大跨非对称小净距隧道施工力学响应及其开挖顺序研究

Study on Construction Mechanical Response and Excavation Sequence of Large Span Asymmetric Small Spacing Tunnel

摘要

以深圳市龙岗区坪南路大跨非对称小净距隧道工程为依托，通过现场监测结果分析隧道衬砌内力变化情况，建立有限元模型对不同施工顺序下隧道的拱顶沉降、中夹岩柱稳定性与衬砌受力情况进行对比研究。结果表明，大跨非对称小净距隧道施工时临近中夹岩柱侧拱腰与拱脚为结构易失稳点，施工中需做加固处理；相比于大断面先行，隧道小断面先行时，大、小断面拱顶沉降、衬砌弯矩和轴力分别最多减小16.1%、10.6%、12.5%，同时提高中夹岩柱稳定性，水平应力和竖向位移分别最多减小16.7%和28.3%，利于其结构整体安全性；结合现场监测数据和数值结果对比分析，轴力与弯矩最大值误差分别控制在12.5%和16.5%以内，数值结果整体趋势与现场监测结果基本吻合，较好地验证计算模型的准确性和可行性，因此大跨非对称小净距隧道施工时，遵循“小断面先行、大断面后行、后行洞远离中夹岩柱区域先行”的原则较为合理。

Abstract

Based on the large-span asymmetric small-spacing tunnel project of Pingnan Road in Longgang District of Shenzhen， the internal force changes of tunnel lining are analyzed through on-site monitoring results. A finite element model is established to compare the arch settlement， the stability of the middle rock pillar and the lining stress of the tunnel under different construction sequences. The results show that， the side arch waist and arch foot near the middle rock pillar are the structural instability points during the construction of large span asymmetric small spacing tunnel， and reinforcement treatment is needed in the construction. Compared with the large section first， when the small section of the tunnel is first， the arch settlement， lining bending moment and axial force of the large and small sections are reduced by up to 16.1%， 10.6% and 12.5%， respectively， and the stability of the middle rock pillar is improved. The horizontal stress and vertical displacement are reduced by up to 16.7% and 28.3%， respectively， which is beneficial to the overall safety of the structure. Combined with the comparative analysis of field monitoring data and numerical results， the maximum errors of axial force and bending moment are controlled within 12.5% and 16.5%， respectively. The overall trend of numerical results is basically consistent with the field monitoring results， which verifies the accuracy and feasibility of the calculation model. Therefore， it is reasonable to follow the principle of ‘small section first， large section backward， and backward hole far away from the middle rock pillar area first’ in the construction of large span asymmetric small spacing tunnel.

Graphical abstract

关键词

大跨非对称小净距隧道 / 数值计算 / 现场监测 / 开挖顺序 / 稳定性

Key words

Large span asymmetric small spacing tunnel / numerical calculation / field monitoring / excavation sequence / stability

0 引言

相对于普通双洞隧道，大跨非对称小净距隧道具有非对称、大跨度、小净距的特征，由于隧道双洞间的相互影响，结构的受力特征更加复杂。同时，非对称小净距隧道合理的开挖顺序对隧道围岩稳定有很大影响，在施工过程中采用合理的施工顺序以减小相邻隧道之间的扰动，进而保障隧道安全开挖尤为重要^［1-3］。

小净距隧道的力学机理一直备受关注，国内外学者对此展开了一系列相关研究。肖明清^［4］、黄强^［5］基于浅埋隧道围岩压力计算原理，推导了小净距隧道围岩压力计算公式，并分析了小净距隧道双洞间净距变化对围岩压力的影响规律。张励^［6］、孙振宇等^［7］通过对小净距隧道围岩变形、受力分布特点分析，遵循充分利用围岩的自承能力的原则，提出了中夹岩柱的合理加固方式以及优化后的施工方案。王立川^［8］采用室内试验的手段，研究了小净距隧道在施工中的围岩压力及支护机构的受力模式和破坏趋势，研究得出，小净距隧道在开挖过程中围岩压力的变化存在着明显的时空效应。龚彦峰等^［9］采用试验和数值相结合的手段，对比分析了小净距隧道施工对支护结构的影响机理，并明确了左右拱脚为隧道受力薄弱位置。尤其针对非对称小净距隧道，Zheng等^［10］通过模型试验和数值分析，探究了非对称小净距隧道中夹岩柱的力学特性，明晰中夹岩柱的损伤区域会随着上部荷载的增加不断扩展的规律。Wu等^［11］结合实际工程，研究了不同施工顺序对非对称小净距隧道的影响，研究结果表明先开挖浅边隧道可以有效地减轻不对称地形对隧道的影响。张志强等^［12］、张浩^［13］对不等跨非对称小净距隧道的开挖顺序与加固方案开展研究，结果表明隧道先开挖小洞优于先开挖大洞，同时对雁形部注浆可以明显控制中夹岩柱上端的位移，而对中夹岩柱下端注浆则对控制中夹岩柱位移的作用不大。王云龙等^［14］依托实际工程，通过对监测的围岩压力及支护结构内力的数据进行分析，研究得出，后行洞围岩压力及支护结构内力相较于先行洞数值更大，通过对中间岩柱进行加固后，监测数据显示后行洞的稳定性能得到显著提升。

