈距隧道數(shù)值模擬研究［4-5］。但這些研究目前還局限在二維空間，考慮因素較為單一，對(duì)于復(fù)雜地形下的隧道開(kāi)挖難以形成指導(dǎo)，同時(shí)鮮有針對(duì)三洞小凈距隧道研究。本文以樂(lè)望高速公路樂(lè)業(yè)北互通主線雙洞及匝道隧道為實(shí)際工程案例，通過(guò)數(shù)字地面模型和FLAC 3D軟件建立了考慮原地形的三洞隧道三維模型，分析三洞小凈距隧道的開(kāi)挖力學(xué)反應(yīng)，為同類工程提供參考。

1 工程概況

樂(lè)業(yè)北互通主線左洞（A洞）全長(zhǎng)747 m，右洞（B洞）全長(zhǎng)767 m，D匝道隧道（D洞）全長(zhǎng)611 m。三洞空間位置關(guān)系如圖1所示，A～B洞軸線間距為21.6 m，B～D洞軸線間距為18 m。隧道進(jìn)洞位置為陡崖上，周?chē)植即迩f及農(nóng)田。隧道進(jìn)口段洞頂及洞身圍巖主要為坡積粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化灰?guī)r，巖體極破碎-較破碎，節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，根據(jù)鉆取的巖芯試驗(yàn)，得出隧道進(jìn)口的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模型

通過(guò)將等高線數(shù)據(jù)矢量化建立數(shù)字地表模型，然后利用FLAC 3D軟件內(nèi)置的網(wǎng)格生成方法Zone Generate From-Geometry建立隧道所在的地層網(wǎng)格，對(duì)隧道周?chē)鷰r體網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺寸為0.5 m，地表巖體采用1.0 m的網(wǎng)格，其余部分網(wǎng)格適當(dāng)稀疏，模型總體網(wǎng)格數(shù)量為188 685個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為194 994個(gè)。利用Zone Face Apply命令建立隧道的邊界條件，除地表平面外對(duì)各地層剖面施加法向約束。

考慮到邊界效應(yīng)，隧道兩側(cè)圍巖寬度取2.5倍洞徑，模型長(zhǎng)度取三洞隧道洞口段Ⅴ級(jí)圍巖前45 m。隧道初期支護(hù)為鋼拱架和C25噴射混凝土。將鋼拱架采用剛度折算法換算為等厚的噴射混凝土，采用Shell單元模擬，厚度取0.3 m。二次襯砌為C35混凝土，采用實(shí)體單元模擬，厚度為0.5 m。由于A洞和B洞是主線，D洞是匝道，所以三洞的洞徑不同，但為了分析一般的三洞開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)規(guī)律和建模的難度，此處取三洞的平均洞徑8 m作為建模分析的參數(shù)，建模過(guò)程如圖2所示。開(kāi)挖前對(duì)模型施加重力場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力平衡，消除地應(yīng)力平衡時(shí)的位移。

3 參數(shù)分析

3.1 先行洞開(kāi)挖位置分析

本文選擇沉降位移作為評(píng)價(jià)最優(yōu)開(kāi)挖順序的指標(biāo)，這是因?yàn)槌两滴灰颇軌蜉^好地反映地表和隧道圍巖的變形情況，進(jìn)一步反映隧道的穩(wěn)定性。

根據(jù)既有研究可知，雙洞偏壓隧道的關(guān)鍵在于低側(cè)隧道（偏壓一側(cè)）和高側(cè)隧道（偏拉一側(cè)）開(kāi)挖順序的確定。對(duì)三洞隧道而言，其開(kāi)挖的順序的關(guān)鍵也在于確定最低側(cè)和最高側(cè)兩洞的開(kāi)挖，中間洞對(duì)于山體的沉降位移影響介于兩者之間。在理論上，從最低側(cè)開(kāi)挖可起到護(hù)腳的作用，從最高側(cè)開(kāi)挖則可起到卸載的作用，因此在兩者的最優(yōu)開(kāi)挖順序上值得進(jìn)一步研究。

從本文研究的三洞隧道邊仰坡來(lái)看，A洞受到前后和左右雙向坡的偏壓，D洞和B洞凈距極小，處于左右單向坡的下部。如圖3所示為開(kāi)挖A洞、開(kāi)挖B洞和開(kāi)挖D洞后的位移云圖，從沉降位移數(shù)值上來(lái)看，A洞、B洞、D洞地表最大的沉降位移為7.31 mm、7.48 mm、7.77 mm，可以發(fā)現(xiàn)三者開(kāi)挖均會(huì)在隧道頂部邊仰坡引起較大的位移，其中D洞單洞開(kāi)挖引起的位移最大，A洞單洞開(kāi)挖引起的位移最小。

