小凈距隧道洞口淺埋段圍巖變形的數(shù)值模擬研究

摘要：為研究小凈距隧道洞口淺埋段圍巖變形特性，文章依托西南山區(qū)某高速公路小凈距隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道淺埋段圍巖變形特性、掌子面縱向間距對(duì)圍巖變形的影響及超前管棚支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，得出結(jié)論：隧道右洞（先行洞）和左洞（后行洞）的拱頂沉降、拱底隆起變形和洞周水平收斂量均隨隧道開(kāi)挖推進(jìn)呈現(xiàn)先增大然后逐漸保持不變的變化趨勢(shì)，且右洞的圍巖變形明顯大于左洞；隧道拱頂沉降隨著隧道縱向深度的增大逐漸減小，隨著掌子面縱向間距的增大而逐漸減?。还軓降脑龃髮?duì)超前管棚的支護(hù)效果有較為明顯的提升，隨著管徑逐漸增大，隧道拱頂沉降最大值逐漸減小，可選108.0 mm的管徑為合理取值；超前管棚環(huán)向間距的增大對(duì)超前管棚的支護(hù)效果有明顯削弱，隨著環(huán)向間距逐漸增大，隧道拱頂沉降最大值和洞周收斂最大值均逐漸增大，可選35.0 cm為超前管棚環(huán)向間距的合理取值。

關(guān)鍵詞：小凈距隧道；洞口淺埋段；掌子面間距；超前管棚支護(hù)；FLAC3D軟件

中文分類號(hào)：U456.3+1A541794

0引言

隨著我國(guó)西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求不斷增加，高速公路在西南復(fù)雜山區(qū)的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。為了適應(yīng)西南山區(qū)復(fù)雜的地形地貌，在修建高速公路時(shí)不可避免地需要修建橋梁和隧道，大量高速公路工程采用淺埋小凈距隧道工程方案，以縮短線路長(zhǎng)度、降低工程難度和保護(hù)環(huán)境。然而，淺埋小凈距隧道工程常常受到地質(zhì)條件、地表荷載和鄰近結(jié)構(gòu)物的復(fù)雜影響，其圍巖變形和支護(hù)效果成為工程設(shè)計(jì)和施工中的重要考量因素。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在圍巖條件較差的條件下，隧道工程事故常常集中在隧道洞口段，因此有必要對(duì)淺埋小凈距隧道洞口段的圍巖變形及支護(hù)效果進(jìn)行深入研究。

目前對(duì)淺埋小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)措施的研究已有了較多成果。晏莉等［1］基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則和極限分析上限定理推導(dǎo)了淺埋小凈距隧道圍巖壓力計(jì)算公式，并求解了圍巖壓力的上限解，計(jì)算結(jié)果與規(guī)范法計(jì)算結(jié)果較為接近。王峰等［2］依托山東省三峰山隧道實(shí)際工程，利用有限元方法建立數(shù)值模型，模擬了隧道CRD法施工過(guò)程中洞口淺埋段的圍巖變形規(guī)律。萬(wàn)桂軍等［3］依托貴州省沙田隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件建立三維數(shù)值模型，分析了淺埋小凈距隧道含軟弱夾層段開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖應(yīng)力及位移變化規(guī)律。葛晨雨等［4］利用ABAQUS軟件建立不同支護(hù)條件下的淺埋小凈距隧道三維有限元數(shù)值模型，分析了不同支護(hù)方式對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變及塑性區(qū)分布的影響。王海龍等［5］依托重慶市新九路隧道工程，利用Midas-GTS軟件建立數(shù)值模型，模擬了不同小凈距隧道中巖柱加固方式下隧道地表沉降的變化規(guī)律。閆振虎等［6］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，確定了小凈距隧道的合理凈距。畢志剛等［7］依托福建省布盂隧道實(shí)際工程，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，研究了軟弱圍巖條件下淺埋小凈距隧道超前支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)管棚超前支護(hù)能有效控制隧道拱頂沉降。

綜上，對(duì)于淺埋小凈距隧道圍巖變化特性和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性的研究已取得較為豐富的成果，但針對(duì)淺埋小凈距隧道洞口段的研究較少。因此，本文依托西南山區(qū)某高速公路小凈距隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道淺埋段圍巖變形特性及掌子面縱向間距對(duì)圍巖變形的影響，同時(shí)設(shè)置不同工況分析了超前管棚支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，進(jìn)而選取超前管棚的合理設(shè)計(jì)參數(shù)，以期為小凈距隧道工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1工程背景與數(shù)值建模

