山区小净距三洞浅埋偏压隧道开挖顺序分析

张玉龙 李世文 李增源 林子鑫

摘要：为研究浅埋偏压条件下小净距三洞隧道的开挖力学响应，文章通过数字地面模型和有限差分软件FLAC 3D建立了考虑原地表的三洞隧道三维模型，基于现场岩体参数开展了开挖顺序的影响分析，讨论了三洞隧道开挖的围岩变形模式和最优开挖顺序。结果表明：在偏压小净距三洞隧道开挖中，先行洞的开挖位置会影响其沉降变形大小和围岩的沉降变形模式，先开挖边侧洞对另一侧的沉降影响较小，先开挖中间洞则会对两侧边洞造成较大沉降影响；在小净距三洞隧道开挖中，隧道净距对沉降造成的影响大于开挖顺序；三洞开挖顺序的4种工况中，选择中间洞最后开挖的两种开挖順序沉降变形相差不大，选择由一侧顺序开挖至另一侧的两种开挖顺序较优。

关键词：小净距隧道；偏压隧道；浅埋隧道；隧道开挖

中图分类号：U455.4 A 51 168 2

0 引言

小净距隧道指的是在地形和用地受限的情况下，需要在较小的空间内布置多洞隧道穿越，一般认为两洞间距小于2倍洞径的为小净距隧道［1］。小净距隧道的建设难点在于隧道掘进会受到来自自身地形地质和周围隧道开挖的双重影响。隧道的开挖会扰动围岩造成岩体应力的重分布，小净距隧道多次开挖扰动加剧了这一过程的发展，当重分布的应力大于围岩的强度时往往会造成位移激增，支护失效，甚至发生隧道整体失稳。目前关于小净距隧道的研究包括以库伦楔体理论为代表的双洞平地面、双洞斜地面小净距隧道围岩压力计算理论［2-3］，以及以有限元隐式算法为代表的双洞平地面、双洞斜地面小净距隧道数值模拟研究［4-5］。但这些研究目前还局限在二维空间，考虑因素较为单一，对于复杂地形下的隧道开挖难以形成指导，同时鲜有针对三洞小净距隧道研究。本文以乐望高速公路乐业北互通主线双洞及匝道隧道为实际工程案例，通过数字地面模型和FLAC 3D软件建立了考虑原地形的三洞隧道三维模型，分析三洞小净距隧道的开挖力学反应，为同类工程提供参考。

1 工程概况

乐业北互通主线左洞（A洞）全长747 m，右洞（B洞）全长767 m，D匝道隧道（D洞）全长611 m。三洞空间位置关系如图1所示，A～B洞轴线间距为21.6 m，B～D洞轴线间距为18 m。隧道进洞位置为陡崖上，周围分布村庄及农田。隧道进口段洞顶及洞身围岩主要为坡积粉质黏土、中风化灰岩，岩体极破碎-较破碎，节理裂隙、岩溶发育，围岩级别为Ⅴ级，根据钻取的岩芯试验，得出隧道进口的岩体力学参数如表1所示。

2 数值模型

通过将等高线数据矢量化建立数字地表模型，然后利用FLAC 3D软件内置的网格生成方法Zone Generate From-Geometry建立隧道所在的地层网格，对隧道周围岩体网格进行加密，网格尺寸为0.5 m，地表岩体采用1.0 m的网格，其余部分网格适当稀疏，模型总体网格数量为188 685个，节点数量为194 994个。利用Zone Face Apply命令建立隧道的边界条件，除地表平面外对各地层剖面施加法向约束。

考虑到边界效应，隧道两侧围岩宽度取2.5倍洞径，模型长度取三洞隧道洞口段Ⅴ级围岩前45 m。隧道初期支护为钢拱架和C25喷射混凝土。将钢拱架采用刚度折算法换算为等厚的喷射混凝土，采用Shell单元模拟，厚度取0.3 m。二次衬砌为C35混凝土，采用实体单元模拟，厚度为0.5 m。由于A洞和B洞是主线，D洞是匝道，所以三洞的洞径不同，但为了分析一般的三洞开挖力学响应规律和建模的难度，此处取三洞的平均洞径8 m作为建模分析的参数，建模过程如图2所示。开挖前对模型施加重力场，实现地应力平衡，消除地应力平衡时的位移。

3 参数分析

3.1 先行洞开挖位置分析

本文选择沉降位移作为评价最优开挖顺序的指标，这是因为沉降位移能够较好地反映地表和隧道围岩的变形情况，进一步反映隧道的稳定性。

根据既有研究可知，双洞偏压隧道的关键在于低侧隧道（偏压一侧）和高侧隧道（偏拉一侧）开挖顺序的确定。对三洞隧道而言，其开挖的顺序的关键也在于确定最低侧和最高侧两洞的开挖，中间洞对于山体的沉降位移影响介于两者之间。在理论上，从最低侧开挖可起到护脚的作用，从最高侧开挖则可起到卸载的作用，因此在两者的最优开挖顺序上值得进一步研究。

