淺埋偏壓雙孔隧道開挖順序優(yōu)化研究

李揚，費維水，劉文連，肖南潤

淺埋偏壓雙孔隧道開挖順序優(yōu)化研究

李揚1，費維水1，劉文連2，肖南潤1

(1. 昆明理工大學，云南 昆明 650000；2. 中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

為研究先行洞優(yōu)先原則與CRD法開挖順序相結合對淺埋偏壓雙洞隧道圍巖的影響，提出合理的隧道開挖順序。以重慶某隧道工程為依托，采用Midas/GTS軟件建立了二維有限元隧道模型，分析了右洞先行且先開挖右側、右洞先行且先開挖左側、左洞先行且先開挖右側、左洞先行且先開挖左側等4種不同開挖方案的主應力分布情況。研究結果表明：采用右洞先行且先開挖左側的開挖順序時隧道圍巖的位移和應力最小，該開挖方案最佳，以期為類似隧道施工提供借鑒。

隧道工程；淺埋偏壓隧道；CRD法；數(shù)值模擬；開挖順序

隧道施工中，不可避免地穿越一些特殊地形條件，也會遇見各種復雜情況，對隧道施工的安全性和隧道圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生極大影響，如位于寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)迎水橋鎮(zhèn)孟家灣村的大灣溝隧道，其所在地區(qū)的地形高低起伏大，母巖成分為強、中風化砂巖，隧道圍巖屬于Ⅳ～Ⅴ級圍巖，巖石穩(wěn)定性較差，開挖時極易產(chǎn)生坍方、脫層、掉塊等問題[1]。為保證隧道施工的安全性，需要對隧道施工工藝進行優(yōu)化。淺埋偏壓隧道因隧道左、右兩側上覆土體方量相差較大，開挖過程將會打破原有的應力分布，造成隧道結構兩側荷載不對稱，從而容易導致隧道左、右兩側圍巖變形量及應力值不一致[2]，而開挖順序的改變是減小開挖擾動造成圍巖變形的一種有效手段，因此，相關學者對隧道開挖順序的優(yōu)化進行了許多理論分析和數(shù)值模擬研究。石熊[3]等人依托贛韶鐵路上的良村隧道工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結合的方法，研究了不同開挖順序時的圍巖位移和應力變化情況，獲得了大斷面淺埋偏壓隧道采用CRD法施工的合理順序，應為先開挖埋深較淺部分。楊恢元[4]針對偏壓情況下的大跨徑軟弱圍巖隧道的開挖進行了數(shù)值仿真分析，得到了大跨徑軟弱圍巖偏壓隧道采用三臺階預留核心土法施工時，應先開挖埋深較淺一側比較合理。周玉宏[5]等人采用考慮彈塑性非線性的二維有限元模型，對云南元磨高速公路橋頭隧道進行了模擬，通過模擬值與現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)進行對比分析，得出了偏壓連拱隧道施工時應先開挖埋深較淺一側隧洞的結論。宋振華[6]采用有限元模型計算隧道左、右洞全部在滑坡體中，外洞在滑坡體中，內(nèi)洞在滑坡體外及隧道左、右洞全部在滑坡體外的4種工況，得出了先行洞的優(yōu)先原則。

不同開挖順序?qū)\埋偏壓隧道圍巖變形與應力的影響顯著，但多數(shù)研究為針對隧道位于承載能力較好的土體或巖體，先行洞優(yōu)先原則與CRD法開挖順序相結合對隧道圍巖影響的研究鮮有。因此，作者以重慶某隧道施工為背景，擬采用右洞先行且先開挖右側、右洞先行且先開挖左側、左洞先行且先開挖右側、左洞先行且先開挖左側4種不同方案對隧道圍巖的位移及應力進行研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該隧道工程位于重慶市城區(qū)，全為地下線分離式雙向隧道，左線長3.978 7 km，右線長3.948 km，隧道內(nèi)部凈寬13.25 m。隧道左線樁號為ZK1+ 120～ZK5+110，右線樁號為YK0+690～YK4+ 649.478，其中隧道入口段穿越Ⅵ級圍巖素填土層，隧道埋深為4.7～21.9 m，該段屬于淺埋偏壓土層隧道。

1.2 隧道地質(zhì)條件

隧道入口段主體圍巖為Ⅵ級軟弱圍巖，主要由素填土構成，覆蓋范圍和土層堆積厚度較大。素填土的土質(zhì)構成以粉質(zhì)粘土、碎石和塊石為主，結構松散稍密，壓縮性大，主要特征為強度低、易松動及發(fā)生變形。土層隧道的圍巖自穩(wěn)定性差，對控制隧道開挖變形有更高的技術要求。開挖過程中，若隧道側壁及頂部不及時支護或支護(處理)不當，易產(chǎn)生較大規(guī)模的坍塌，側壁土層結構穩(wěn)定性相對較差。隧道圍巖隨著掘進逐漸變?yōu)橹酗L化泥巖，巖層自穩(wěn)能力相對較好，埋深較深，施工技術難度較低。巖土體弱富水性，開挖過程中可能存在小量的巖土滴水、滲水等現(xiàn)象。

