摘要：為研究復(fù)雜地層下小凈距隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性，文章依托某高速公路大斷面小凈距隧道工程，通過(guò)FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了掌子面距離和圍巖彈性模量對(duì)復(fù)雜地層下小凈距隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響，得出結(jié)論：小凈距隧道的地表沉降曲線大致呈現(xiàn)左右不對(duì)稱(chēng)的“W”形，先行洞由于受到后行洞的影響，其沉降變形明顯大于后行洞；隨著掌子面距離逐漸增大，整個(gè)區(qū)域的沉降值出現(xiàn)顯著減小，兩隧道間的相互影響逐漸減弱，隧道拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減?。浑S著圍巖彈性模量的增大，隧道地表沉降、拱頂變形和水平收斂變形均呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)圍巖彈性模量＞1.0 GPa后，隧道的地表最大沉降值和拱頂變形基本保持穩(wěn)定；當(dāng)圍巖彈性模量＜0.233 GPa時(shí)，隧道地表最大沉降值＞30 mm的限值，應(yīng)對(duì)該類(lèi)圍巖進(jìn)行加固處理。

關(guān)鍵詞：小凈距隧道；掌子面距離；圍巖彈性模量；FLAC 3D

中圖分類(lèi)號(hào)：U456.3

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路與高速鐵路的覆蓋范圍愈發(fā)完善。然而，我國(guó)山地面積占比＞30%，在山地修建公路和鐵路不可避免地要進(jìn)行大量隧道的建設(shè)，受諸多條件的限制，可選擇的隧道類(lèi)型較少，其中小凈距隧道是最常見(jiàn)的隧道類(lèi)型之一。在山區(qū)修建隧道，由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，在開(kāi)挖過(guò)程中，由于高地應(yīng)力或軟弱圍巖等問(wèn)題發(fā)生的塌方事故逐年增多，因此，研究小凈距隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性具有較大的實(shí)際意義。

目前對(duì)小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性的研究已有了較多成果。王峰、薛然、劉二強(qiáng)等［1-3］均依托小凈距隧道實(shí)際工程，分別利用有限元和離散元方法進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)小凈距隧道的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隧道圍巖應(yīng)力及變形均隨著隧道開(kāi)挖逐漸增大。葛晨雨等［4］利用ABAQUS軟件對(duì)某高速公路小凈距隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同支護(hù)下的小凈距隧道淺埋段的應(yīng)力與變形特征，發(fā)現(xiàn)襯砌對(duì)抑制拉應(yīng)力擴(kuò)展及控制圍巖變形有較好效果，而錨桿的作用不明顯。潘子葉［5］依托黃家夼隧道工程，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同施工方案下偏壓小凈距隧道在施工過(guò)程中的圍巖變形特征，發(fā)現(xiàn)先內(nèi)后外的施工順序?qū)ΡＷC偏壓小凈距隧道的施工安全最有利。王海豐等［6］依托某巖溶地區(qū)的小凈距雙向隧道實(shí)際工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和FLAC 3D數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道圍巖變形特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巖溶空腔與隧道的相對(duì)位置對(duì)圍巖的影響較大。閆振虎等［7］依托德陽(yáng)市白竹山1號(hào)隧道實(shí)際工程，通過(guò)理論推導(dǎo)和有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)不同凈距下隧道圍巖的受力變形特征進(jìn)行分析，確定了小凈距[JP+1]隧道的合理凈距。王瑋、李慶洲、胡展等［8-10］分別依托不同的小凈距隧道工程，利用數(shù)值模擬方法，研究了開(kāi)挖工法、覆土厚度和施工順序等因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

本文依托廣西某高速公路大斷面小凈距隧道工程，通過(guò)FLAC 3D軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析掌子面距離和圍巖彈性模量對(duì)復(fù)雜地層下小凈距隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響，以期為實(shí)際工程提供參考。