综上所述，国内外专家学者针对小净距（含非对称）隧道中夹岩柱与支护结构受力变形特性和施工优化方面进行了系统的研究，并取得一系列成果，但针对大跨、非对称、小净距三者相结合的复杂组合受力体系及其施工顺序优化的研究较少，尚未形成较为完整的研究体系，大跨非对称小净距隧道力学响应及其施工方案优化亟待进一步研究。为此，依托实际工程，通过现场监测数据结果，对大跨非对称小净距隧道支护结构力学特性进行分析，采用数值仿真手段与现场实测进行对比，对大跨非对称小净距隧道施工顺序优化展开研究。

1 工程概况

深圳市龙岗区坪南路（永勤路—康贤路）新建工程位于龙岗区园山街道，项目南起康贤路，北至永勤路，为城市主干路，道路总长1.14 km，为双向六车道城市主干道，设计车速为40 km/h，其中隧道设计起讫里程为K0+437.50—K0+835.00，全长为397.5 m，总体布置图如图1所示。

综合考虑西线隧道与管廊合建，一般开挖宽度19.5 m，开挖高度15.25 m；东线隧道一般开挖宽度19.5 m，开挖高度 11.45 m，两洞间平均净距在5 m左右，初期支护为0.35 m厚的C 25喷射早强混凝土，二衬衬砌为0.75 m厚C 40防水钢筋混凝土。隧道采用矿山法施工，利用喷锚构筑法原理，合理地利用围岩的自承能力，以尽量减少开挖隧道对围岩的扰动为施工原则，对于软弱围岩采用加强超前支护或预支护方法施工，具体工程措施以小导管、锁脚锚管、注浆锚杆及对拉锚杆等作为主要施工支护手段，如图2所示。

隧道线路穿越丘陵地貌，受地形地貌、岩石性质及地质构造的多重影响，其间的岩石风化现象显著。隧道围岩主要由全、强风化砂岩及强风化花岗岩构成，全风化砂岩呈坚硬土状、土混碎块状，强风化砂岩及强风化花岗岩呈碎块混土状、碎块状，隧道洞体外的围岩均为散体结构，如图3所示。依据岩石力学强度、岩体结构与完整状态、地下水状态，主要软弱结构面产状，并结合岩体纵波波速，对围岩进行定量划分，将隧道围岩整体划分为Ⅴ级^［15］。

2 现场监测分析

2.1 监测方案

选择浅埋段（K0+465）作为重点分析断面，现场开挖工序图如图4所示，开挖导洞顺序按图4中序号①—⑩进行，现场开挖进尺2 m/d。于先、后行洞初支钢拱架上布置YX-BM30型表面应变计，每个截面对称布置2个应变计，分别焊接在钢拱架内、外两侧翼缘上，洞内测点由拱顶按顺时针方向依次编号（ZC1—ZC8、YC1—YC6）；通过智能读数仪进行获取初始频率值，经过计算得出钢拱架内力。现场监测布置如图5所示。

利用初始频率值、测量频率值以及仪器标定系数，可计算出钢拱架内外轴力（M）与弯矩值（N），钢拱架应变计算公式为

\epsilon =k\left(f_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}-f_i^{\mathrm{2}}\right)。（1）

式中：\epsilon为被测钢拱架应变；f_{\mathrm{0}}^{}为初始频率值，Hz；f_i^{}为测量频率值，Hz；k为仪器标定系数。

将测量的\epsilon代入下式，换算出钢拱架的M、N

M=E\left({\epsilon }_{\mathrm{1}}-{\epsilon }_{\mathrm{2}}\right)b{h}^{\mathrm{2}}/\mathrm{12}。（2）