1.3 隧道施工工藝

該隧道屬于淺埋偏壓土層隧道，存在埋深淺、偏壓、小凈距等復雜情況。因此，在隧道的初期施工時，采用預埋管棚及超前小口徑導管法進行預加固。采用CRD法分段進行隧道開挖，在中臺階設置臨時仰拱、臨時中隔壁及臨時仰拱處，采用噴錨+型鋼拱架進行臨時支護。初期支護采用C25噴射混凝土，內(nèi)置雙層Φ8鋼筋網(wǎng)和工25b鋼架，鎖腳錨桿采用小型鋼導管。二次襯砌結構采用雙層C35鋼筋混凝土。對于洞內(nèi)隧道底部為土層的部分，采用直徑1 m的高壓旋噴樁進行基礎加固，實施時間為初期支護成功閉環(huán)后。隧道的施工工藝示意如圖1所示。

圖1 隧道施工工藝示意

2 模型概況

為研究淺埋偏壓隧道合理開挖順序，利用Midas/GTS有限元軟件，選取隧道受淺埋偏壓影響最為明顯的剖面作為計算剖面，然后對隧道進行建模。

2.1 模型設置

利用Midas/GTS軟件模擬隧道施工過程。根據(jù)相關理論與實際應用經(jīng)驗，在均勻介質(zhì)層與彈性層的無限域中，開挖一個圓形洞室。由于荷載釋放，引起5倍洞徑范圍以外的洞室周圍介質(zhì)應力變化很小，其影響可以忽略不計。因此，模型尺寸設置為大于5倍隧道直徑，可以消除邊界效應帶來的影響[7?9]。為盡量減小邊界效應對隧道圍巖的直接影響，設置計算模型范圍為：水平方向取360 ｍ，垂直方向由隧道底部到模型底部邊界取72 ｍ，向上按埋設取至地表。模型的土體由 10 653個單元和10 920個節(jié)點連接組成。隧道由4 473個單元和4 612個節(jié)點連接組成。模型的左、右兩側均采用水平鉸支座來控制模型水平方向的位移，底部采用固定支座來控制模型底部水平和豎直2個方向的位移。計算模型如圖2所示。

2.2 土體本構模型及模型參數(shù)

為了減小數(shù)值模擬的計算量，對模型邊界范圍內(nèi)的地層進行簡化，主要研究填土層和中風化泥巖。巖土體的本構模型均采用摩爾庫倫模型(M?C)，隧道初期支護與二次襯砌采用梁單元進行模擬。預加固、土體注漿及基底加固均采用等效的方法進行簡化。模擬過程中，通過提高土體的參數(shù)來表現(xiàn)其作用。根據(jù)工程勘察報告及文獻資料[10?11]，選取數(shù)值模擬計算的參數(shù)，模型所采用的具體物理力學參數(shù)見表1。

隧道圍巖位移觀察點的選擇參照《公路隧道施工技術規(guī)范(JTG/T3660—2020)》[12]中要求選取，所選觀察點如圖3所示。

表1 計算參數(shù)表

圖3 觀察點布置示意

2.3 計算方案

該雙隧道存在淺埋偏壓，采用CRD法進行開挖，設計了4種不同開挖施工工序的計算方案：①右洞先行且先開挖右側；②右洞先行且先開挖左側；③左洞先行且先開挖右側；④左洞先行且先開挖左側。其中，右洞為埋深較淺側隧洞，左洞為埋深較深側隧洞。CRD法具體開挖順序如圖4所示。

3 數(shù)值計算結果分析

3.1 不同計算方案下隧道圍巖位移分析

3.1.1 水平位移分析

運用Midas/GTS軟件模擬4種設計方案進行隧道開挖后圍巖的水平位移云圖和圍巖水平位移量對比圖，如圖5,6所示。從圖6中可以看出，方案2最優(yōu)、方案1次之、方案4再次之、方案3最差。采用方案2進行隧道開挖時，與方案3相比，左側隧洞A、B、C、D、E 5個觀察點的圍巖水平位移值分別減小2.4 mm、11.0 mm、31.5 mm、8.7 mm、23.7 mm。右側隧洞A、B、C、D、E 5個觀察點的圍巖水平位移值分別減小了16.7 mm、33 mm、19.6 mm、19.7 mm、29.1 mm。因此，合理的開挖順序，能切實降低隧道開挖時圍巖產(chǎn)生的水平位移。

