連拱隧道掌子面縱向間距數(shù)值分析

■高 帥 胡明香 胡發(fā)旺

（1.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，贛州 341000；2.贛州水務(wù)股份有限公司，贛州 341000）

近年來，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，交通運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量快速發(fā)展。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年中國(guó)交通基建投資規(guī)模達(dá)3.6 萬億元， 總體朝著建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)大步邁進(jìn)。 越嶺公路隧道作為山區(qū)公路的重要構(gòu)造物，在改善公路線型、節(jié)省用地和節(jié)約投資等方面發(fā)揮著重要作用。 連拱隧道作為一種特殊的隧道形式，因其線形流暢、占地面積小、避免了洞口路基或大橋分幅、 經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在雙洞雙向行車的公路短隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。截至2020 年，我國(guó)公路隧道總數(shù)量突破2 萬座，總里程突破2 萬km，其中連拱隧道數(shù)量超過1600座，總里程達(dá)500 km 以上。 同時(shí)，連拱隧道已不限于公路山嶺隧道，在不同地理環(huán)境下，出現(xiàn)了隧道入湖、下海、過江、上島等更加廣泛的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)[1]。交通建設(shè)實(shí)踐已證明，修建連拱隧道符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綠色可持續(xù)發(fā)展的理念，也符合我國(guó)人多地少的基本國(guó)情。

不同于普通單線隧道或分離式隧道，連拱隧道由于開挖跨度大、施工工序交錯(cuò)多、施工工藝復(fù)雜、圍巖應(yīng)力變化和襯砌荷載轉(zhuǎn)換復(fù)雜等因素[2]，導(dǎo)致其施工難度大，安全隱患增多。 連拱隧道左右線施工開挖相互影響，在影響范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力和變形互相疊加，先后行洞掌子面縱向間距大小影響兩者的疊加程度。 連拱隧道開挖施工時(shí)，為了減小左右洞的相互影響，先后行洞掌子面應(yīng)保持合理的縱向間距，這樣不僅可以降低圍巖擾動(dòng)，最大程度保證圍巖穩(wěn)定，還能夠縮短工期，節(jié)約工程成本。 因此，對(duì)連拱隧道掌子面縱向間距分析具有重要的理論研究和工程實(shí)踐意義。

1 研究背景

目前對(duì)于隧道掌子面縱向合理間距的研究，多集中在雙線小凈距隧道方面。Chung[3]通過建立三維模型研究雙隧道相互作用效應(yīng)，得出隧道影響周范圍內(nèi)側(cè)向應(yīng)力顯著增加的結(jié)論。Ng C W 等[4]通過對(duì)平行開挖雙線隧道荷載傳遞機(jī)制和先后行洞縱向間距變化對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的研究， 提出2.5 倍洞徑為雙線隧道縱向間距的臨界值。 杜菊紅[5]研究了小間距隧道不同掌子面間距對(duì)圍巖變形和應(yīng)力產(chǎn)生不同的影響，提出掌子面最優(yōu)間距為20 m 左右。袁飛等[6]以黃土連拱隧道為研究對(duì)象，通過對(duì)黃土連拱隧道動(dòng)態(tài)施工的三維數(shù)值模擬，確定偏壓黃土連拱隧道施工過程中左右主洞掌子面的合理縱向間距為3 倍單洞跨度。 吳賁等[7]以韓府山小凈距隧道為研究背景，通過數(shù)值模型分析，認(rèn)為掌子面距離控制在2 倍洞徑較為合理。楊子奇等[8]以九龍山—大郊亭區(qū)間隧道為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)相同隧道間距情況下不同掌子面距離對(duì)地表沉降造成的影響進(jìn)行分析，提出最佳隧道施工掌子面距離為1～2 倍隧道洞徑。 厲廣廣[9]選取不同縱向間距同向開挖隧道模型作為研究對(duì)象，研究縱向間距變化對(duì)圍巖變形的影響程度，得出V 類圍巖臺(tái)階法施工雙線隧道合理縱向間距為1.5 倍及以上開挖洞徑。徐才厚等[10]以廣州地鐵工程案例為背景，采用有限元軟件對(duì)7 種不同縱向間距下的盾構(gòu)隧道進(jìn)行開挖模擬，提出縱向距離9 環(huán)為最佳縱向施工間距。

從掌子面縱向間距研究現(xiàn)狀來看，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)連拱隧道的研究還相對(duì)較少，主要研究?jī)?nèi)容及成果多以小凈距雙線隧道為主。 本文以連拱隧道為研究對(duì)象，采用三維有限元數(shù)分析軟件Plaxis，對(duì)V 級(jí)圍巖三層復(fù)合曲中墻連拱隧道開挖施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同縱向間距開挖條件下圍巖變形與應(yīng)力特征，確定連拱隧道施工中左右主洞掌子面合理縱向間距大小。

