复杂地层下小净距隧道开挖稳定性分析

摘要：为研究复杂地层下小净距隧道开挖稳定性，文章依托某高速公路大断面小净距隧道工程，通过FLAC 3D软件进行数值模拟，分析了掌子面距离和围岩弹性模量对复杂地层下小净距隧道开挖稳定性的影响，得出结论：小净距隧道的地表沉降曲线大致呈现左右不对称的“W”形，先行洞由于受到后行洞的影响，其沉降变形明显大于后行洞；随着掌子面距离逐渐增大，整个区域的沉降值出现显著减小，两隧道间的相互影响逐渐减弱，隧道拱顶变形和水平收敛变形均逐渐减小；随着围岩弹性模量的增大，隧道地表沉降、拱顶变形和水平收敛变形均呈减小的趋势，当围岩弹性模量＞1.0 GPa后，隧道的地表最大沉降值和拱顶变形基本保持稳定；当围岩弹性模量＜0.233 GPa时，隧道地表最大沉降值＞30 mm的限值，应对该类围岩进行加固处理。

关键词：小净距隧道；掌子面距离；围岩弹性模量；FLAC 3D

中图分类号：U456.3

0 引言

随着我国经济的快速发展，高速公路与高速铁路的覆盖范围愈发完善。然而，我国山地面积占比＞30%，在山地修建公路和铁路不可避免地要进行大量隧道的建设，受诸多条件的限制，可选择的隧道类型较少，其中小净距隧道是最常见的隧道类型之一。在山区修建隧道，由于工程地质条件复杂，在开挖过程中，由于高地应力或软弱围岩等问题发生的塌方事故逐年增多，因此，研究小净距隧道开挖稳定性具有较大的实际意义。

目前对小净距隧道围岩稳定性的研究已有了较多成果。王峰、薛然、刘二强等［1-3］均依托小净距隧道实际工程，分别利用有限元和离散元方法进行数值模拟，对小净距隧道的围岩变形规律进行研究，发现隧道围岩应力及变形均随着隧道开挖逐渐增大。葛晨雨等［4］利用ABAQUS软件对某高速公路小净距隧道进行数值模拟，研究不同支护下的小净距隧道浅埋段的应力与变形特征，发现衬砌对抑制拉应力扩展及控制围岩变形有较好效果，而锚杆的作用不明显。潘子叶［5］依托黄家夼隧道工程，利用FLAC 3D软件进行数值模拟，研究了不同施工方案下偏压小净距隧道在施工过程中的围岩变形特征，发现先内后外的施工顺序对保证偏压小净距隧道的施工安全最有利。王海丰等［6］依托某岩溶地区的小净距双向隧道实际工程，通过现场监测和FLAC 3D数值模拟的方法对隧道围岩变形特征进行分析，发现岩溶空腔与隧道的相对位置对围岩的影响较大。闫振虎等［7］依托德阳市白竹山1号隧道实际工程，通过理论推导和有限元数值模拟方法，对不同净距下隧道围岩的受力变形特征进行分析，确定了小净距[JP+1]隧道的合理净距。王玮、李庆洲、胡展等［8-10］分别依托不同的小净距隧道工程，利用数值模拟方法，研究了开挖工法、覆土厚度和施工顺序等因素对隧道围岩稳定性的影响。

本文依托广西某高速公路大断面小净距隧道工程，通过FLAC 3D软件对其进行数值模拟，分析掌子面距离和围岩弹性模量对复杂地层下小净距隧道开挖稳定性的影响，以期为实际工程提供参考。

1 工程背景与数值建模

本文以某高速公路大断面小净距隧道工程为例，利用FLAC 3D软件对其进行数值模拟，对小净距隧道围岩稳定性及影响因素进行研究。隧址区地貌主要为低山丘陵，地势起伏较大，隧道最大埋深为50 m，地层自上向下分别为素填土、强风化片麻岩和中风化片麻岩，其中隧道穿过的地层主要为强风化片麻岩，隧道围岩等级为Ⅴ级，地下水较为发育。左右隧道采取相同的设计断面，断面形状为马蹄形，宽度w为15.0 m，高度h为10.0 m，左右隧道之间的净距d为10.0 m。数值模型依据隧道实际断面进行建立，为尽可能消除因边界效应导致的计算误差，选取模型尺寸为100 m×64 m×100 m（长×宽×高），建立数值模型如下页图1所示。