1 工程背景與數(shù)值建模

本文以某高速公路大斷面小凈距隧道工程為例，利用FLAC 3D軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性及影響因素進(jìn)行研究。隧址區(qū)地貌主要為低山丘陵，地勢(shì)起伏較大，隧道最大埋深為50 m，地層自上向下分別為素填土、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖和中風(fēng)化片麻巖，其中隧道穿過(guò)的地層主要為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，地下水較為發(fā)育。左右隧道采取相同的設(shè)計(jì)斷面，斷面形狀為馬蹄形，寬度w為15.0 m，高度h為10.0 m，左右隧道之間的凈距d為10.0 m。數(shù)值模型依據(jù)隧道實(shí)際斷面進(jìn)行建立，為盡可能消除因邊界效應(yīng)導(dǎo)致的計(jì)算誤差，選取模型尺寸為100 m×64 m×100 m（長(zhǎng)×寬×高），建立數(shù)值模型如下頁(yè)圖1所示。

在模擬隧道開(kāi)挖的計(jì)算過(guò)程中，先對(duì)左側(cè)隧道進(jìn)行開(kāi)挖，完成一個(gè)開(kāi)挖步后再左右同時(shí)開(kāi)挖，每次開(kāi)挖的循環(huán)進(jìn)尺為3 m。選取監(jiān)測(cè)斷面為沿隧道開(kāi)挖方向的中軸平面，即Y=32 m平面。模型邊界條件為：模型上邊界為自由邊界，模型下邊界施加水平和豎直方向的約束；模型側(cè)面施加垂直側(cè)面的約束。圍巖的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖模型，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中只考慮初期支護(hù)，其中初期支護(hù)的本構(gòu)模型采用線彈性模型，彈性模量為40.0 GPa，泊松比為0.21，等效厚度為0.3 m。如下頁(yè)表1所示。

2 掌子面距離對(duì)圍巖變形的影響

大量研究表明，在小凈距隧道工程中，兩隧道掌子面錯(cuò)開(kāi)的距離對(duì)圍巖穩(wěn)定性有重要影響，因此本文利用控制變量法對(duì)掌子面距離對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量研究，控制隧道埋深、隧道凈距等參數(shù)不變，設(shè)計(jì)掌子面距離分別為0 m、3 m、6 m、9 m、12 m五個(gè)計(jì)算工況，分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究掌子面距離對(duì)地表沉降和隧道變形的影響。

2.1 地表沉降規(guī)律

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取監(jiān)測(cè)斷面（Y=32 m）的地表平面的沉降值進(jìn)行分析，得到不同掌子面距離下的地表沉降曲線如圖2所示，掌子面距離與地表最大沉降關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可知，地表沉降曲線沿X方向沉降曲線大致呈現(xiàn)左右不對(duì)稱(chēng)的“W”形，即隧道拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表沉降值遠(yuǎn)大于周?chē)鷧^(qū)域的土體變形，沉降值隨著距兩隧道拱頂位置的距離增大而不斷減小，先行洞（左洞）由于受到后行洞（右洞）的影響，其沉降變形明顯大于右洞。隨著兩隧道掌子面距離的逐漸增大，整個(gè)區(qū)域的沉降值出現(xiàn)顯著減小，且沉降值減小的速率逐漸增大，兩隧道掌子面距離為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m時(shí)，左隧道的地表最大沉降值分別為19.09 mm、18.52 mm、16.95 mm、15.31 mm、10.59 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比沉降值減小的比例分別為0、2.99%、11.21%、19.80%、44.53%，右隧道的最大沉降值分別為16.05 mm、15.34 mm、14.34 mm、12.62 mm、8.05 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比沉降值減小的比例分別為0、4.42%、10.65%、21.37%、49.84%。隧道中夾巖中心線的地表沉降值是研究區(qū)域內(nèi)地表沉降最小的位置，兩隧道掌子面距離為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m時(shí)，中夾巖中心線的地表沉降值分別為2.82 mm、2.61 mm、2.46 mm、2.39 mm、2.04 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比沉降值減小的比例分別為0、7.45%、12.77%、15.25%、27.66%。兩隧道掌子面距離對(duì)兩隧道拱頂位置的地表沉降值影響較為顯著，對(duì)中夾巖中心線的地表沉降值也有一定的影響。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，隨著兩隧道掌子面距離的逐漸增大，左右隧道之間最大沉降值的差值逐漸減小，即沉降曲線由左右不對(duì)稱(chēng)的“W”形逐漸向左右對(duì)稱(chēng)的“W”形過(guò)渡，說(shuō)明隨著兩隧道掌子面距離的逐漸增大，圍巖的穩(wěn)定性逐漸增大，且兩隧道之間的相互影響逐漸減弱。

