邵珠山，王孟輝

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，西安 710055)

1 研究背景

隨著國家“十三五”規(guī)劃以及“交通強(qiáng)國戰(zhàn)略”的提出[1-3]，中國處在交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化和現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系化的黃金時期，城市軌道建設(shè)在西北地區(qū)也有了長足的發(fā)展。黃土地層在西安、蘭州及其它西北地區(qū)有著廣泛的分布，其孔隙率大、側(cè)壓力系數(shù)小、垂直節(jié)理發(fā)育、濕陷性明顯，是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，當(dāng)隧道埋深較淺時，開挖以后不能形成有效的壓力拱[4]，極易造成洞身及掌子面失穩(wěn)，在此地層中進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隧道建設(shè)，難度更大，風(fēng)險性更高。市區(qū)線路規(guī)劃時由于整體布局和實際需要，地鐵的存車線區(qū)間常常設(shè)置為不對稱斷面的小凈距隧道。該類隧道由于斷面大小不對稱，左右線隧道大多采用不同的結(jié)構(gòu)形式和開挖方法，因此左右線隧道的影響范圍及分布規(guī)律與對稱隧道明顯不同，隧道中間巖柱的變形規(guī)律和受力特征尤為復(fù)雜，且存車線區(qū)間多集中在人口密集的街區(qū)。為了防止隧道開挖過程中地表下沉過大使周圍建筑和既有管線產(chǎn)生不均勻變形進(jìn)而拉裂，因此對圍巖的變形與應(yīng)力控制提出了嚴(yán)格的要求[5]。

隧道先后開挖會對圍巖造成多次擾動，掌子面之間的錯距較近時彼此擾動會相互疊加，造成沉降過大，錯距較遠(yuǎn)時又會影響工程的工期。目前很多學(xué)者針對不同的地質(zhì)條件對小凈距隧道的掌子面間距進(jìn)行研究，如楊忠民等[6]采用3DEC對Ⅴ級強(qiáng)風(fēng)化圍巖的連拱隧道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)掌子面的間距應(yīng)介于2～2.5倍的跨度；趙陽等[7]通過FLAC3D對淺埋偏壓小凈距隧道進(jìn)行研究，最終得到掌子面保持在2倍跨度時能有效地維持圍巖穩(wěn)定性的結(jié)論；覃達(dá)[8]對黃土分叉隧道開挖的應(yīng)力影響范圍進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)掌子面對前后圍巖的影響范圍為1.75～2.25倍跨度；胡志平等[9]通過ABAQUS對西安5號線連拱隧道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)連拱隧道在同步開挖時仍滿足要求；高一杰等[10]對杭州紫之隧道淺埋破碎段的開挖合理錯距進(jìn)行研究，得到的有效控制范圍為2～3倍跨度；趙亞龍等[11]利用FLAC3D重點對重慶興隆隧道中夾巖的位移和應(yīng)力在不同滯后距離下的變化作出了規(guī)律統(tǒng)計；而王春玲[12]通過FLAC3D對湖北峽口隧道在隧道錯距0、40、80 m三種工況下進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)錯距40 m時圍巖的力學(xué)行為最佳，但工況對比太少，難以規(guī)避偶然誤差；同樣何巍[13]用ANSYS對江西省九嶺隧道工程的錯距開挖進(jìn)行了研究，驗證了隧道錯距開挖的必要性，且錯距2倍跨度時可以有效地控制變形，但是同樣只選取了6、15、30 m三種方案下的錯距進(jìn)行研究，依舊有偶然性的存在。