在模拟隧道开挖的计算过程中，先对左侧隧道进行开挖，完成一个开挖步后再左右同时开挖，每次开挖的循环进尺为3 m。选取监测断面为沿隧道开挖方向的中轴平面，即Y=32 m平面。模型边界条件为：模型上边界为自由边界，模型下边界施加水平和竖直方向的约束；模型侧面施加垂直侧面的约束。围岩的本构模型采用摩尔-库仑模型，围岩等级为Ⅴ级，在隧道开挖过程中只考虑初期支护，其中初期支护的本构模型采用线弹性模型，弹性模量为40.0 GPa，泊松比为0.21，等效厚度为0.3 m。如下页表1所示。

2 掌子面距离对围岩变形的影响

大量研究表明，在小净距隧道工程中，两隧道掌子面错开的距离对围岩稳定性有重要影响，因此本文利用控制变量法对掌子面距离对围岩稳定性的影响进行定量研究，控制隧道埋深、隧道净距等参数不变，设计掌子面距离分别为0 m、3 m、6 m、9 m、12 m五个计算工况，分别进行数值计算，研究掌子面距离对地表沉降和隧道变形的影响。

2.1 地表沉降规律

根据数值计算结果，提取监测断面（Y=32 m）的地表平面的沉降值进行分析，得到不同掌子面距离下的地表沉降曲线如图2所示，掌子面距离与地表最大沉降关系曲线如图3所示。

由图2和图3可知，地表沉降曲线沿X方向沉降曲线大致呈现左右不对称的“W”形，即隧道拱顶位置对应的地表沉降值远大于周围区域的土体变形，沉降值随着距两隧道拱顶位置的距离增大而不断减小，先行洞（左洞）由于受到后行洞（右洞）的影响，其沉降变形明显大于右洞。随着两隧道掌子面距离的逐渐增大，整个区域的沉降值出现显著减小，且沉降值减小的速率逐渐增大，两隧道掌子面距离为0 m、3 m、6 m、9 m和12 m时，左隧道的地表最大沉降值分别为19.09 mm、18.52 mm、16.95 mm、15.31 mm、10.59 mm，与两隧道掌子面距离为0 m的工况相比沉降值减小的比例分别为0、2.99%、11.21%、19.80%、44.53%，右隧道的最大沉降值分别为16.05 mm、15.34 mm、14.34 mm、12.62 mm、8.05 mm，与两隧道掌子面距离为0 m的工况相比沉降值减小的比例分别为0、4.42%、10.65%、21.37%、49.84%。隧道中夹岩中心线的地表沉降值是研究区域内地表沉降最小的位置，两隧道掌子面距离为0 m、3 m、6 m、9 m和12 m时，中夹岩中心线的地表沉降值分别为2.82 mm、2.61 mm、2.46 mm、2.39 mm、2.04 mm，与两隧道掌子面距离为0 m的工况相比沉降值减小的比例分别为0、7.45%、12.77%、15.25%、27.66%。两隧道掌子面距离对两隧道拱顶位置的地表沉降值影响较为显著，对中夹岩中心线的地表沉降值也有一定的影响。同时还可发现，随着两隧道掌子面距离的逐渐增大，左右隧道之间最大沉降值的差值逐渐减小，即沉降曲线由左右不对称的“W”形逐渐向左右对称的“W”形过渡，说明随着两隧道掌子面距离的逐渐增大，围岩的稳定性逐渐增大，且两隧道之间的相互影响逐渐减弱。