N=E\left({\epsilon }_{\mathrm{1}}+{\epsilon }_{\mathrm{2}}\right)bh/\mathrm{2}。（3）

式中：E为浇筑混凝土弹性模量；b为钢拱架截面宽度，m；h为钢拱架厚度，m；{\epsilon }_{\mathrm{1}}钢拱架内弧面测点应变值；{\epsilon }_{\mathrm{2}}钢拱架外弧面测点应变值。

2.2 监测结果分析

图6和图7分别为隧道测试断面轴力、弯矩随开挖进程的变化曲线图。图6和图7显示，中衬砌受压时轴力为正值，衬砌内部受拉时弯矩为正值，外部受拉时弯矩为负值。

由图6可知，西线隧道开挖全过程中，衬砌轴力最大值均位于左侧拱腰处，各个导洞开挖至监测断面时轴力起伏较大，在导洞⑥号开挖10 d后，开挖面推进18~20 m时，支护结构各监测点轴力逐渐趋于稳定。随着东线隧道的开挖，两洞临近中夹岩柱侧墙腰处（ZC3、ZC4）的轴力有明显增加，直至双洞开挖完毕后，左右洞轴力最大值均位于临近中夹岩柱侧拱脚（ZC4）、拱腰（ZC6）处，分别为1 253 kN和1 063 kN。

由图7可知，西线隧道开挖全过程中，隧道临 近中夹岩柱侧衬砌结构墙腰、墙角处弯矩较大， 在监测时间为18 d和32 d时，由于临时支撑的拆除，附近测点（ZC3、ZC7）处弯矩值发生改变，弯矩 由-14.98 kN·m和-44.4 kN·m分别变为16.6 kN·m和34.4 kN·m，该部位由外部受拉状态变为内部受拉状态；东西线隧道在各个导洞开挖至监测断面时弯矩起伏较大，在导洞⑥号开挖10 d后，开挖面推进18~20 m时，各监测点弯矩逐渐趋于稳定；两洞开挖完成后，支护结构弯矩最大值分别位于临近中夹岩柱拱脚处（ZC4）和拱腰处（ZC6），分别为-46.2 kN·m和-36.8 kN·m。

因此，本工程中，大断面（西线）隧道先行开挖，小断面（东线）隧道后行时，后行洞的施工围岩将产生复杂的应力重分布，受大断面隧道开挖卸荷影响，围岩松弛或松弛范围扩大，隧道支护结构及周边围岩向临空面拉伸，两洞位于中夹岩柱侧拱腰、拱脚处衬砌结构的弯矩与轴力大幅增大，给现场施工带来难题。为此，进一步采用数值方法，对非对称大跨小净距隧道的开挖方案（顺序）开展优化研究。

3 数值模拟

3.1 模型建立

非对称大跨小净距隧道由于隧道左右洞开挖断面不一致，施工顺序的不同会对围岩的应力重分布带来不同的影响^［16］，着重分析非对称大跨小净距隧道不同开挖顺序下隧道拱顶沉降、中夹岩柱稳定性及衬砌受力情况的对比分析，为工程掘进确定合理的施工顺序。

鉴于先行洞开挖对于后行洞围岩的应力重分布没有直接影响^［17］，现重点分析大小断面的先后开挖顺序和后行洞分部的开挖顺序对结构的影响。以实际工况左（大断面）洞隧道采用交叉隔墙法（CRD法）先行开挖，右（小断面）洞隧道采用中隔壁法（CD法）后行开挖作为工况1参照对比（图4），同时考虑实际工程中临近中夹岩柱侧先后开挖顺序进行对比，数值工况设置见表1。

依托该工程区间（K0+450—K0+490）建立三维数值模型，利用PLAXIS 3D软件模拟非对称大跨小净距隧道不同开挖顺序对结构受力变形的影响，为降低边界效应的影响，数值模型以3倍的隧道开挖跨度作为横向扰动范围，模型隧道埋深取现场区间最大埋深20 m，模型的整体尺寸为 100 m×40 m×80 m（长×宽×高），如图8所示。岩土体视为弹塑性材料，采用摩尔-库伦本构模型（Mohr—Coulomb）模拟，初期支护以及临时支撑均采用板单元模拟，二次衬砌采用线弹性模型模拟，对拉预应力锚杆和注浆锚杆采用Embedded桩单元模拟，根据实际地层勘测报告，参考规范^［15］，材料力学参数见表2。在施工阶段中初始地应力平衡仅考虑自重应力，采用软件中提供的界面单元模拟桩土接触效应，力学边界为土体的四周面施加法向约束，底部施加固定约束。