統(tǒng)計上述結(jié)論發(fā)現(xiàn)在不同的工程地質(zhì)下，隧道掌子面的合理開挖錯距不盡相同，且斷面形式對于隧道開挖也有一定的影響。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者和技術(shù)人員針對小凈距隧道展開了大量的研究，逐步積累了較為豐富的經(jīng)驗和成果，但研究對象仍主要集中在小凈距對稱隧道結(jié)構(gòu)，而對于非對稱的小凈距隧道，相關(guān)研究并不多見。黃土地區(qū)土體松散，城市軌道相比于山嶺隧道而言控制精度更高，現(xiàn)場施工時施工單位偏于保守，掌子面錯距通常超過45 m，這使得工期過長，不利于施工調(diào)度，因此有必要對黃土地區(qū)不對稱斷面型式下小凈距隧道的掌子面間距確定一個合理的范圍[14]。

2 工程概況

西安市地鐵軌道交通工程8號線電子正街站至東儀路站區(qū)間(K1+897.916—K2+277.049，以下簡稱電東區(qū)間)隧道位于城市交通主干道丈八東路的下方，為了滿足左右側(cè)正常行車和右側(cè)斷面存車線擴(kuò)大的需要，設(shè)計右線為大斷面隧道，開挖高9.8 m，寬12.88 m，左線為小斷面隧道，開挖高6.82 m，寬6.58 m。本工程兩線為平行隧道，圖1為部分電東區(qū)間的平面圖，隧道暗挖區(qū)間較長，為了加快施工效率，在K2+145.034處設(shè)置一座礦山法區(qū)間施工豎井及橫通道，平行隧道之間的最小間距是3.82 m，分別僅為0.58D2(D2為小斷面隧道跨度)與0.30D1(D1為大斷面隧道跨度)，計劃采用大洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與小洞環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相結(jié)合的施工方案[15-17]。

圖1 線路平面圖Fig.1 Line plan

3 隧道動態(tài)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本工程為淺埋小凈距隧道，斷面型式為不對稱分布。由于現(xiàn)場土層的特殊性與復(fù)雜性，為了能使模擬結(jié)果與實際接近，便于準(zhǔn)確地分析施工引起的沉降規(guī)律，因此進(jìn)行三維動態(tài)的數(shù)值模擬。計算采用有限差分軟件FLAC3D，巖土體采用Mohr-Column本構(gòu)模型。土層物理力學(xué)性質(zhì)見表l。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of soil strata

依據(jù)圣維南原理和實際需要，選取隧道外輪廓線以外的3倍洞徑作為模型邊界，向上取至地表。隧道土體采用實體單元，超前支護(hù)與初次襯砌采用殼單元，二襯在現(xiàn)場監(jiān)測圍巖變形穩(wěn)定以后施加作為安全儲備，故暫不考慮二襯的施加。為了保證計算精度，在隧道建模時采用細(xì)密單元，共劃分51 200個單元，靠近隧道處的單元加密處理，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。模擬過程中，格柵拱架根據(jù)抗壓剛度相等的原則將彈性模量等效折算給混凝土，超前小導(dǎo)管同樣將彈性模量等效折算給圍巖，計算公式為：

(1)

(2)

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

式中：Ea為折算后初次襯砌的彈性模量；Eb為折算后圍巖加固的彈性模量；E0為初次襯砌噴射混凝土的彈性模量；Eg為鋼格柵彈性模量；E1為小導(dǎo)管內(nèi)注漿的彈性模量；E2為小導(dǎo)管彈性模量；Sg為鋼格柵截面積；Sc為初期支護(hù)截面積；I1為注漿的慣性矩；I2為小導(dǎo)管慣性矩。數(shù)值模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of supporting structure

3.2 施工方案動態(tài)模擬

本工程計劃采用大洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與小洞環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相結(jié)合的施工方案，通過對隧道中的實體單元施加null材料來模擬開挖，并允許應(yīng)力重分布，先開挖隧道3 m，創(chuàng)建殼結(jié)構(gòu)單元并附到隧道表面上以模擬噴射混凝土，下一段再開挖3 m，再一次允許應(yīng)力重分布，重復(fù)過程直至隧道開挖完成。結(jié)合實際施工情況，施工步驟動態(tài)模擬如下。