2.2 隧道变形规律

根据数值计算结果，得到不同掌子面距离下的监测断面（Y=32 m）左洞拱顶的沉降曲线和隧道水平方向的收敛变形随左洞掌子面位置的变化曲线如图4所示。

由图4可知，不同掌子面距离下隧道的变形存在显著差异。不同掌子面距离下左洞拱顶变形曲线均呈现“Z”字形，即在掌子面向前推进的过程中，掌子面未达到监测断面时，监测断面中左洞拱顶变形均几乎为0 mm，水平收敛在≤1 mm的范围内变化；当掌子面即将到达监测断面时（Y=30 m），监测断面中左洞拱顶变形和水平收敛变形均出现小幅度的增大；当掌子面到达监测断面时（Y=32 m），监测断面中左洞拱顶变形和水平收敛变形均出现大幅增大；当掌子面超过监测断面后，监测断面中左洞拱顶变形和水平收敛变形均持续增大；当掌子面到达Y=44 m断面时，监测断面中左洞水平收敛变形开始保持不变；直至掌子面到达Y=46 m断面时，监测断面中左洞拱顶变形开始保持不变，并有一定幅度的减小。随着掌子面距离的逐渐增大，左洞拱顶变形和水平收敛变形均逐渐减小，当掌子面到达监测断面时，两隧道掌子面距离分别为0 m、3 m、6 m、9 m和12 m的工况下，左洞拱顶变形分别为26.68 mm、25.58 mm、21.99 mm、14.68 mm、8.34 mm，与两隧道掌子面距离为0 m的工况相比拱顶变形减小的比例分别为0、4.12%、17.58%、44.98%、68.74%，左洞的水平收敛变形分别为12.25 mm、11.27 mm、10.28 mm、8.52 mm、6.82 mm，与两隧道掌子面距离为0 m的工况相比水平收敛变形减小的比例分别为0、8.00%、16.08%、30.45%、44.33%。当掌子面超过监测断面时，两隧道掌子面距离分别为0 m、3 m、6 m、9 m和12 m的工况下，左洞拱顶最大变形分别为37.41 mm、33.14 mm、29.69 mm、22.79 mm、16.03 mm，与两隧道掌子面距离为0 m的工况相比拱顶变形减小的比例分别为0、11.41%、20.64%、39.08%、57.15%，左洞的水平收敛最大变形分别为11.98 mm、11.00 mm、10.07 mm、8.31 mm、6.13 mm，与两隧道掌子面距离为0 m的工况相比水平收敛变形减小的比例分别为0、8.18%、15.94%、30.63%、48.83%。综上可知，两隧道掌子面距离越大，隧道开挖过程中产生的变形越小，隧道越稳定。

3 弹性模量对围岩变形的影响

隧道围岩的力学性质在很大程度上影响隧道围岩的稳定性，该隧道工程中，Ⅴ级围岩所占比例最大，约为65.3%，Ⅳ级和Ⅲ级围岩各占20.6%和14.1%，因此研究围岩的力学特性对隧道稳定性的影响具有重要意义。本文考虑不同级别围岩的力学参数，利用控制变量法对围岩弹性模量对隧道稳定性的影响进行定量研究，设计围岩弹性模量分别为0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa 5个计算工况，分别进行数值计算，研究围岩弹性模量对地表沉降和隧道变形的影响。

3.1 地表沉降规律

由前文可知，隧道左洞的变形大于右洞，因此本节以隧道左洞的沉降数据为例进行分析。根据数值计算结果，提取监测断面（Y=32 m）的地表平面的沉降数据，得到不同围岩弹性模量下的地表沉降曲线如图5所示，围岩弹性模量与地表最大沉降关系曲线如图6所示。

由图5和图6可知，隧道左洞附近的地表沉降曲线大致呈“凹槽”形，即在隧道拱顶位置对应的位置地表沉降最大，随着距隧道轴线距离的增加，地表沉降值迅速减小。随着围岩弹性模量的增大，隧道地表沉降呈减小的趋势。围岩弹性模量为0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa时，左隧道的地表最大沉降值分别为34.19 mm、14.52 mm、12.10 mm、10.81 mm、9.84 mm，与围岩弹性模量为0.2 GPa的工况相比，沉降值减小的比例分别为0、57.53%、64.61%、68.38%、71.22%；当围岩弹性模量由0.2 GPa增大到0.5 GPa时，左隧道的地表最大沉降值的下降幅度最大；当围岩弹性模量超过1.0 GPa后，随着围岩弹性模量增大，隧道的地表最大沉降值基本保持稳定。同时还发现，当围岩弹性模量为0.2 GPa时，左隧道的地表最大沉降值达到了34.19 mm，超过了规范要求的限值。通过拟合曲线可知，当围岩弹性模量＜0.233 GPa时，左隧道的地表最大沉降值超过30 mm的限值，因此应对弹性模量＜0.233 GPa的围岩进行加固处理。

