段軍朝，石九州，王斐，李柯

(1 華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430064；2 中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路建設(shè)的規(guī)模、數(shù)量和速度也得到了前所未有的發(fā)展,截至2018年末，我國公路總里程484.65萬km，比2017年增加7.31萬km，其中公路隧道共計17 738處、總長1 723.61萬m，較2017年增加1 509處、195.10 萬m[1]。由于隧道一般所處的圍巖環(huán)境比較復(fù)雜，特別對于地形復(fù)雜和地質(zhì)條件下，線路布設(shè)困難且分離式隧道難以滿足左右洞徑要求等因素，所以采用雙聯(lián)拱隧道成為首選方案，在進(jìn)行隧道工程中雙聯(lián)拱隧道得到了越來越多的運(yùn)用[2]。聯(lián)拱隧道明顯具有節(jié)約土地、節(jié)省投資、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其高跨比很小、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、設(shè)計要求高，而對施工工藝方法要求嚴(yán)格[3-4]。

GHABOUSSI J 等[5]對小凈距隧道中間巖柱體的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明中間巖柱體的應(yīng)力集中且受力復(fù)雜，提出加強(qiáng)巖柱體設(shè)計強(qiáng)度建議；李小龍[6]對軟弱地層下雙聯(lián)拱隧道的研究表明，隨著左右隧道間的相互作用與二者間的間距成正相關(guān)；夏永旭等[7]對Ⅱ類圍巖雙聯(lián)拱隧道不同施工環(huán)節(jié)圍巖壓力釋放率進(jìn)行研究，結(jié)果表明初期支護(hù)特別是錨桿對地應(yīng)力的瞬間釋放率比較敏感，中隔墻對地應(yīng)力的瞬間釋放率敏感程度較??；李俊[8]通過建立二維有限元模型對聯(lián)拱隧道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出一些關(guān)于曲中墻與直中墻聯(lián)拱隧道的不同施工方法和聯(lián)拱隧道監(jiān)控量測方面的建議，對聯(lián)拱隧道的設(shè)計與施工有一定指導(dǎo)意義；楊果林等[9]對復(fù)合式曲中墻墻身應(yīng)力及墻底壓力發(fā)展與分布規(guī)律的研究結(jié)果表明，中墻荷載主要由主洞上臺階的開挖產(chǎn)生，中墻最不穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)在主洞的非對稱開挖階段，且強(qiáng)度不是中墻設(shè)計的控制因素；葛雨晨[10]采用Midas/GTS軟件對白濤隧道群的具體特點(diǎn)進(jìn)行施工數(shù)值模擬分析，確定隧道施工關(guān)鍵工藝參數(shù)，依據(jù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)確定二襯合理支護(hù)時機(jī)；牛牟[11]采用ANSYS有限元分析軟件對連拱隧道不同施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬，并對現(xiàn)場實測監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明有限元數(shù)值模擬結(jié)果較實測結(jié)果偏小，呈現(xiàn)的規(guī)律和趨勢可為施工提供依據(jù)。

雖然國內(nèi)外對聯(lián)拱隧道均有研究，但是對于淺埋大跨度雙聯(lián)拱隧道的近距施工引發(fā)的圍巖變形規(guī)律研究較少，因此，本文采用ABAQUS軟件建立大跨度雙聯(lián)拱隧道模型，分析施工過程中隧道的變形和應(yīng)力變化規(guī)律，從而為大跨度雙聯(lián)拱隧道的設(shè)計、施工、支護(hù)提供參考。

1 工程實例

1.1 隧道工程概況

廣東惠州市某隧道起止里程為K8+160～K8+480 m，隧道長約320 m；隧道穿過丘陵山脊，隧道軸線方位約62°；西洞口自然斜坡較穩(wěn)定，植被發(fā)育；東洞口堆積采石場排棄的大量填土，極不穩(wěn)定。隧道地處剝蝕丘陵地貌區(qū)，標(biāo)高76.33～136.49 m，相對高差60.16 m；西洞口地形坡角一般在15°～30°，東洞口坡角在30°～45°；巖層產(chǎn)狀3 500∠750，線路所經(jīng)地區(qū)位于區(qū)域構(gòu)造華南準(zhǔn)地臺東南沿海斷褶帶的博羅—紫金北東向構(gòu)造帶西段，構(gòu)造復(fù)雜，隧道圍巖殘坡積粉質(zhì)粘土層、全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，圍巖級別定為Ⅴ級；強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖屬于較軟巖，巖體破碎，巖石風(fēng)化程度強(qiáng)烈，裂隙極為發(fā)育，巖石破碎，穩(wěn)定性較差，圍巖級別定為Ⅳ級。