(1)右線大斷面隧道的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法：①左上臺階與右上臺階依次施作超前小導(dǎo)管、開挖土體以及襯砌、中隔壁、臨時仰拱；②左下臺階、右下臺階依次進(jìn)行開挖土體以及襯砌、中隔壁的施作；③中上臺階依次進(jìn)行開挖土體及襯砌、臨時仰拱的施作；④中下臺階依次進(jìn)行開挖土體和襯砌的施作。由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在施工過程中各工序緊密跟進(jìn)，是一個連續(xù)的過程，不同于計算步，以3 m為一個開挖步長，算作一個開挖步，由于隧道區(qū)間模型取60 m，右線隧道臺階長12 m，因此右線隧道的施工沿縱向模擬為24(72/3)步。

(2)左線小斷面隧道的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法：①上臺階依次施作超前小導(dǎo)管、開挖土體(留核心土)及襯砌；②開挖核心土，施作臨時仰拱；③下臺階依次進(jìn)行開挖土體及襯砌施作。左線隧道臺階長3 m，因此左線隧道的施工沿縱向模擬為21(63/3)步。

為進(jìn)一步研究不對稱斷面型式的隧道開挖時掌子面錯距對地表沉降變形和圍巖受力特性的影響規(guī)律，并確定施工過程中合理錯距，減小分析時的誤差，分別對左右線的掌子面錯距為0 m(同時開挖)、12、24、36、48、60 m(先貫通先行洞)6種方案進(jìn)行模擬，具體模擬方案如表3所示。

表3 模擬方案Table 3 Simulation schemes

4 計算結(jié)果及分析

在實際開挖過程中要及時對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控量測以指導(dǎo)施工，當(dāng)掌子面與監(jiān)測斷面的距離為2D1時進(jìn)行地表沉降監(jiān)測點的布置，西安地鐵8號線電東區(qū)間監(jiān)測等級為二級，監(jiān)測點布置如圖3所示。為了進(jìn)一步研究在不同方案下的圍巖變形與受力特征，選取區(qū)間K2+040—K2+100處60 m進(jìn)行研究，同時選取K2+079處為代表性斷面(距離初始開挖面21 m)進(jìn)行分析，以減少模型邊界效應(yīng)的影響，后續(xù)各分析內(nèi)容均在此斷面基礎(chǔ)上進(jìn)行展開。由于現(xiàn)場拱頂沉降與中間巖柱應(yīng)力進(jìn)行全程監(jiān)控較為困難，因此重點分析隧道監(jiān)測斷面處的地表沉降及沉降槽的形成規(guī)律[18-20]。

圖3 監(jiān)測斷面處的控制點Fig.3 Control points at monitoring sections

4.1 左右線隧道開挖順序結(jié)果分析

(1)施工前首先要研究主洞開挖順序?qū)Y(jié)果的影響，包括先貫通右線與先貫通左線2種方案，對2種方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的地表沉降曲線如圖4所示?？梢钥闯?，由于左右線隧道之間的凈距較小，開挖引起的地表沉降相互疊加，在2種方案下的地表沉降曲線均表現(xiàn)為“單峰”狀態(tài)，峰值位于土柱中軸線靠近大斷面一側(cè)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，先貫通右線隧道引起的地表沉降較小，更有利于控制隧道在施工過程中產(chǎn)生的地表變形。

圖4 不同開挖順序的地表沉降曲線Fig.4 Surface subsidence curves under different excavation sequences

(2)對2種方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬，開挖完成后2種方案下圍巖的塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖5 不同先行方案下的塑性區(qū)Fig.5 Plastic zone under different excavation sequences

由圖5可知，隧道開挖完成后大斷面隧道的塑性區(qū)主要分布在拱腰和仰拱處，小斷面隧道的塑性區(qū)主要分布在拱腰兩側(cè)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，先貫通右線大斷面隧道以后周邊塑性區(qū)的面積明顯減小，而先貫通左線小斷面隧道后兩個斷面之間的塑性區(qū)出現(xiàn)了連通的現(xiàn)象，非常不利于保持中巖柱的穩(wěn)定。