3.2 隧道变形规律

根据数值计算结果，得到不同围岩弹性模量下的监测断面（Y=32 m）左洞拱顶的沉降曲线和隧道水平方向的收敛变形随左洞掌子面位置的变化曲线如图7所示。

由图7可知，不同围岩弹性模量下左洞拱顶变形曲线均呈现“Z”字形，变化规律与前文的描述一致。随着围岩弹性模量的逐渐增大，左洞拱顶变形和水平收敛变形均逐渐减小，当掌子面到达监测断面时，围岩弹性模量为0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa的工况下，左洞拱顶变形分别为42.34 mm、24.24 mm、5.96 mm、5.27 mm、4.58 mm，与围岩弹性模量为0.2 GPa的工况相比，拱顶变形减小的比例分别为0、42.75%、85.92%、87.55%、89.18%，左洞的水平收敛变形分别为13.30 mm、10.23 mm、7.84 mm、6.36 mm、3.54 mm，与围岩弹性模量为0.2 GPa的工况相比，水平收敛变形减小的比例分别为0、23.08%、41.05%、52.18%、73.38%。当掌子面超过监测断面时，围岩弹性模量为0.2 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、2.0 GPa的工况下，左洞拱顶最大变形分别为49.62 mm、32.03 mm、12.55 mm、11.52 mm、10.31 mm，与围岩弹性模量为0.2 GPa的工况相比，拱顶变形减小的比例分别为0、35.45%、74.71%、76.78%、79.22%，左洞的水平收敛最大变形分别为13.67 mm、10.81 mm、8.74 mm、7.26 mm、4.56 mm，与围岩弹性模量为0.2 GPa的工况相比，水平收敛变形减小的比例分别为0、20.92%、36.06%、46.89%、66.64%。综上可知，围岩弹性模量越大，隧道开挖过程中产生的变形越小，隧道越稳定，围岩弹性模量在0.2～2 GPa变化时，随着围岩弹性模量的增大，隧道水平收敛变形逐渐减小，隧道拱顶变形先快速减小；当围岩弹性模量超过1.0 GPa后，隧道拱顶变形逐渐保持稳定，在修建隧道的过程中，可考虑对弹性模量＜1.0 GPa的围岩进行注浆加固处理。

4 结语

（1）小净距隧道的地表沉降曲线沿X方向沉降曲线大致呈现左右不对称的“W”形，沉降值随着距两隧道拱顶位置的距离增大而不断减小，先行洞（左洞）由于受到后行洞（右洞）的影响，其沉降变形明显大于右洞。

（2）随着掌子面距离的逐渐增大，整个区域的沉降值出现显著减小，左右隧道之间最大沉降值的差值逐渐减小，说明两隧道之间的相互影响逐渐减弱，隧道拱顶变形和水平收敛变形均逐渐减小，因此两隧道掌子面距离越大，隧道开挖过程中产生的变形越小，隧道越稳定。

（3）随着围岩弹性模量的增大，地表沉降、隧道拱顶变形和水平收敛变形均呈减小的趋势，当围岩弹性模量＞1.0 GPa后，随着围岩弹性模量增大，隧道的地表最大沉降值和隧道拱顶变形基本保持稳定。当围岩弹性模量＜0.233 GPa时，隧道地表最大沉降值超过30 mm的限值，应对该类围岩进行加固处理。

参考文献

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［10］胡 展.不同施工顺序下小净距隧道稳定性分析［J］.科学技术创新，2021（20）：100-101.

收稿日期：2024-03-25

作者简介：支 锋（1979—），工程师，主要从事公路工程监理工作。