小净距公路隧道开挖围岩变形的数值模拟

甄卫刚，刘淑红，2，王自豪

（1.石家庄铁道大学 工程力学系，河北 石家庄 050043；2.河北省大型结构健康诊断与控制实验室，河北 石家庄 050043）

0 引 言

近年来，中国基础建设规模不断扩大，受地形条件限制并考虑占地等因素，许多双车道以上大断面小净距公路隧道应运而生。在大断面小净距隧道的施工过程中，常面临着埋深浅、围岩稳定性差、左右侧隧道的开挖和中间岩体相互影响等问题，因此引起了工程界和学术界的广泛关注。刘艳青等［1］对中国第一座小净距并行隧道——招宝山隧道进行了数值模拟和施工过程监测，得出了地面沉降、洞周收敛等变化规律。李云鹏等［2］、种健等［3］研究了不同围岩类别大跨度小净距隧道的最小净距。陈斌等［4］研究了小净距隧道的埋深、净距和围岩等级3个因素对隧道帮部和顶底板的应力及位移的影响。李围等［5］采用有限差分软件FLAC3D对深圳地铁7号线笋岗站－洪湖站区间的叠线盾构隧道下穿广深铁路股道施工引起的沉降进行了数值模拟计算。

虽然学者们在大跨度小净距隧道方面取得了一些有价值的研究成果，但由于每项工程都有开挖方法、围岩类别和埋深等方面的独特性，围岩的变形十分复杂，仍然存在很多需要解决的问题。本文采用有限元软件ANSYS对石家庄南二环西延工程V级围岩段的某隧道进行数值模拟，对比分析了单侧壁导坑法、CRD法、上下台阶法和CD法4种施工方案的隧道拱顶沉降、拱底隆起和地表沉降的变化规律。

1 工程背景

此公路隧道为双洞四车道浅埋小净距隧道，处于V级围岩段。左、右线隧道的开挖跨度均是12.25 m，净高7.9m，两隧道间净距14m，初期支护采用厚28cm的C25早强混凝土，中空注浆锚杆采用Φ25 mm，长度有5m和4m两种，中隔板采用厚20cm的C25早强混凝土，二衬采用厚60cm的C30钢筋混凝土。根据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004），围岩与衬砌结构的物理力学参数见表1。

表1 围岩与衬砌结构的物理力学参数

该隧道的设计施工方案是单侧壁导坑法，将此方法与其他常用的开挖方法（CRD法、上下台阶法和CD法）进行对比分析，以确定最优施工方案。各施工方案具体的施工步序如图1所示，图中数字表示土体的开挖顺序，每部分土体开挖完，均及时施加初衬或隔板后，再进行下一部分土体的开挖。每种施工方法均采用先左洞、后右洞的施工顺序。

2 数值模型

采用有限元软件ANSYS进行模拟，为消除尺寸效应的影响，模型水平方向为142m，埋深13.4 m，拱底距底部50m。围岩和二衬采用plan82单元，锚杆采用link单元，初衬和中隔板采用beam4单元。两侧和底边约束法向位移，上边界自由。划分单元数为13 756个，节点数为26 129个，计算模型有限元网格划分如图2所示。采用平面应变弹塑性本构模型、Druker－Prager屈服准则，根据施工方案设置不同的开挖步模拟隧道开挖，每次开挖都考虑35%应力释放；左、右侧隧道开挖完成后分别施加二衬，从而达到对隧道施工过程的模拟［6－11］。

图1 不同施工方案的施工步序

图2 有限元网格

3 模拟结果分析

本节对单侧壁导坑法、CRD法、上下台阶法和CD法4种施工方案的围岩变形进行分析。图3给出了采用单侧壁导坑法时在自重作用下、第4步开挖完、左侧隧道开挖完、全部开挖完成时围岩的竖向位移和全部开挖完成时围岩的水平位移云图。从图3（a）可以看出，在自重作用下，竖向位移严格地成层状分布，说明网格划分比较恰当，计算结果是正确的。从图3（b）、（c）、（d）可以看出，随着开挖的进行，竖直方向的位移在隧道附近变化比较大，拱顶和拱底分别出现沉降和隆起，自重作用下和两隧道全开挖完成时，最大的竖向位移分别为23.519mm和25.956mm。从图3（e）可以看出，两隧道全部开挖完成后，水平方向位移大致呈反对称分布，后开挖隧道的水平位移值影响范围要大于先开挖隧道，最大水平位移为1.398mm，远远小于竖向位移值。因此本文主要研究隧道拱顶沉降、拱底隆起和地表沉降的竖向变形规律。将每个计算步的位移减去自重下相应位置的位移，就可得到不同开挖步引起的位移［12－15］。