1.1工程概況

本文依托西南山區(qū)某高速公路小凈距隧道實(shí)際工程。隧址區(qū)地形起伏較大，隧道進(jìn)洞口段邊坡為一順層巖質(zhì)邊坡，坡角為30°～45°，巖層產(chǎn)狀為262°∠50°，隧道左洞和右洞的進(jìn)洞口段均位于斜坡底部，出露的巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，下伏基巖為中風(fēng)化砂巖。隧道左洞全長(zhǎng)為2 088 m，右洞全長(zhǎng)為2 085 m，隧道左洞和右洞形狀一致，洞徑均為12.4 m，洞高均為9.3 m，采用R25中空錨桿+C25噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，錨桿縱向間距和環(huán)向間距均為0.6 m，噴射混凝土厚度為25 cm。隧址區(qū)內(nèi)河流水系較為發(fā)育，年降雨量較大，地下水變化較為頻繁。進(jìn)洞口段隧道埋深較淺，且?guī)r體風(fēng)化程度較高，圍巖較為破碎。為防止降雨和地下水入滲，在隧道進(jìn)洞口段設(shè)置超前管棚，并進(jìn)行高壓注漿，從而提升圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，提高隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性。超前管棚采用外徑為108.0 mm、管長(zhǎng)為20 m、管壁厚6 mm的鋼管，環(huán)向間距為0.4 m，共布置37根。以隧道右洞為例，隧道進(jìn)洞口段斷面示意圖如下頁(yè)圖1所示。

1.2數(shù)值模型的建立

本文利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)小凈距隧道洞口淺埋段圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)效果進(jìn)行研究。隧道全斷面穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層，隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層下為中風(fēng)化砂巖地層，中風(fēng)化砂巖地層位于隧道拱底以下18 m的位置處。左右隧道采取相同的設(shè)計(jì)斷面，斷面形狀為馬蹄形，洞徑w為12.4 m，洞高h(yuǎn)為9.3 m，左右隧道之間的凈距d為14.8 m。數(shù)值模型依據(jù)隧道實(shí)際斷面建立，為盡可能減小邊界效應(yīng)的影響，選取模型尺寸為80 m×80 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高），隧道拱底距模型底面的距離為38 m，隧道洞口位置的隧道埋深為12.7 m，隧道縱向深度80 m處的隧道埋深為48.7 m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》（JTG 3370.1-2018）中給出的隧道深埋-淺埋段的劃分方法進(jìn)行計(jì)算，確定隧道洞口淺埋段的范圍為縱向深度0～49.2 m，隧道縱向深度49.2 m處的隧道埋深為22.1 m。為對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，建立模型時(shí)不建立隧道拱頂以上超過(guò)12.7 m的巖土體，該部分巖土體對(duì)模型的作用通過(guò)對(duì)模型頂面施加等效豎向荷載實(shí)現(xiàn)，建立數(shù)值模型如圖2所示。

設(shè)置模型的邊界條件為：在模型下邊界上施加豎直和水平方向的約束，限制其豎向和水平方向的位移；模型側(cè)面邊界施加垂直于側(cè)面的約束，限制其法向位移；模型頂面邊界為自由邊界，施加模型上部巖土體的等效豎向荷載。圍巖的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中考慮初期支護(hù)和超前支護(hù)，初期支護(hù)包括錨桿和噴射混凝土，本構(gòu)模型均采用線彈性模型。超前支護(hù)為超前管棚支護(hù)，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)通過(guò)等效注漿加固的方式進(jìn)行模擬，即通過(guò)提高管棚處巖土體的物理力學(xué)參數(shù)模擬超前管棚支護(hù)對(duì)圍巖的加固效果。數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。

在模擬隧道開(kāi)挖的計(jì)算過(guò)程中，先對(duì)右側(cè)隧道進(jìn)行開(kāi)挖，完成三個(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6 m，右側(cè)隧道掌子面與左側(cè)隧道掌子面間的縱向間距為18 m。開(kāi)挖步驟為：

（1）開(kāi)挖右側(cè)隧道上層巖體，開(kāi)挖深度為6 m。

（2）開(kāi)挖左側(cè)隧道上層巖體，開(kāi)挖深度為6 m。

（3）開(kāi)挖右側(cè)隧道下層巖土體直至達(dá)到上側(cè)土體開(kāi)挖位置。

（4）開(kāi)挖左側(cè)隧道下層巖土體直至達(dá)到上側(cè)土體開(kāi)挖位置。

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1隧道開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律

本文選取隧道進(jìn)洞口淺埋段的Y=32 m平面為監(jiān)測(cè)斷面，以隧道右洞為例，監(jiān)測(cè)斷面的典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖3所示。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到隧道不同開(kāi)挖階段典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的位移曲線，如圖4所示。