2 數(shù)值模型建立

以廣東某連拱隧道為研究對(duì)象，該隧道形式為三層復(fù)合曲中墻連拱隧道。 隧道洞頂埋深為20 m，開挖高度為8.5 m，單洞寬度為10 m，隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，隧道數(shù)值分析計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)值分析計(jì)算參數(shù)

圖1 為連拱隧道三維數(shù)值計(jì)算模型示意圖，假設(shè)隧道圍巖為各向同性均質(zhì)彈塑性介質(zhì)，其屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。 不考慮構(gòu)造應(yīng)力和二次襯砌的影響，初期支護(hù)采用板單元模擬，采用提高噴射混凝土厚度來等效鋼拱架作用，初支模擬厚度取0.5 m。

圖1 連拱隧道三維數(shù)值計(jì)算模型

隧道施工采用中導(dǎo)洞施工法， 右洞為先行洞，總進(jìn)尺長(zhǎng)度為80 m， 右洞掌子面位置保持不變，調(diào)整左洞掌子面位置， 選取0D、0.5D、1D、1.5D、2D、2.5D、3D、3.5D、4D、4.5D、5D、5.5D、6D（D 為隧道單洞寬度）共13 個(gè)不同掌子面縱向間距進(jìn)行數(shù)值模擬。為減小邊界約束效應(yīng)的影響， 左洞取20 m 隧道進(jìn)尺作為初始狀態(tài)。 表2 為不同掌子面縱向間距對(duì)應(yīng)的隧道進(jìn)尺長(zhǎng)度， 圖2 為掌子面縱向間距為6D 時(shí)對(duì)應(yīng)的連拱隧道開挖平面示意圖。

表2 不同縱向間距開挖情況

圖2 隧道開挖平面示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

取右洞掌子面位置對(duì)應(yīng)的橫斷面為特征斷面A，研究分析不同縱向間距條件下特征斷面A 所在地表沉降量，繪制地表沉降曲線，如圖3 所示。 圖中各曲線近似正態(tài)分布，且對(duì)稱中心隨著縱向間距的減小逐漸向中隔墻軸線位置偏移，表明掌子面縱向間距愈小，左右洞之間相互影響愈明顯。 此外，隨著縱向間距的減小，地表沉降量逐漸增大，縱向間距從6D 向2.5D 變化時(shí)，地表沉降量增速不明顯，但從2.5D 開始，地表沉降量增速顯著，沉降量大幅增加，并在0D 時(shí)于中隔墻處達(dá)到最大沉降量。因此，從地表沉降角度分析時(shí)，為降低左右洞開挖相互影響程度，掌子面縱向間距宜保持在2.5 倍及以上單洞寬度。

圖3 特征斷面A 地表沉降曲線

取中隔墻軸線方向豎直斷面為特征斷面B，圖4為不同縱向間距條件下特征斷面B 所在地表沉降曲線。 對(duì)比不同縱向間距對(duì)應(yīng)的沉降曲線可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：隨著縱向間距的減小，沉降曲線線型由上凸曲線逐漸向上凹曲線過渡， 其中過渡曲線為2.5D 間距對(duì)應(yīng)的沉降曲線， 同樣表明縱向間距越小，地表沉降越顯著，為降低隧道開挖對(duì)地表下沉的影響， 掌子面縱向間距宜保持在2.5 倍及以上單洞寬度。

圖4 特征斷面B 地表沉降曲線

3.2 洞周收斂變形與應(yīng)力分析

以右洞掌子面為研究對(duì)象， 分析不同縱向間距條件下對(duì)應(yīng)的洞周收斂變形及應(yīng)力大小。 圖5（a）為右洞掌子面處拱頂沉降變形隨縱向間距變化曲線，其線形為拋物線形，拱頂沉降變形隨掌子面縱向間距減小而逐漸增大， 取2.5D 作為拐點(diǎn)，2.5D 之前增長(zhǎng)速率較小，2.5D 之后增長(zhǎng)速率逐漸增快，表明為使相鄰左洞對(duì)右洞拱頂沉降的影響最小，兩洞掌子面縱向間距宜保持在2.5D 以上。 圖5（b）為右洞掌子面處拱底隆起變形隨縱向間距變化曲線，其線形與拱頂沉降變形曲線類似，拱底隆起變形隨掌子面縱向間距減小而逐漸減小， 取2.5D作為拐點(diǎn)，2.5D 之前減小速率不大，2.5D 后減小速率增大并趨于定值，因此為確保相鄰左洞對(duì)右洞拱底擾動(dòng)最小，兩洞掌子面縱向間距宜保持在2.5D以上。