綜上所述，雖然以上2種工法數(shù)值上均可以滿足安全的要求，但是采用右線大斷面先行的開挖方案顯然更有利于控制圍巖的變形，減小塑性區(qū)的分布。所以對于本工程，建議采用先開挖右線大斷面隧道后開挖左線小斷面的施工順序。

4.2 地表沉降結(jié)果分析

電東區(qū)間位于人口較密集的區(qū)域，附近建有大量的居民住宅樓與高層建筑，住宅樓多為磚混結(jié)構(gòu)，年久失修。為了減少開挖產(chǎn)生不均勻沉降對建筑物的影響，對地表的沉降有著嚴(yán)格的要求。

4.2.1 不同方案下的地表變形曲線

圖6為在不同方案下開挖時，地表沉降監(jiān)測點10、6處的地表沉降情況?？梢钥闯?，隧道施工從開始至結(jié)束，在不同的方案下曲線的變化趨勢相同，大致經(jīng)歷了3個階段：緩慢增長、快速增長、趨于穩(wěn)定。當(dāng)掌子面錯距為12 m(D1)時，左右線的地表沉降最大，分別為8.74、12.05 mm，當(dāng)掌子面錯距為60 m(5D1)時，左右線的地表沉降分別為8.4、11.73 mm，不同方案下最終沉降相差不到0.4 mm。當(dāng)左線隧道開挖經(jīng)過監(jiān)測斷面時，沉降開始小幅度增長，比右線隧道單獨開挖時增大了20%左右，最終沉降略小于現(xiàn)場監(jiān)測曲線，結(jié)果均滿足要求，說明掌子面錯距對地表的最終沉降無明顯影響。

圖6 大、小斷面隧道地表沉降曲線Fig.6 Surface subsidence curves of tunnels of large section and small section

圖7為右線隧道開挖時地表的沉降比值(監(jiān)測斷面沉降與最終沉降的比值)曲線，可以看出在不同方案下的地表沉降規(guī)律相同，當(dāng)左右線同時開挖(錯距0 m)時地表沉降速率最大，以此方案為例進(jìn)行分析。

圖7 大斷面隧道地表沉降比值曲線Fig.7 Curves of surface subsidence ratio of tunnel with large section

當(dāng)掌子面距離前方監(jiān)測斷面15 m(施工步為2步)時，大斷面隧洞的地表沉降為0.64 mm，占總沉降的5%左右。隨后繼續(xù)開挖，地表沉降速率開始緩慢增加，當(dāng)掌子面距離監(jiān)測斷面6 m(施工步為5步)時，地表沉降為1.52 mm，也僅占10%左右，這表示對前方未開挖土體的地表沉降影響范圍約為0.5D1。隨后掌子面繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測斷面以后，地表沉降速率快速增加，由于掌子面的三維支撐作用，地表沉降存在一定的滯后性，當(dāng)下導(dǎo)洞通過監(jiān)測斷面以后，下一步的開挖使地表沉降了9%左右。當(dāng)掌子面通過監(jiān)測斷面約30 m(施工步為17步)時，地表沉降為10 mm，達(dá)到最終沉降的85%，隨后地表沉降速率逐漸減小并趨向穩(wěn)定，說明掌子面對后方已開挖土體的斷面影響范圍為(2～3)D1。

4.2.2 模擬不同方案下沉降槽曲線

圖8為不同方案下數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制出的地表沉降槽曲線，對比發(fā)現(xiàn)在不同的方案下開挖時，橫向地表的沉降曲線規(guī)律相同，最終地表沉降相差很小，模擬值與實測值在橫向距離的變形上高度擬合，隧道開挖引起的地表位移規(guī)律符合高斯分布。