由圖4可知，監(jiān)測(cè)斷面上的隧道右洞和隧道左洞的拱頂沉降、拱底隆起變形和洞周水平收斂量均隨著隧道開(kāi)挖的推進(jìn)呈現(xiàn)先增大然后逐漸保持不變的變化趨勢(shì)，且隧道右洞的圍巖變形明顯大于隧道左洞，隧道右洞的拱頂沉降、拱底隆起變形和洞周水平收斂量的最大值分別為8.54 mm、9.29 mm、5.70 mm，隧道左洞的拱頂沉降、拱底隆起變形和洞周水平收斂量的最大值分別為5.05 mm、6.96 mm、3.95 mm。當(dāng)隧道左洞開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面上隧道右洞的拱頂沉降、拱底隆起變形和洞周水平收斂量均出現(xiàn)了明顯增大。分析其原因?yàn)椋盒艟嗨淼蓝纯诙温裆钶^淺，上覆圍巖較薄，且地表經(jīng)受長(zhǎng)期風(fēng)化作用，隧道圍巖破碎程度較高，穩(wěn)定性較差，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的原始平衡狀態(tài)被打破，在重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)過(guò)程中，圍巖會(huì)產(chǎn)生變形。同時(shí)，由于隧道左洞和右洞的橫向間距僅為14.8 m，當(dāng)后行洞（隧道左洞）開(kāi)挖時(shí)，會(huì)引起已開(kāi)挖的隧道右洞圍巖二次擾動(dòng)，在雙洞效應(yīng)的作用下，隧道的拱頂沉降、拱底隆起和洞周收斂變形均呈現(xiàn)進(jìn)一步增大變化趨勢(shì)。

2.2掌子面間距對(duì)隧道圍巖變形的影響

大量已有研究表明，小凈距隧道先行洞和后行洞掌子面的縱向間距在很大程度上影響了隧道圍巖的變形，本節(jié)為定量分析掌子面縱向間距對(duì)該小凈距隧道洞口淺埋段圍巖變形的影響，設(shè)置了掌子面縱向間距分別為12 m、18 m、24 m、30 m四種不同計(jì)算工況，提取隧道開(kāi)挖完成后隧道洞口淺埋段拱頂沉降數(shù)據(jù)，如圖5所示。

由圖5可知，不同的掌子面縱向間距工況下，在隧道開(kāi)挖完成后，隧道右洞（先行洞）的拱頂沉降值明顯大于隧道左洞（后行洞）的拱頂沉降值，隧道右洞和左洞淺埋段的拱頂沉降均隨著隧道縱向深度的增大逐漸減小，即拱頂沉降最大值出現(xiàn)在隧道洞口位置。隧道右洞和左洞的拱頂沉降均隨著掌子面縱向間距的增大而逐漸減小，掌子面縱向間距分別為12 m、18 m、24 m、30 m時(shí)，隧道右洞的拱頂沉降最大值分別為11.59 mm、10.98 mm、10.27 mm、9.79 mm；隧道左洞的拱頂沉降最大值分別為7.44 mm、6.84 mm、6.12 mm、5.63 mm。與掌子面縱向間距為12 m的工況相比，隧道右洞的拱頂沉降最大值減小比例分別為0、5.26%、11.39%、15.53%，隧道左洞的拱頂沉降最大值減小比例分別為0、8.06%、17.74%、24.33%。分析其原因?yàn)椋弘S著掌子面縱向間距的不斷增大，隧道先行洞完成應(yīng)力重分布，達(dá)到新的應(yīng)力平衡的時(shí)間更充足，隧道后行洞開(kāi)挖對(duì)隧道先行洞圍巖的二次擾動(dòng)的影響降低。

3超前管棚結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的參數(shù)敏感性分析研究

隧道洞口淺埋段圍巖風(fēng)化程度較高，穩(wěn)定性較差，且易受到降雨及地下水的影響，因此需采取輔助措施對(duì)隧道洞口淺埋段的圍巖進(jìn)行加固。該項(xiàng)目采取超前管棚支護(hù)，可顯著提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，有效傳遞圍巖荷載。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》（JTG 3370.1-2018）中的相關(guān)規(guī)定，通過(guò)調(diào)整超前管棚支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置不同的計(jì)算工況，研究超前管棚的管徑和環(huán)向間距對(duì)圍巖變形的影響。