从本文研究的三洞隧道边仰坡来看，A洞受到前后和左右双向坡的偏压，D洞和B洞净距极小，处于左右单向坡的下部。如图3所示为开挖A洞、开挖B洞和开挖D洞后的位移云图，从沉降位移数值上来看，A洞、B洞、D洞地表最大的沉降位移为7.31 mm、7.48 mm、7.77 mm，可以发现三者开挖均会在隧道顶部边仰坡引起较大的位移，其中D洞单洞开挖引起的位移最大，A洞单洞开挖引起的位移最小。

从沉降位移模式上来看，单洞开挖时隧道围岩正上方均会出现漏斗状深度沉降区域，两侧围岩出现蝶翼状浅度沉降区域，隧道底部环形回弹位移。由图3（a）可知，A洞开挖后，B洞顶部左侧受到深度沉降影响（沉降位移＞2 mm），D洞受到浅度沉降影响；由图3（b）可知，B洞开挖后，A洞和D洞顶部均会受到一定的深度沉降影响；由图3（c）可知，D洞开挖后，B洞顶部右侧受到深度沉降影响，A洞右侧受到浅度沉降影响。综上，B洞（D洞）开挖对左右两侧洞均有较大影响，A洞（偏压一侧）开挖后对另一侧两洞的影响较小，D洞（偏拉一侧）开挖后对另一侧两洞的影响也较小，对A洞的影响更是极小。因此，在开挖顺序上选择A洞或D洞作为先行洞。

3.2 三洞开挖顺序分析

前文仅对单洞开挖后隧道围岩变形情况进行了分析，本小节将对三洞开挖后的围岩变形进行分析。根据前文的分析结果，选择A洞或D洞作为先行洞，那么共有4种工况需要分析，分别为ABD、ADB、DAB、DBA，其计算结果如后页图4所示，为了更加明显地分析出不同开挖顺序的差异，在计算中未考虑超前小导管和系统锚杆的支护作用，同时该开挖段仍处于浅埋破碎段，因此随进尺和埋深的增加，隧道位移也随之增大。

由图4可知，B洞和D洞的沉降位移始终显著大于A洞，这是因为B洞和D洞的净距极小，开挖时在两个隧道顶部形成了共同沉降区，显著增加了围岩变形。由图4（a）可知，按照ABD顺序开挖后，D洞的位移最大，A洞的位移最小；由图4（b）可知，按照ABD顺序开挖后，B洞的位移最大，A洞的位移最小；由图4（c）可知，按照DAB顺序开挖后，B洞位移最大，A洞位移最小；由图4（d）可知，按照DBA顺序开挖后，B洞位移最大，A洞位移最小。通过进一步分析可知，隧道净距对沉降造成的影响大于开挖顺序，无论哪种开挖顺序都应该首先关注净距对隧道变形的影响。

如表2所示，给出了不同开挖顺序下洞口段的最终位移，可以看出三洞开挖顺序对于三洞的位移也具有一定影响，最后掘进B洞的两种工况（ADB、DAB），三洞的洞口位移相差不大。以此两种工况的位移作为基准进行参考，按照偏压埋深由低到高顺序（ABD）开挖，低侧洞位移降低，会造成中间洞的位移降低，高侧洞的位移增加；按照由高到低顺序（DBA）开挖，会造成高侧洞位移降低，中间洞位移降低，低侧洞位移增加。综上可知，较优的开挖顺序为ABD和DBA，在这两种顺序中，先开挖洞的位移会较小，后开挖洞的位移会较大，可根据沉降位移的控制目标进行选择。

4 结语

本文建立了原地表数字地面模型，通过FLAC 3D软件建立考虑地面的隧道开挖支护模型，对山区偏压小净距三洞隧道的三维位移反应进行了分析，探索了单洞开挖后和三洞开挖后隧道围岩的沉降变形情况，讨论了不同开挖顺序对三洞隧道的沉降影响规律，得到如下结论：

（1）在偏压小净距三洞隧道开挖中，先行洞的开挖位置会影响其沉降变形大小和围岩的沉降变形模式，先开挖边侧洞对另一侧的沉降影响较小，先开挖中间洞则会对两侧边洞造成较大的沉降影响。

（2）在偏压小净距三洞隧道开挖中，净距较小的两个隧道位移始终大于第三洞，三洞开挖的顺序会对其沉降位移产生一定影响，选择中间洞最后开挖的两种开挖顺序沉降变形相差不大，根据偏压情况选择由低到高顺序开挖或由高到低顺序开挖的两种开挖顺序较优。

参考文献

［1］杨 灵. 浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究［D］.徐州：中国矿业大学，2014.

［2］孙振宇，张顶立，房 倩，等. 浅埋小净距公路隧道围岩压力分布规律［J］. 中国公路学报，2018，31（9）：84-94.

［3］舒志樂，刘保县，李 月.偏压小净距隧道围岩压力分析［J］.地下空间与工程学报，2007（3）：430-433.

［4］耿建仪，梁志辉，杨新安，等. 八达岭长城站小净距三洞隧道中岩柱受力特性与支护优化研究［J］. 隧道建设（中英文），2019，39（12）：2 000-2 010.

［5］李金奎，魏贤科，梁文静. 大断面小净距三孔隧道群施工顺序研究［J］. 水利与建筑工程学报，2015，13（2）：33-36.

收稿日期：2023-08-20