李朝陽(yáng)，李 鵬，歐陽(yáng)旺，劉錢(qián)豐，劉正興，楊儉興，王圣龍，崔夢(mèng)園，劉濤影

（1.廣西六賓高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司，南寧 530023；2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410200；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

隨著“十三五”規(guī)劃綱要的提出，廣西繼續(xù)施行交通發(fā)展是第一要?jiǎng)?wù)的戰(zhàn)略，不斷地加快廣西的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。自從1997 年廣西的第一條高速公路建成通車(chē)，廣西高速公路開(kāi)始飛速發(fā)展。高速公路總里程達(dá)到6 803 km，建成高速公路28 條，構(gòu)建了極其龐大和復(fù)雜的高速公路網(wǎng)，基本實(shí)現(xiàn)了高速公路縣縣通，大大提高了運(yùn)輸能力和效率[1]。高速公路建成過(guò)程中，往往會(huì)遇到隧道開(kāi)挖問(wèn)題，現(xiàn)如今施工方法越來(lái)越精進(jìn)，施工步驟越來(lái)越多，從傳統(tǒng)的礦山法、鉆爆法到如今的中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。隧道施工穩(wěn)定性研究，是工程中必不可少的一部分，可提供一些施工建議和安全保證。何信[2]利用有限元軟件FLAC3D 模擬分離式隧道開(kāi)挖和支護(hù)，得出分離式隧道開(kāi)挖間距應(yīng)在2 倍洞徑左右。邢立志[3]對(duì)分離式隧道圍巖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提出一種新式的隧道圍巖支護(hù)方法。伍達(dá)富等[4]對(duì)有限元的無(wú)支圓形隧道拱頂下沉進(jìn)行分析，得出隧道拱頂下沉值變化關(guān)系。汪振眾[5]采用MIDAS/GTS NX 有限元方法對(duì)不同側(cè)覆土厚度下偏壓隧道圍巖拱頂沉降的時(shí)空規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)覆土厚度較大時(shí)，偏壓隧道最大沉降位移逐漸向拱頂轉(zhuǎn)移。本文以廣西高良隧道為依據(jù)，研究中度埋深分離式隧道分步開(kāi)挖的施工過(guò)程中的隧道拱頂位移變化、隧道周?chē)冃?、初支?yīng)力、內(nèi)撐受力、二襯受力、錨桿受力和分離式隧道中間巖石受力及地表沉降規(guī)律。利用理論與實(shí)際參數(shù)相結(jié)合，模擬結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究分離式隧道CRD 法同時(shí)開(kāi)挖的隧道影響規(guī)律，為同類型工程提供一定理論依據(jù)。

1 工程概況

高良隧道進(jìn)洞口位于南寧市賓陽(yáng)縣陳平鎮(zhèn)高良村東北側(cè)，出洞口位于陳平鎮(zhèn)譚沖村西南側(cè)，為分離式雙洞隧道；左幅起訖里程為ZK32+647.00～ZK34+955.00，長(zhǎng)2 308 m，最大埋深約374 m，右幅起訖里程為K32+636.00～K34+917.00，長(zhǎng)2 281 m，最大埋深約378 m。本文根據(jù)施工設(shè)計(jì)，取右線K34+620~K34+680 及其對(duì)應(yīng)左線部分，長(zhǎng)60 m，隧道斷面寬為12.02 m，高為8.53 m，兩隧道間距離為20 m，模擬部分埋深為95.31 m。暗挖隧道區(qū)段土層由上到下依次為全風(fēng)化碎巖、強(qiáng)分化巖和中風(fēng)化巖。暗挖隧道圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，采取CRD 法施工[6]，使用超前小導(dǎo)管[7]進(jìn)行超前支護(hù)，初支為噴砼、鋼筋網(wǎng)、錨桿支護(hù)，設(shè)防水層，再進(jìn)行二次襯砌和鋪底。

2 隧道數(shù)值模擬模型構(gòu)建

為了分析分離式隧道施工過(guò)程中隧道、支護(hù)、圍巖等受力情況，構(gòu)建了如圖1 所示的長(zhǎng)度為60 m 的分離式隧道模型?？紤]到數(shù)值模擬的精準(zhǔn)度，隧道左右圍巖大于5 倍洞徑寬度，隧道下部圍巖大于5 倍洞徑高度，最后構(gòu)建出的模型尺寸為180 m×60 m×175 m。模型中圍巖部分、二襯部分為實(shí)體單元，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，具體材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1；初支及內(nèi)撐采用板單元模擬，錨桿采用一維植入式桁架模擬，均采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，網(wǎng)格構(gòu)建使用混合四面體網(wǎng)格，模型邊界設(shè)置自動(dòng)約束，同時(shí)設(shè)置自重。隧道模型分為左線和右線2 部分，每一部分都采用CRD 法開(kāi)挖，開(kāi)挖步驟分為30 步，每次開(kāi)挖循環(huán)設(shè)置為2 m，模型施工過(guò)程與實(shí)際施工同步驟，減少誤差。最終構(gòu)建模型包含有10 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，如圖1 所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 分離式隧道模型