3.1管徑對(duì)隧道圍巖變形的影響

為研究超前管棚的管徑對(duì)圍巖變形的影響，本節(jié)設(shè)置超前管棚的管徑分別為76.0 mm、108.0 mm、159.0 mm和178.0 mm四種計(jì)算工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其中管長(zhǎng)為20 m，環(huán)向間距為0.4 m，得到監(jiān)測(cè)斷面（Y=32 m）上隧道拱頂沉降和洞周收斂最大值，如表2所示。

由表2可知，隨著管徑的逐漸增大，隧道監(jiān)測(cè)面的拱頂沉降最大值逐漸減小，洞周收斂最大值呈小幅增大的變化趨勢(shì)。管徑分別為76.0 mm、108.0 mm、159.0 mm和178.0 mm時(shí)，與管徑76.0 mm的工況相比，隧道監(jiān)測(cè)面的拱頂沉降最大值減小比例分別為0、5.22%、10.43%、14.65%，隧道監(jiān)測(cè)面的洞周收斂最大值增大比例分別為0、2.86%、3.58%、4.65%。綜上，管徑的增大對(duì)超前管棚的支護(hù)效果有較為明顯的提升效果，主要體現(xiàn)在對(duì)圍巖豎向變形的抑制作用。然而隨著管徑的逐漸增大，施工難度和成本均明顯增加，盲目選擇更大的管徑并不可取，僅需滿足相應(yīng)規(guī)范對(duì)隧道圍巖變形的要求即可，因此本節(jié)選取108.0 mm的管徑為合理取值。

3.2環(huán)向間距對(duì)隧道圍巖變形的影響

為研究超前管棚環(huán)向間距對(duì)圍巖變形的影響，本節(jié)設(shè)置超前管棚的環(huán)向間距分別為30 cm、35 cm、40 cm、45 cm和50 cm五種計(jì)算工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其中管徑為108.0 mm，管長(zhǎng)為20 m，得到監(jiān)測(cè)斷面（Y=32 m）上隧道拱頂沉降和洞周收斂最大值，如表3所示。

由表3可知，隨著超前管棚環(huán)向間距的逐漸增大，隧道監(jiān)測(cè)面的拱頂沉降最大值和洞周收斂最大值均逐漸增大，超前管棚環(huán)向間距分別為30 cm、35 cm、40 cm、45 cm和50 cm時(shí)，與環(huán)向間距30 cm的工況相比，隧道監(jiān)測(cè)面的拱頂沉降最大值增大比例分別為0、5.74%、14.02%、22.16%、28.30%，隧道監(jiān)測(cè)面的洞周收斂最大值增大比例分別為0、6.87%、16.16%、22.83%、37.58%。綜上，超前管棚環(huán)向間距的增大對(duì)超前管棚的支護(hù)效果有明顯削弱效果，為保證超前管棚的支護(hù)效果，不可將管棚環(huán)向間距設(shè)置得過(guò)大，但管棚環(huán)向間距越小，施工難度越大，經(jīng)濟(jì)成本越高，因此選取合理的管棚環(huán)向間距至關(guān)重要。綜合考慮支護(hù)效果、施工難度和經(jīng)濟(jì)成本，選取35.0 cm為超前管棚環(huán)向間距的合理取值。

4結(jié)語(yǔ)

（1）隧道右洞（先行洞）和左洞（后行洞）的拱頂沉降、拱底隆起變形和洞周水平收斂量均隨隧道開(kāi)挖推進(jìn)呈現(xiàn)先增大然后逐漸保持不變的變化趨勢(shì)，且右洞的圍巖變形明顯大于左洞。

（2）隧道右洞和左洞淺埋段的拱頂沉降均隨著隧道縱向深度的增大逐漸減小，拱頂沉降最大值出現(xiàn)在隧道洞口位置。隧道右洞和左洞的拱頂沉降均隨著掌子面縱向間距的增大而逐漸減小。

（3）隨著管徑逐漸增大，隧道拱頂沉降最大值逐漸減小，洞周收斂最大值呈小幅增大的變化趨勢(shì)，管徑的增大對(duì)超前管棚的支護(hù)效果有較為明顯的提升效果。綜合考慮支護(hù)效果、施工難度和經(jīng)濟(jì)成本，選取108.0 mm的管徑為合理取值。

（4）隨著超前管棚環(huán)向間距的增大，隧道拱頂沉降最大值和洞周收斂最大值均逐漸增大，超前管棚環(huán)向間距的增大對(duì)超前管棚的支護(hù)效果有明顯削弱效果。綜合考慮支護(hù)效果、施工難度和經(jīng)濟(jì)成本，選取35.0 cm為超前管棚環(huán)向間距的合理取值。

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作者簡(jiǎn)介：陳振山（1978—），高級(jí)工程師，主要從事公路工程施工管理工作。