1.2 隧道施工工序

聯(lián)拱隧道凈寬分別為16.55、14.35 m，凈高分別為10.27、9.61 m，隧道洞口段位于淺埋地段，越往隧道中部埋深越大。隧道均采用“三導(dǎo)坑法”施工，即中導(dǎo)坑及中墻超前，先采用側(cè)導(dǎo)坑+臺階法(環(huán)向臺階法)施工一側(cè)隧道，當(dāng)一側(cè)隧道的二襯施工完成并超前30 m左右后，再開挖支護(hù)另一側(cè)隧道，隧道開挖順序如圖1。

1—中導(dǎo)洞超前導(dǎo)管注漿支護(hù)；2—中導(dǎo)洞開挖；3—中導(dǎo)洞襯砌支護(hù)；4—中隔墻施工；5—左右導(dǎo)洞超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)；6—左右導(dǎo)洞開挖；7—左右導(dǎo)洞初期支護(hù)；8—左右洞超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)；9—左右洞留核心土開挖；10—左右洞拱中間部位初期支護(hù)；11—左右洞拱兩邊部位初期支護(hù)；12—左右洞核心土開挖；13—左右洞下部開挖；14—左右洞仰拱初期支護(hù)；15—澆筑左右洞仰拱襯砌；16—澆筑左右洞二次襯砌圖1 雙聯(lián)拱隧道開挖施工順序

雙聯(lián)拱隧道開挖順序為圖1中1～16，超前支護(hù)采用Φ42超前小導(dǎo)管，L為3.5 m，環(huán)向間距0.35 m，初期支護(hù)采用采用噴射混凝土及錨桿共同支護(hù)，錨桿布置從隧道兩側(cè)拱腳至拱頂對稱布置，錨桿長度為3.5 m，設(shè)計仰角為15°[12-14]。

2 數(shù)值模型

本文研究以典型的大跨度雙聯(lián)拱隧道為例，選用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模計算，采用二維平面應(yīng)變模型對本工程典型斷面進(jìn)行模擬分析。隧道埋深約18 m，隧道圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化巖石英砂巖，有限元模型的計算范圍為：上部取自然平面，下部取至隧道以下70 m，左右各取60 m;選取斷面的邊界條件為：兩側(cè)施加水平方向約束，底部施加垂直方向約束，地面自由。為了簡化小導(dǎo)管注漿加固，模擬時將小導(dǎo)管注漿加固的圍巖看做一個加固層，加固層的厚度S由下面公式進(jìn)行簡化，

S=l×tanΦ[15]，

(1)

其中，錨桿長度，l/m；錨桿傾角，Φ/°。

通過計算得到該加固區(qū)厚度為0.9 m。圍巖加固的模擬方法通常是采用提高該巖體加固環(huán)形的粘聚力和摩擦角，圍巖開挖應(yīng)力釋放采用在模擬隧道開挖過程中，而且圍巖壓力釋放是一個連續(xù)的過程，因此，巖體應(yīng)力釋放的方式采用開挖瞬間釋放40%，同時隧道的各開挖步驟以及左右線隧道開挖具有時間間隔，并且分步設(shè)置相應(yīng)的施工時間及各工序的間隔時間，從而分析隧道進(jìn)尺對隧道變形的影響。

選用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則模擬巖石材料，錨桿采用線單元模擬，材料各參數(shù)見表1，單元網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變積分單元CPE4R，錨桿網(wǎng)格劃分方式采用B21(兩結(jié)點(diǎn)平面線性梁單元)。單元劃分如圖2所示。

表1 模型各材料參數(shù)

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

由于隧道在開挖之前長期受到重力作用處于平衡狀態(tài)，進(jìn)行隧道開挖必然使得圍巖應(yīng)力得到釋放，從而引起隧道變形，直至達(dá)到新的平衡。在進(jìn)行模擬隧道開挖前，首先進(jìn)行地層的地應(yīng)力平衡計算，先計算出模型僅在自重荷載作用下的圍巖應(yīng)力，并提取圍巖應(yīng)力(S11、S22、S33、S12、S13、S23)導(dǎo)入模型，作為初始應(yīng)力，再按照施工工序進(jìn)行隧道開挖。

3.1 位移場分析

由圖3可知：隧道中導(dǎo)洞開挖及中導(dǎo)墻施工完畢，隧道變形主要是底部發(fā)生隆起變形，變形為1.5 mm；隨著左線側(cè)墻開挖完成，隧道最大位移發(fā)生在隧道拱腳處，土體隆起為3.3 mm；當(dāng)隧道上臺階開挖后，隧道位移增大，拱頂向下發(fā)生沉降，變形為13 mm，同時隧道底部土體因應(yīng)力釋放而向上隆起，隧道核心土及下臺階開挖對隧道頂部的位移影響較小，但是底部土體隆起位移增大為7.9 mm；左線隧道開挖結(jié)束后圍巖變形在隧道上方呈現(xiàn)“V”形。同理，左右線的凈距較小，隨著右線隧道開挖，圍巖位移變化范圍向右增大，同時由于左線隧道截面大于右線隧道截面，因此在右線隧道開挖后并未呈現(xiàn)為“W”形，且右線圍巖變形小于左線變形，在中導(dǎo)墻上部發(fā)生了位移疊加現(xiàn)象；最終隧道開挖穩(wěn)定時的最大位移在左線隧道頂部，約為12 mm。