圖4 CRD法開挖順序示意

圖6 隧洞圍巖水平位移量對比

3.1.2 水平收斂位移分析

依據(jù)隧道上、下拱腰處的圍巖水平位移，可以進一步得出隧道圍巖水平收斂的情況，按照4種方案進行隧道開挖后圍巖水平收斂值的對比如圖7所示。從圖7中可以看出，左側隧洞圍巖的水平收斂規(guī)律不明顯；上拱腰BC線的水平收斂最小值為10.3 mm(方案2)，最大值為51.8 mm(方案3)；下拱腰DE線的水平收斂最小值為25 mm(方案1)，最大值為40.2 mm(方案2)。右側隧洞圍巖的水平收斂規(guī)律較為明顯，采用方案2開挖時，右側隧洞的水平收斂值最小，與水平收斂值最大的方案3相比上拱腰BC線的差值為52.6 mm，下拱腰DE線的差值為45 mm。綜合分析上、下拱腰的水平收斂，采用方案2開挖時，隧道水平收斂值最小，對隧道的受力最有利。

3.1.3 豎向位移分析

按照4種方案進行隧道開挖后的圍巖豎向位移云圖和圍巖豎向位移量對比圖如圖8,9所示。從圖9中可以看出，不同開挖方案對隧道圍巖的豎向位移量影響不大，對圍巖豎向變形沒有明顯改善。各種方案開挖后，隧道上大多數(shù)觀察點的圍巖豎向位移相差不大，僅左洞A點在方案2和方案3下的差值為16.5 mm，右洞A點在方案1和方案4下的差值為16.5 mm，右洞D點在方案2和方案3下的差值為12.2 mm，其余情況的豎向位移量差值均小于10 mm。

圖7 隧洞圍巖水平位移收斂值對比圖

圖8 不同計算方案下隧洞圍巖豎向位移云圖

圖9 隧洞圍巖豎向位移量對比圖

3.2 不同計算方案下隧道圍巖應力分析

運用Midas/GTS 模擬4種計算方案進行開挖后，計算方案1～4隧道圍巖最大主應力值分別為269.3,233.8,235.0,248.0 kPa。采用不同方案進行開挖后，得到圍巖不同的最大主應力。隧道圍巖的主應力采用方案1時最大，采用方案2時最小，兩者最大主應力差值為35.5 kPa。表明：采用方案2開挖時，隧道圍巖的拉應力最小，圍巖更為穩(wěn)定，說明改變隧道的開挖順序能夠有效減小隧道圍巖的不利受力，從而使隧道更加安全。

4 結論

依托重慶某隧道工程，基于Midas/GTS有限元分析軟件建立了數(shù)值模型。在淺埋偏壓條件下，采用CRD法進行開挖，通過計算分析隧道圍巖的位移和應力，得出結論為：

1) 開挖順序為右洞先行且先開挖左側時，隧道左、右洞圍巖的水平位移量最小。與其他方案相比，左側隧洞水平位移量最大減小了31.5 mm，右側隧洞水平位移量最大減小了33 mm。在右側隧洞上，拱腰處水平收斂值的降幅最大，為52.6 mm。合理的開挖順序，能切實降低隧道開挖時圍巖產(chǎn)生的水平位移。

2) 不同開挖方案對隧道圍巖的豎向位移量影響有限，所以從隧道圍巖豎向變形難以判斷各種開挖方案的優(yōu)劣性。

3) 開挖結束后，采用右洞先行且先開挖左側的開挖方案時，能最大幅度的減小隧洞圍巖所受的拉應力。隧道圍巖主應力最大為右洞先行且先開挖右側方案，最大主應力為269.3 kPa。其次是采用左洞先行且先開挖左側方案，其最大主應力為248.0 kPa，2種方案得到的圍巖主應力相差不大。

4) 與其他方案相比，采用右洞先行且先開挖左側的開挖方案能使隧道圍巖水平位移及最大主應力更小，對隧道施工更有利。對于此類淺埋偏壓隧道，采用CRD法開挖時，該方案更為合理。

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Study on optimization of excavation sequence of shallow-buried bias pressure double-hole tunnel

LI Yang1, FEI Wei-shui1, LIU Wen-lian2, XIAO Nan-run1

(1. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, China;2. China Nonferrous Metals Industry Kunming Survey, Design and Research Institute Co., Ltd., Kunming 650000, China)

To study the influence of the first tunnel priority principle and the CRD excavation sequence on the surrounding rock of shallow-buried bias pressure double-tunnel tunnel, a reasonable tunnel excavation sequence was put forward. Based on a tunnel project in Chongqing, a two-dimensional finite element tunnel model was established by using Midas/GTS software, and the principal stress of four different excavation schemes, namely right hole with right first excavation, right hole with left first excavation, left hole with right first excavation, and left hole with left first excavation, were analyzed respectively. The results show that the excavation scheme of right hole with left first excavation minimizes the displacement and stress of surrounding rock, and the excavation scheme is the best. The results can provide references for similar tunnel construction.

tunnel engineering; shallow-buried bias tunnel; CRD method; numerical simulation; excavation sequence

U455

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 0082 ? 07

2018?03?07

李揚(1995?)，男，昆明理工大學碩士生。