3.2 数值结果分析

3.2.1 拱顶沉降

拱顶位移值是评判隧道开挖推进是否可行的一个重要因素，图9为不同工况下隧道拱顶沉降值随着隧道开挖主要施工阶段步的变化曲线。

由图9可知，工况3相较于工况1左右两洞拱顶沉降最大值分别减小了8.7%、16.1%；工况4相较于工况2两洞拱顶沉降最大值分别减小了10.9%、13.3%，隧道先开挖小断面时，两洞拱顶沉降较于先开挖大断面时更小。在4种工况下，相较于后行洞先开挖远离中夹岩柱侧，先开挖临近中夹岩柱侧时，左洞拱顶沉降最大值分别增大了5.6%、3.5%，右洞增大了3.1%、4.5%，说明在隧道开挖过程中，无论左右洞先开挖顺序如何，后行洞先开挖远离中夹岩柱侧在拱顶沉降值上优于先开挖临近中夹岩柱侧。

因此，对依托工程地表沉降控制而言，小断面先行、大断面后行，后行洞远离中夹岩柱的区域先开挖的掘进顺序较佳。

3.2.2 中夹岩柱位移分析

中夹岩柱是大跨非对称小净距隧道开挖过程中的薄弱部位，在开挖时受到先、后行隧道的扰动比较严重。为探究非对称大跨小净距隧道不同开挖顺序对中夹岩柱位移的影响，选取中夹岩柱中轴线上的 9个监测点，绘制隧道不同开挖顺序工况下中夹岩柱监测点水平位移和竖向位移情况，如图10所示。

由图10可知，对于中夹岩柱的水平位移，工况1相较于工况3中夹岩柱水平位移最大值增大了27.8%，工况2相较于工况4增大了36.4%；工况1和工况2、工况3与工况4的水平位移最大值分别增大了2.2%、9%。这说明小断面先行时，中夹岩柱扰动相对于大断面先行时更小。对于中夹岩柱的竖向位移，4种工况下中夹岩柱竖向位移最大值分别为6.06、6.23、5.89、5.59 mm，工况4中的竖向位移最大值较其他工况分别减小了7.8%、10.3%、5.1%。分析原因是隧道先行洞隧道断面相对较大，围岩力学与变形的影响范围也相对较大，后行洞施工时，小断面易发生偏压，其开挖对于中夹岩柱的扰动明显大于先行洞开挖时的扰动，同时后行洞远离中夹岩柱区域先开挖对控制中夹岩柱位移更有利。

3.2.3 中夹岩柱应力分析

大跨非对称小净距隧道中夹岩柱对围岩整体稳定性具有重要作用，对不同开挖顺序下中夹岩柱的受力状态进行分析，为体现其应力在隧道开挖过程中的变化规律，沿着监测断面中夹岩柱墙腰水平线上从左往右等距取5个测点，绘制非对称大跨小净距隧道不同开挖顺序工况下中夹岩柱应力情况，如图11所示。图11为不同工况下的中夹岩柱墙腰水平线应力分布曲线。

由图11（a）可知，在隧道开挖过程中，无论左右洞先开挖顺序如何，中夹岩柱墙腰水平线上的水平应力呈现中间大、两边小的单峰分布形式，此时中夹岩柱的承载能力充分发挥，为稳定状态。对于中夹岩柱墙腰水平线上的水平应力，工况4相较于工况2减小了8.7%，工况3相较于工况1减小了8.5%，最大值均位于中夹岩柱中心线的位置；后行洞先开挖临近中夹岩柱侧比先开挖远离中夹岩柱侧，水平应力最大值分别减小了2.5%、4.1%。这说明小断面隧道先行，大断面隧道后行，大断面隧道远离中夹岩柱区域先行能一定程度上降低中夹岩柱的水平应力峰值。