從沉降位移模式上來(lái)看，單洞開(kāi)挖時(shí)隧道圍巖正上方均會(huì)出現(xiàn)漏斗狀深度沉降區(qū)域，兩側(cè)圍巖出現(xiàn)蝶翼狀淺度沉降區(qū)域，隧道底部環(huán)形回彈位移。由圖3（a）可知，A洞開(kāi)挖后，B洞頂部左側(cè)受到深度沉降影響（沉降位移＞2 mm），D洞受到淺度沉降影響；由圖3（b）可知，B洞開(kāi)挖后，A洞和D洞頂部均會(huì)受到一定的深度沉降影響；由圖3（c）可知，D洞開(kāi)挖后，B洞頂部右側(cè)受到深度沉降影響，A洞右側(cè)受到淺度沉降影響。綜上，B洞（D洞）開(kāi)挖對(duì)左右兩側(cè)洞均有較大影響，A洞（偏壓一側(cè)）開(kāi)挖后對(duì)另一側(cè)兩洞的影響較小，D洞（偏拉一側(cè)）開(kāi)挖后對(duì)另一側(cè)兩洞的影響也較小，對(duì)A洞的影響更是極小。因此，在開(kāi)挖順序上選擇A洞或D洞作為先行洞。

3.2 三洞開(kāi)挖順序分析

前文僅對(duì)單洞開(kāi)挖后隧道圍巖變形情況進(jìn)行了分析，本小節(jié)將對(duì)三洞開(kāi)挖后的圍巖變形進(jìn)行分析。根據(jù)前文的分析結(jié)果，選擇A洞或D洞作為先行洞，那么共有4種工況需要分析，分別為ABD、ADB、DAB、DBA，其計(jì)算結(jié)果如后頁(yè)圖4所示，為了更加明顯地分析出不同開(kāi)挖順序的差異，在計(jì)算中未考慮超前小導(dǎo)管和系統(tǒng)錨桿的支護(hù)作用，同時(shí)該開(kāi)挖段仍處于淺埋破碎段，因此隨進(jìn)尺和埋深的增加，隧道位移也隨之增大。

由圖4可知，B洞和D洞的沉降位移始終顯著大于A洞，這是因?yàn)锽洞和D洞的凈距極小，開(kāi)挖時(shí)在兩個(gè)隧道頂部形成了共同沉降區(qū)，顯著增加了圍巖變形。由圖4（a）可知，按照ABD順序開(kāi)挖后，D洞的位移最大，A洞的位移最??；由圖4（b）可知，按照ABD順序開(kāi)挖后，B洞的位移最大，A洞的位移最??；由圖4（c）可知，按照DAB順序開(kāi)挖后，B洞位移最大，A洞位移最小；由圖4（d）可知，按照DBA順序開(kāi)挖后，B洞位移最大，A洞位移最小。通過(guò)進(jìn)一步分析可知，隧道凈距對(duì)沉降造成的影響大于開(kāi)挖順序，無(wú)論哪種開(kāi)挖順序都應(yīng)該首先關(guān)注凈距對(duì)隧道變形的影響。

如表2所示，給出了不同開(kāi)挖順序下洞口段的最終位移，可以看出三洞開(kāi)挖順序?qū)τ谌吹奈灰埔簿哂幸欢ㄓ绊?，最后掘進(jìn)B洞的兩種工況（ADB、DAB），三洞的洞口位移相差不大。以此兩種工況的位移作為基準(zhǔn)進(jìn)行參考，按照偏壓埋深由低到高順序（ABD）開(kāi)挖，低側(cè)洞位移降低，會(huì)造成中間洞的位移降低，高側(cè)洞的位移增加；按照由高到低順序（DBA）開(kāi)挖，會(huì)造成高側(cè)洞位移降低，中間洞位移降低，低側(cè)洞位移增加。綜上可知，較優(yōu)的開(kāi)挖順序?yàn)锳BD和DBA，在這兩種順序中，先開(kāi)挖洞的位移會(huì)較小，后開(kāi)挖洞的位移會(huì)較大，可根據(jù)沉降位移的控制目標(biāo)進(jìn)行選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了原地表數(shù)字地面模型，通過(guò)FLAC 3D軟件建立考慮地面的隧道開(kāi)挖支護(hù)模型，對(duì)山區(qū)偏壓小凈距三洞隧道的三維位移反應(yīng)進(jìn)行了分析，探索了單洞開(kāi)挖后和三洞開(kāi)挖后隧道圍巖的沉降變形情況，討論了不同開(kāi)挖順序?qū)θ此淼赖某两涤绊懸?guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）在偏壓小凈距三洞隧道開(kāi)挖中，先行洞的開(kāi)挖位置會(huì)影響其沉降變形大小和圍巖的沉降變形模式，先開(kāi)挖邊側(cè)洞對(duì)另一側(cè)的沉降影響較小，先開(kāi)挖中間洞則會(huì)對(duì)兩側(cè)邊洞造成較大的沉降影響。

（2）在偏壓小凈距三洞隧道開(kāi)挖中，凈距較小的兩個(gè)隧道位移始終大于第三洞，三洞開(kāi)挖的順序會(huì)對(duì)其沉降位移產(chǎn)生一定影響，選擇中間洞最后開(kāi)挖的兩種開(kāi)挖順序沉降變形相差不大，根據(jù)偏壓情況選擇由低到高順序開(kāi)挖或由高到低順序開(kāi)挖的兩種開(kāi)挖順序較優(yōu)。

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收稿日期：2023-08-20