2.2 隧道變形規(guī)律

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同掌子面距離下的監(jiān)測(cè)斷面（Y=32 m）左洞拱頂?shù)某两登€和隧道水平方向的收斂變形隨左洞掌子面位置的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，不同掌子面距離下隧道的變形存在顯著差異。不同掌子面距離下左洞拱頂變形曲線均呈現(xiàn)“Z”字形，即在掌子面向前推進(jìn)的過(guò)程中，掌子面未達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面中左洞拱頂變形均幾乎為0 mm，水平收斂在≤1 mm的范圍內(nèi)變化；當(dāng)掌子面即將到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)（Y=30 m），監(jiān)測(cè)斷面中左洞拱頂變形和水平收斂變形均出現(xiàn)小幅度的增大；當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)（Y=32 m），監(jiān)測(cè)斷面中左洞拱頂變形和水平收斂變形均出現(xiàn)大幅增大；當(dāng)掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，監(jiān)測(cè)斷面中左洞拱頂變形和水平收斂變形均持續(xù)增大；當(dāng)掌子面到達(dá)Y=44 m斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面中左洞水平收斂變形開(kāi)始保持不變；直至掌子面到達(dá)Y=46 m斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面中左洞拱頂變形開(kāi)始保持不變，并有一定幅度的減小。隨著掌子面距離的逐漸增大，左洞拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減小，當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，兩隧道掌子面距離分別為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m的工況下，左洞拱頂變形分別為26.68 mm、25.58 mm、21.99 mm、14.68 mm、8.34 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比拱頂變形減小的比例分別為0、4.12%、17.58%、44.98%、68.74%，左洞的水平收斂變形分別為12.25 mm、11.27 mm、10.28 mm、8.52 mm、6.82 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比水平收斂變形減小的比例分別為0、8.00%、16.08%、30.45%、44.33%。當(dāng)掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，兩隧道掌子面距離分別為0 m、3 m、6 m、9 m和12 m的工況下，左洞拱頂最大變形分別為37.41 mm、33.14 mm、29.69 mm、22.79 mm、16.03 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比拱頂變形減小的比例分別為0、11.41%、20.64%、39.08%、57.15%，左洞的水平收斂最大變形分別為11.98 mm、11.00 mm、10.07 mm、8.31 mm、6.13 mm，與兩隧道掌子面距離為0 m的工況相比水平收斂變形減小的比例分別為0、8.18%、15.94%、30.63%、48.83%。綜上可知，兩隧道掌子面距離越大，隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的變形越小，隧道越穩(wěn)定。

3 彈性模量對(duì)圍巖變形的影響

隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)在很大程度上影響隧道圍巖的穩(wěn)定性，該隧道工程中，Ⅴ級(jí)圍巖所占比例最大，約為65.3%，Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖各占20.6%和14.1%，因此研究圍巖的力學(xué)特性對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響具有重要意義。本文考慮不同級(jí)別圍巖的力學(xué)參數(shù)，利用控制變量法對(duì)圍巖彈性模量對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量研究，設(shè)計(jì)圍巖彈性模量分別為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa 5個(gè)計(jì)算工況，分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究圍巖彈性模量對(duì)地表沉降和隧道變形的影響。

3.1 地表沉降規(guī)律

由前文可知，隧道左洞的變形大于右洞，因此本節(jié)以隧道左洞的沉降數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取監(jiān)測(cè)斷面（Y=32 m）的地表平面的沉降數(shù)據(jù)，得到不同圍巖彈性模量下的地表沉降曲線如圖5所示，圍巖彈性模量與地表最大沉降關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖5和圖6可知，隧道左洞附近的地表沉降曲線大致呈“凹槽”形，即在隧道拱頂位置對(duì)應(yīng)的位置地表沉降最大，隨著距隧道軸線距離的增加，地表沉降值迅速減小。隨著圍巖彈性模量的增大，隧道地表沉降呈減小的趨勢(shì)。圍巖彈性模量為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa時(shí)，左隧道的地表最大沉降值分別為34.19 mm、14.52 mm、12.10 mm、10.81 mm、9.84 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，沉降值減小的比例分別為0、57.53%、64.61%、68.38%、71.22%；當(dāng)圍巖彈性模量由0.2 GPa增大到0.5 GPa時(shí)，左隧道的地表最大沉降值的下降幅度最大；當(dāng)圍巖彈性模量超過(guò)1.0 GPa后，隨著圍巖彈性模量增大，隧道的地表最大沉降值基本保持穩(wěn)定。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍巖彈性模量為0.2 GPa時(shí)，左隧道的地表最大沉降值達(dá)到了34.19 mm，超過(guò)了規(guī)范要求的限值。通過(guò)擬合曲線可知，當(dāng)圍巖彈性模量＜0.233 GPa時(shí)，左隧道的地表最大沉降值超過(guò)30 mm的限值，因此應(yīng)對(duì)彈性模量＜0.233 GPa的圍巖進(jìn)行加固處理。