由图11（b）可知，大跨非对称小净距隧道开挖时，中夹岩柱墙腰水平线上的垂直应力呈现单峰分布形式，此时为中间小，两边大。在工况1和工况2中，垂直应力最大值位于先行洞临近中夹岩柱墙腰处，为3.70 MPa和3.75 MPa；在工况3和工况4中，垂直应力最大值位于两洞临近中夹岩柱墙腰处，为3.49 MPa和3.55 MPa。工况1大、小断面临近中夹岩柱墙腰处垂直应力最大值较工况3中分别增大了5.4%、17.3%，工况4较工况2中分别增大了5.7%、12%。这说明大断面先行更不利于中夹岩柱的整体受力状态。

结合中夹岩柱受力状态与位移分析可知，隧道施工时，小断面先行，大断面后行，大断面远离中夹岩柱区域先开挖时，其小断面临近中夹岩柱侧应力分布更加均匀，更利于隧道的稳定。

3.2.4 衬砌内力分析

为验证数值模拟的准确性，对比其支护结构轴力和弯矩数值结果与实测结果，如图12所示。同时为探究不同施工顺序对衬砌受力的影响，将不同施工顺序工况的支护结构弯矩和轴力最大值列表，见表3。

由图12可知，针对依托工程，隧道大断面先行时，左洞弯矩和轴力最大值均位于两洞临近中夹岩柱侧拱脚处，右洞弯矩和轴力最大值均位于临近中夹岩柱侧拱腰处，弯矩与轴力最大值误差分别控制在12.5％和16.5％以内，造成差异的主要原因一方面是隧道监测点受局部开挖扰动影响大，自身测试结果存在偏大的情况；另一方面是土体材料进行模拟时，将土体视为均匀、连续、各向同性材料，而实际土体是非均质各向异性不连续的介质，所以数值计算结果存在一定偏差，但数值模拟分布规律与前文实测分析结果相契合，验证了该数值模拟的准确性和可行性。

由表3可知，工况3中大、小断面轴力最大值相较于工况1分别减小了6.5%、11.9%，弯矩最大值分别减小了6.9%、10.6%，工况2相较于工况4轴力最大值分别减小了6.3%、12.5%，弯矩最大值分别减小了5.9%、10.1%，这说明小断面隧道先行更利于隧道整体受力。大断面先行，小断面后行，后行洞先开挖远离中夹岩柱侧比先开挖临近中夹岩柱侧，大断面轴力和弯矩最大值分别增大了3%、3.5%，小断面分别增大了4.3%、6.6%；小断面先行，大断面后行，后行洞先开挖远离中夹岩柱侧比先开挖临近中夹岩柱侧，大断面轴力和弯矩最大值分别增大了2.7%、2.4%，小断面分别增大了3.4%、6%。综上可知，大跨非对称小净距隧道小断面先行、大断面后行、后行洞远离中夹岩柱侧先开挖，大、小断面的轴力和弯矩会相应降低，更有利于隧道的整体稳定性，且施工过程中安全性更高。

4 结论

基于实际大跨非对称小净距隧道工程，开展现场监测及数值仿真分析，探究不同施工顺序下隧道结构的受力变形响应，在本研究实测与数值参数内可得以下结论。

1）通过现场监测数据可知，大跨非对称小净距隧道小断面隧道后行时，受大断面隧道开挖卸荷影响，周围围岩松弛或松弛范围扩大，隧道支护结构及周边围岩向临空面拉伸，使支护结构的荷载增加，轴力和弯矩最大值位于两洞临近中夹岩柱侧拱腰、拱脚角处，实际施工中应密切关注，必要时需进行加固处理。

2）相较于大断面隧道先行，隧道小断面先行时，整体安全性提升，大断面隧道拱顶沉降、支护结构弯矩和轴力最多减小了10.9%、6.5%、6.3%，小断面隧道则分别最多减小了16.1%、10.6%、12.5%；其中，中夹岩柱受力分布更加均匀，竖向应力和水平应力分别最多减少了11%、16.7%，对中夹岩柱位移扰动更小，竖向位移和水平位移分别最多减少了28.3%、10.3%。

3）结合施工监测结果与数值结果分析对比，轴力与弯矩最大值误差分别控制在12.5％和16.5％以内，整体趋势基本吻合，较好地验证计算模型的准确性和可行性，大跨非对称小净距隧道施工遵循“小断面先行、大断面后行，后行洞远离中夹岩柱区域先行”的原则较为合理。

4）针对工程背景仅探究了Ⅴ级围岩时的大跨非对称小净距截面隧道施工方案优化，未能考虑其他等级围岩条件下的围岩和隧道埋深对其隧道施工方案的影响，有待进一步深入探究。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52368053)