圖3 不同步序開挖圍巖變形云圖

為了進(jìn)一步揭示隧道開挖的土層變形特性，選取地表水平為路徑，提取豎向位移數(shù)據(jù)繪制圖形，如圖4所示。

圖4 地表沉降變化曲線

由圖4可知：地沉降隨著開挖進(jìn)行而增加，中導(dǎo)洞開挖完成后地表變形非常小；左線開挖完成后地表變形明顯，左線隧道上方地表最大沉降為6.3 mm；左線開挖時，沉降區(qū)域主要發(fā)生在左線隧道兩側(cè)25 m范圍內(nèi)，并且隧道上方土體沉降沿左線中線對稱分布。隨著隧道右線開挖完成，土體沉降區(qū)域增大，同時由于左右線隧道斷面形式不同，地表沉降不沿雙線中心對稱分布，右線開挖成型后地表最大沉降增至6.6 mm，右線開挖對地面的最大沉降影響較小，但對于右線上方土體的沉降影響明顯。

3.2 應(yīng)力場分析

隧道開挖將引起圍巖應(yīng)力重新分布，同時圍巖應(yīng)力也是評價施工方法優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)[16]。圖5為隧道開挖圍巖豎向應(yīng)力云圖，從圖5可以看出：中導(dǎo)墻開挖施工完成后，中導(dǎo)墻底部由于土體隆起而使導(dǎo)墻底部局部受拉，中導(dǎo)墻中部由于受到上部圍巖壓力作用而受壓；隨著開挖的進(jìn)行，隧道圍巖壓力重新分布，當(dāng)左線開挖完成后，圍巖最大壓應(yīng)力為2.9 MPa，發(fā)生在左線中導(dǎo)墻腰部，同時仰拱和拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，為0.24 MPa；最終直到右線開挖完成，隧道的壓應(yīng)力主要還是發(fā)生在中導(dǎo)墻，壓應(yīng)力增大至3.5 MPa，隧道的仰拱和拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力增大至2.5 MPa。這表明中導(dǎo)墻在整個隧道開挖階段不僅承受著隧道頂部傳來的荷載，還要受到各種方向施工荷載的反復(fù)作用，因此，應(yīng)在施工中對中導(dǎo)墻加強(qiáng)監(jiān)測。

圖5 不同步序開挖圍巖豎向應(yīng)力云圖

3.3 塑性區(qū)域分析

隨著隧道開挖的進(jìn)行，圍巖塑性區(qū)域的大小分布如圖6所示。從圖6可知：隧道中導(dǎo)墻開挖完成后，整個隧道并未出現(xiàn)塑性區(qū)域。當(dāng)左線隧道開挖完成后，塑性區(qū)域主要發(fā)生左線隧道左側(cè)范圍內(nèi)，并且在拱腰位置塑性變形最大為0.48 mm；同時在中導(dǎo)墻左上方和左下方也出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)域。當(dāng)右線開挖完成后，左線隧道的塑性范圍增大，右線隧道右側(cè)及中導(dǎo)墻右上方及底部出現(xiàn)塑性范圍，最后塑性變形發(fā)生在中導(dǎo)墻左上方，為0.52 mm。總體而言，左線隧道截面大于右線隧道截面，所以隧道開挖完成后塑性區(qū)域左線的范圍大于右線的范圍。

圖6 不同步序開挖圍巖塑性區(qū)域云圖

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS有限元軟件模擬大跨度雙聯(lián)拱隧道施工過程，分析了雙聯(lián)拱隧道在“三導(dǎo)洞法”開挖順序下圍巖應(yīng)變、應(yīng)力及塑性變形范圍，得到以下結(jié)論：

(1)隧道中導(dǎo)墻開挖，隧道的變形以及應(yīng)力增量均較小，地表的主要變形發(fā)生在隧道開挖寬度的3倍范圍內(nèi)。

(2)當(dāng)雙聯(lián)拱隧道雙線施工完成后，隧道地表沉降變形有了疊加，但是由于隧道的左右線斷面不同而出現(xiàn)類似偏壓條件，使得地表變形不成“W”形。

(3)隧道的塑性變形主要發(fā)生在雙線開挖過程中，塑性最大變形發(fā)生在中導(dǎo)墻頂部。

(4)根據(jù)不同開挖步驟，對應(yīng)力、應(yīng)變較大的部位進(jìn)行加密監(jiān)測，并利用反饋的數(shù)據(jù)修正和優(yōu)化施工順序，可保證施工安全、順利的進(jìn)行。