3.2 隧道變形規(guī)律

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同圍巖彈性模量下的監(jiān)測(cè)斷面（Y=32 m）左洞拱頂?shù)某两登€和隧道水平方向的收斂變形隨左洞掌子面位置的變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，不同圍巖彈性模量下左洞拱頂變形曲線均呈現(xiàn)“Z”字形，變化規(guī)律與前文的描述一致。隨著圍巖彈性模量的逐漸增大，左洞拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減小，當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，圍巖彈性模量為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa的工況下，左洞拱頂變形分別為42.34 mm、24.24 mm、5.96 mm、5.27 mm、4.58 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，拱頂變形減小的比例分別為0、42.75%、85.92%、87.55%、89.18%，左洞的水平收斂變形分別為13.30 mm、10.23 mm、7.84 mm、6.36 mm、3.54 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，水平收斂變形減小的比例分別為0、23.08%、41.05%、52.18%、73.38%。當(dāng)掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，圍巖彈性模量為0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa的工況下，左洞拱頂最大變形分別為49.62 mm、32.03 mm、12.55 mm、11.52 mm、10.31 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，拱頂變形減小的比例分別為0、35.45%、74.71%、76.78%、79.22%，左洞的水平收斂最大變形分別為13.67 mm、10.81 mm、8.74 mm、7.26 mm、4.56 mm，與圍巖彈性模量為0.2 GPa的工況相比，水平收斂變形減小的比例分別為0、20.92%、36.06%、46.89%、66.64%。綜上可知，圍巖彈性模量越大，隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的變形越小，隧道越穩(wěn)定，圍巖彈性模量在0.2～2 GPa變化時(shí)，隨著圍巖彈性模量的增大，隧道水平收斂變形逐漸減小，隧道拱頂變形先快速減??；當(dāng)圍巖彈性模量超過(guò)1.0 GPa后，隧道拱頂變形逐漸保持穩(wěn)定，在修建隧道的過(guò)程中，可考慮對(duì)彈性模量＜1.0 GPa的圍巖進(jìn)行注漿加固處理。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）小凈距隧道的地表沉降曲線沿X方向沉降曲線大致呈現(xiàn)左右不對(duì)稱(chēng)的“W”形，沉降值隨著距兩隧道拱頂位置的距離增大而不斷減小，先行洞（左洞）由于受到后行洞（右洞）的影響，其沉降變形明顯大于右洞。

（2）隨著掌子面距離的逐漸增大，整個(gè)區(qū)域的沉降值出現(xiàn)顯著減小，左右隧道之間最大沉降值的差值逐漸減小，說(shuō)明兩隧道之間的相互影響逐漸減弱，隧道拱頂變形和水平收斂變形均逐漸減小，因此兩隧道掌子面距離越大，隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的變形越小，隧道越穩(wěn)定。

（3）隨著圍巖彈性模量的增大，地表沉降、隧道拱頂變形和水平收斂變形均呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)圍巖彈性模量＞1.0 GPa后，隨著圍巖彈性模量增大，隧道的地表最大沉降值和隧道拱頂變形基本保持穩(wěn)定。當(dāng)圍巖彈性模量＜0.233 GPa時(shí)，隧道地表最大沉降值超過(guò)30 mm的限值，應(yīng)對(duì)該類(lèi)圍巖進(jìn)行加固處理。

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收稿日期：2024-03-25

作者簡(jiǎn)介：支 鋒（1979—），工程師，主要從事公路工程監(jiān)理工作。