圖5 洞周收斂變形曲線

圖6（a）為右洞掌子面處拱頂總應(yīng)力隨縱向間距變化曲線，通過觀察，縱向間距以2.5D 為拐點(diǎn)，在2.5D 之前拱頂總應(yīng)力值幾乎不變，2.5D 之后拱頂總應(yīng)力值逐漸遞增，故為減小相鄰左洞疊加在右洞拱頂?shù)目倯?yīng)力， 兩洞掌子面縱向間距宜保持在2.5D 以上。 圖6（b）為右洞墻腰總應(yīng)力隨縱向間距變化曲線，其線形為拋物線形，墻腰總應(yīng)力隨著縱向間距減小而增加，同樣以2.5D 為拐點(diǎn)，2.5D 之前總應(yīng)力增長(zhǎng)速率緩慢，2.5D 以后增長(zhǎng)速率逐漸增大， 因此為減小相鄰左洞疊加在右洞墻腰的總應(yīng)力，掌子面縱向間距宜保持在2.5D 以上。

圖6 先行洞拱頂腰墻應(yīng)力變化曲線

3.3 中隔墻變形與應(yīng)力分析

取右洞掌子面處中隔墻中心點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)不同縱向間距條件下中隔墻變形與應(yīng)力進(jìn)行分析。圖7（a）為中隔墻中心點(diǎn)水平位移隨掌子面縱向間距變化曲線，從圖中可以看出，中隔墻中心點(diǎn)水平位移隨縱向間距減小而增加，以2.5D 為拐點(diǎn)，2.5D之前位移增長(zhǎng)速率緩慢，2.5D 以后水平位移呈線性增大，因此保持掌子面縱向間距在2.5D 以上，可以減小相鄰左洞引起的中隔墻水平位移量。圖7（b）為中隔墻中心點(diǎn)水平應(yīng)力隨掌子面縱向間距變化曲線， 通過觀察可以發(fā)現(xiàn)， 掌子面縱向間距在6D～2.5D 間變化時(shí)， 中隔墻中心點(diǎn)水平應(yīng)力值幾乎不變，以2.5D 為拐點(diǎn)，水平應(yīng)力開始逐漸增大，同理，為減小相鄰左洞疊加在中隔墻上的應(yīng)力值，掌子面縱向間距宜保證在2.5D 以上。

圖7 中隔墻水平變形與應(yīng)力變化曲線

3.4 初期支護(hù)變形與應(yīng)力分析

以右洞掌子面處初期支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)不同縱向間距條件下初支拱腰處總位移及軸力進(jìn)行分析。圖8（a）為初期支護(hù)總位移隨掌子面縱向間距變化曲線，其線形同樣為拋物線形，初期支護(hù)總位移隨縱向間距減小而增加，以2.5D 為拐點(diǎn)，縱向間距在2.5D 之前總位移增長(zhǎng)速率緩慢，2.5D 以后增長(zhǎng)速率遞增并逐漸呈線性狀態(tài)，故為減小相鄰左洞對(duì)右洞初期支護(hù)變形的疊加影響，兩洞掌子面縱向間距宜保持在2.5D 以上。 圖8（b）為初期支護(hù)軸力隨掌子面縱向間距變化曲線， 該曲線以2.5D 為拐點(diǎn)， 縱向間距在2.5D 之前初期支護(hù)軸力幾乎保持不變，2.5D 之后軸力迅速增大，與上述結(jié)論相同，即掌子面縱向間距保持在2.5D 以上時(shí)， 可以減小相鄰左洞疊加在右洞初期支護(hù)上的應(yīng)力。

圖8 初期支護(hù)軸力與總位移變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

研究采用三維有限元數(shù)值模擬，在Ⅴ級(jí)圍巖基礎(chǔ)上，對(duì)不同掌子面縱向間距條件下連拱隧道地表沉降、洞周收斂變形與應(yīng)力、中隔墻變形與應(yīng)力及初期支護(hù)變形與應(yīng)力分別進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

（1）連拱隧道左右洞施工開挖存在相互影響，在影響范圍內(nèi)地表沉降及各項(xiàng)變形與應(yīng)力均會(huì)互相疊加，且以2.5 倍單洞寬度為界，當(dāng)左右洞掌子面縱向間距小于2.5 倍單洞寬度時(shí)， 兩洞相互影響明顯，變形與應(yīng)力疊加顯著；當(dāng)左右洞掌子面縱向間距大于2.5 倍單洞寬度時(shí)，兩洞相互影響減弱，變形與應(yīng)力疊加不明顯。

（2）對(duì)于連拱隧道，為減小左右洞施工相互影響， 兩洞開挖掌子面縱向間距應(yīng)保持在2.5 倍及以上單洞寬度。