3 隧道施工模擬結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了增加數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度，隧道開(kāi)挖過(guò)程與實(shí)際開(kāi)挖對(duì)應(yīng)，隧道開(kāi)挖、初支、內(nèi)撐、二襯及錨桿等都采用對(duì)應(yīng)模擬材料進(jìn)行模擬。首先開(kāi)挖左側(cè)隧道，利用CRD 法進(jìn)行施工模擬，開(kāi)挖順序如圖2 所示，首先開(kāi)挖隧道①部分，隨后進(jìn)行初支和內(nèi)撐的支護(hù)，隨后再依次進(jìn)行隧道②、隧道③、隧道④部分的開(kāi)挖和支護(hù)；隧道①部分開(kāi)挖時(shí)，相鄰開(kāi)挖臺(tái)階錯(cuò)距6 m。CRD 法開(kāi)挖的施工準(zhǔn)則為管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉和勤量測(cè)，自上而下，分塊成環(huán)，隨挖隨撐，及時(shí)做好初期支護(hù)，開(kāi)挖的每一步都各自封閉成環(huán)，兼有臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點(diǎn)，有利于圍巖穩(wěn)定，保證施工安全[8]。為測(cè)量隧道施工過(guò)程中隧道圍巖沉降情況，現(xiàn)每個(gè)隧道界面上設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每20 m 設(shè)置一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總共4 組監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同樣，左側(cè)隧道開(kāi)挖結(jié)束后進(jìn)行右側(cè)隧道的開(kāi)挖，順序及步驟同左側(cè)是對(duì)稱的，同樣設(shè)置4 組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每組設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道拱頂沉降、洞周收斂、隧道變形等，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖3 所示。

圖2 分離式隧道開(kāi)挖順序圖

圖3 分離式隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 拱頂沉降

分別在左側(cè)隧道和右側(cè)隧道拱頂安裝沉降檢測(cè)裝置，經(jīng)過(guò)模擬結(jié)果分析做出沉降變化曲線，如圖4 所示。B1為左側(cè)隧道洞口頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)0、20、40 和60 m 處的沉降變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)0 處沉降大致為反曲線形狀，Step1~5 中隧道①部分開(kāi)挖后導(dǎo)致隧道頂部受力不均衡，下方支撐力急速下降至0，導(dǎo)致隧道頂部迅速下沉，隨后隧道初支及內(nèi)撐的布置完成，使得隧道頂部受力均衡，Step6~10 下降速度緩和，在Step30 以后，隧道下降趨勢(shì)基本穩(wěn)定在5.2 mm 處。在距離洞口20 m處拱頂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在開(kāi)挖進(jìn)行到Step7 時(shí)，對(duì)此處頂部基本無(wú)影響，當(dāng)越來(lái)越接近Step10 時(shí)，距離洞口20 m 處的拱頂下沉趨勢(shì)越來(lái)越明顯；當(dāng)經(jīng)過(guò)Step10~14時(shí)，隧道頂部下沉曲線同上述情況相同，由于下方的支撐巖石被開(kāi)挖，導(dǎo)致受力不均衡，拱頂迅速下沉，在初支和內(nèi)撐布置完成以后，下沉趨勢(shì)減小，受力趨于平衡。而距洞口40、60 m 處沉降曲線與距洞口0、20 m 處基本一致，數(shù)據(jù)顯示60 m 處隧道沉降達(dá)到最大7.01 mm，而0、20、40 m 處的最大下沉分別為5.3、5.8、5.9 mm。隧道右側(cè)拱頂沉降曲線與左側(cè)開(kāi)挖曲線基本一致，洞口處最大下沉發(fā)生在Step1~5 處，下沉值約為5 mm，隨后下沉值越來(lái)越低，趨于平衡。右側(cè)隧道最大下沉值分別為6.7、6.8、6.9 和7.8 mm。