图3 不同开挖步单侧壁导坑法位移云图

3.1 拱顶沉降和拱底隆起

图4是4种不同施工方案的左、右侧隧道拱顶沉降和拱底隆起随开挖步的变化曲线。此时对应的各开挖步竖向位移为开挖完成且施加了初衬时的位移。从图4（a）、（b）中可以看出，台阶法施工第1步和第3步由于上半部分土体的开挖，分别使左、右侧隧道拱顶产生最大沉降，但随着第2步和第4步开挖完成，初衬形成完整的结构，拱顶的沉降值随之减小，产生所谓的“点头”现象。4种施工方案引起左侧隧道拱顶的最终沉降由大到小依次是CD法、上下台阶法、单侧壁导坑法和CRD法。右侧隧道拱顶最终沉降由大到小依次是CD法、上下台阶法、单侧壁导坑法和CRD法。从图4（c）、（d）中可以看出，台阶法施工第2步和第4步由于下半部分土体的开挖，分别使左、右侧隧道拱底产生最大隆起，其他3种施工方案引起的最终左、右侧隧道拱底的隆起值基本相同，小于台阶法施工引起的最终拱底隆起值。CRD法由于有中隔板的约束，开挖断面较均匀，拱顶沉降和拱底隆起均最小。

图4 不同开挖步的拱顶沉降和拱底隆起

3.2 地表沉降

图5是4种不同施工方案下左、右两隧道开挖完成及施加二衬后的地表沉降。从图5中可以看出，左、右侧隧道拱顶上方附近形成2个沉降槽，而且先开挖的左侧隧道拱顶地表附近的沉降值小于后开挖的右侧隧道拱顶的地表附近的沉降值。采用不同的施工方案，引起的地表沉降也不同。地表的沉降量从大到小依次为上下台阶法、CD法、单侧壁导坑法和CRD法。

为了研究后开挖隧道对先开挖隧道的影响，图6给出了采用CRD法施工左侧隧道开挖完成和两隧道全部开挖完成的地表沉降曲线。从图6中可以看出：左侧隧道开挖完，在左侧隧道拱顶对应的部位有1个沉降槽；两隧道全部开挖完成后，左、右两隧道拱顶对应的位置有2个沉降槽，右侧的沉降量更大一些；而且受后开挖隧道的影响，左侧的沉降槽位移值比左侧隧道开挖完时有所增加［16－17］。

图5 各方案地表沉降曲线

为了研究隧道埋深对地表沉降槽的影响，图7给出了CRD法施工埋深分别为13m、22m和30m时，两隧道开挖完成及施加二衬后的地表沉降曲线。从图7中可以看出：当隧道的埋深为13m时，有2个明显的沉降槽；当隧道的埋深为22m时，2个沉降槽就不那么明显，线形接近1个沉降槽。在隧道的埋深增大到30m的过程中，地表沉降量也随之增大，地表沉降槽由2个完全变成1个，左侧沉降槽逐渐消失，最终在右侧隧道顶附近形成1个大的沉降槽。

图6 CRD法地表沉降曲线

图7 不同埋深下地表沉降曲线

4 结 语

（1）开挖过程中，台阶法施工产生的拱顶沉降最大。随着隧道开挖支护的完成，变形最终趋于稳定，由4种施工方案引起隧道拱顶沉降由大到小依次是：CD法、上下台阶法、单侧壁导坑法和CRD法。上下台阶法隧道拱底的隆起最大，其他3种方案基本相同。

（2）由4种施工方案引起地表的沉降由大到小依次是：上下台阶法、CD法、单侧壁导坑法和CRD法。整体开挖完成后，左右两隧道拱顶对应的位置有2个沉降槽，后开挖隧道的沉降量更大一些。

（3）随着埋深的增加，地表沉降量增大，地表沉降槽由2个变成1个，先开挖隧道沉降槽逐渐消失，最终在后开挖隧道顶附近形成1个大的沉降槽。