圖4 B1、B2 處拱頂沉降變化曲線

3.3 隧道底部變形

兩側(cè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中均呈現(xiàn)為底部隆起[9]，變形如圖5 所示。測(cè)點(diǎn)0 處在Step1~5 過(guò)程中呈直線上升趨勢(shì)，曲線斜率先增大再減小，同拱頂沉降曲線不同，主要原因?yàn)閷?duì)測(cè)點(diǎn)C1處影響最大的隧道②、④部分為后開(kāi)挖巖石，所以測(cè)點(diǎn)C1的受力在隧道②、④部分開(kāi)挖完成后達(dá)到最大，所以會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)斜率先增大后減小。此效應(yīng)在測(cè)點(diǎn)20 m 處最為明顯，測(cè)點(diǎn)20 m 處在Step5~10 發(fā)生微小的上升位移，原因是10~20 m 隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)此測(cè)點(diǎn)造成應(yīng)力干擾，在開(kāi)挖越是接近20 m處，對(duì)測(cè)點(diǎn)20 m 的影響就越來(lái)越大。測(cè)點(diǎn)40、60 m 處的隧道底部變形會(huì)先發(fā)生下沉再上移，主要原因是隧道開(kāi)挖后，測(cè)點(diǎn)處前側(cè)巖石開(kāi)挖減少過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)處地應(yīng)力重分布后，開(kāi)挖側(cè)圍巖減少，對(duì)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力降低，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)處發(fā)生變形，變形方向?yàn)殚_(kāi)挖側(cè)。隨后測(cè)點(diǎn)處經(jīng)歷圍巖開(kāi)挖、初支、錨固和二襯，受力趨于平衡，位移基本穩(wěn)定。左側(cè)隧道在測(cè)點(diǎn)0、20、40 和60 m處的最大位移量為5.9、6.8、6.9 和7.5 mm；右側(cè)隧道在測(cè)點(diǎn)0、20、40 和60 m 處的最大位移量為7.0、6.9、7.1 和7.5 mm。兩隧道底部變形基本一致，最大變形均為7.5 mm。

圖5 隧道底部變形曲線

3.4 隧道圍巖變形情況

圖6 為分離式隧道4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同的4 個(gè)側(cè)位處變形曲線，設(shè)置向隧道洞外位移為正。分析圖形可知，左右2 條隧道變形曲線相似，不同測(cè)點(diǎn)處變形也基本一致，都是先增大后減小再趨于穩(wěn)定，主要原因?yàn)樗淼愧俨糠珠_(kāi)挖后，左側(cè)壁下部荷載消失，使得地應(yīng)力集中在左側(cè)壁處，導(dǎo)致左側(cè)壁向洞內(nèi)凸起，并向周?chē)?，?dǎo)致S1測(cè)點(diǎn)處先是受到左側(cè)壁應(yīng)力影響發(fā)生正向位移；隨后隨著隧道②、③、④部分開(kāi)挖完成，測(cè)點(diǎn)S1處左側(cè)壁應(yīng)力與右側(cè)壁應(yīng)力影響平衡，而測(cè)點(diǎn)上部圍巖失去下部支撐導(dǎo)致其發(fā)生向洞內(nèi)的位移。4 個(gè)測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖完成后的最大變形量為3.5 mm，最小變形量為2.2 mm；而4 個(gè)測(cè)點(diǎn)最大正向位移量為0.9 mm，最小正向位移量為0.2 mm。

圖6 雙隧道周邊變形曲線

3.5 支護(hù)受力分析

圖7 為初支主應(yīng)力云圖，展示隧道開(kāi)挖后最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在初支結(jié)構(gòu)上的分布。模擬結(jié)果顯示2 條隧道最大主應(yīng)力分布均勻，最大拉應(yīng)力為2.25 MPa，分布在初支上部和下部，如圖7（a）所示；最大壓應(yīng)力為25.6 MPa，分布在初支結(jié)構(gòu)兩側(cè)位置處，如圖7（b）所示。

圖7 初支主應(yīng)力云圖

二襯支護(hù)應(yīng)力云圖如圖8 所示，得出了各個(gè)二維平面內(nèi)二襯支護(hù)的應(yīng)力云圖。二襯厚度為35 cm，內(nèi)有錨桿支護(hù)。數(shù)值模擬結(jié)果表示最大拉應(yīng)力分布在二襯的兩側(cè)位置，最大壓應(yīng)力分布在二襯頂部及底部位置。

圖8 二襯支護(hù)應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)分析分離式隧道施工過(guò)程，得出拱頂沉降云圖、底部變形云圖、洞周收斂云圖、初支應(yīng)力分析、二襯應(yīng)力分析和隧道周?chē)鷩鷰r受力分析等，對(duì)隧道施工過(guò)程做出以下總結(jié)。

1）隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，頂部最大沉降速率出現(xiàn)在隧道①、③部分開(kāi)挖后，當(dāng)初支完成后，沉降速率大大下降，即使周?chē)鷰r石繼續(xù)開(kāi)挖的過(guò)程中會(huì)對(duì)頂部造成干擾，但一旦完成初支、錨固、二襯，最大沉降值就會(huì)趨于穩(wěn)定。

2）左側(cè)隧道開(kāi)挖結(jié)束后頂部最大沉降值為6.9 mm，底部最大隆起值為7.2 mm，但由于右側(cè)隧道的開(kāi)挖，地應(yīng)力重分布，導(dǎo)致左側(cè)隧道最終下沉值為7.01 mm，最大隆起值為7.5 mm。

3）右側(cè)隧道開(kāi)挖時(shí)會(huì)對(duì)左側(cè)已開(kāi)挖的隧道造成影響，所以在右側(cè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，需要加強(qiáng)對(duì)左側(cè)隧道的監(jiān)測(cè)，尤其是拱頂、拱底及拱角處。