圖8 不同方案下及現(xiàn)場監(jiān)測的地表沉降槽Fig.8 Surface subsidence simulated under different schemes and monitored on site

從現(xiàn)場監(jiān)測值來看，右線隧道上方的地表沉降大于左線隧道，隨著掌子面前進(jìn)，沉降槽曲線表現(xiàn)出了明顯的空間效應(yīng)。開挖距離目標(biāo)斷面約1D1時，開始出現(xiàn)沉降槽，隨著掌子面不斷向前推進(jìn)，地層損失也逐漸明顯，當(dāng)右線掌子面超過目標(biāo)斷面0.5D1時，地層損失迅速增加，當(dāng)超過目標(biāo)斷面約3D1時，地層損失的趨勢開始緩和，并逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)左線隧道開始開挖，對已開挖隧道的圍巖應(yīng)力產(chǎn)生二次擾動，進(jìn)行了應(yīng)力重新分布，沉降槽曲線的中心開始向小斷面隧道偏移，小斷面隧道中心線處的地表沉降也在掌子面通過監(jiān)測斷面以后有了明顯的增長，而在距離目標(biāo)約5D1時，地層損失開始逐漸趨于穩(wěn)定，最終中心線偏移了0.25D1。同時發(fā)現(xiàn)，距離隧道中心35 m外的地表沉降在開挖過程中變化很小，最大沉降僅1 mm左右，說明本工程連拱隧道開挖對橫向地表影響范圍在隧道中心兩側(cè)35 m范圍內(nèi)，約3倍隧道跨徑，沉降槽曲線形成的縱向影響范圍為(3～5)D1。

4.3 拱頂?shù)奈灰平Y(jié)果分析

分析隧道圍巖的變形規(guī)律與特點時，拱頂?shù)淖冃沃笜?biāo)是最直接的判斷標(biāo)準(zhǔn)。圖9為大斷面隧道在不同的開挖方案下拱頂位置處的豎向位移曲線。

圖9 大斷面隧道拱頂沉降曲線Fig.9 Subsidence curves of vault of tunnel with large section

拱頂沉降位移曲線與地表沉降曲線規(guī)律相近，從拱頂豎向位移曲線可以看出：在不同滯后距離之下，大斷面隧道拱頂?shù)淖罱K沉降都穩(wěn)定在一個定值，分別為-17.31、-17.42，-17.07、-17.01、-17.00、-17.00 mm，大小基本一致，從計算結(jié)果可以看出掌子面之間的錯距開挖對于最終沉降影響不大，左線隧道對右線大斷面隧道拱頂?shù)某两涤绊懞苄?。錯距12 m時拱頂沉降最大，這是因為錯距12 m時左線隧道與右線隧道的下導(dǎo)洞同時開挖，地應(yīng)力釋放更大，從而產(chǎn)生更大的沉降。從曲線可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，時空效應(yīng)很明顯，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測斷面以后約30 m時，拱頂沉降為15.47 mm，達(dá)到最終沉降的90%左右，之后繼續(xù)開挖，拱頂沉降速率緩慢增長并趨于穩(wěn)定，說明掌子面對后方已開挖土體的斷面影響范圍為(2～3)D1，超出范圍以后，開挖對圍巖的擾動就不再明顯。

圖10 中間土柱處的控制點布置Fig.10 Layout of control points at middle soil columns

4.4 中間土柱的水平位移差及應(yīng)力分析

中間土柱是小凈距

隧道開挖過程中的薄弱部位， 在開挖時受到先、 后行隧道的擾動比較嚴(yán)重。 圖10為中間土柱處的控制點布置， 為保證圍巖的穩(wěn)定， 筆者利用數(shù)值模擬軟件將掌子面的錯距開挖對中間土柱的影響作簡單的分析[21-22]。

4.4.1 中間土柱的水平位移差分析

由于A、B兩點深度不同，在開挖時會產(chǎn)生相對錯動，隨著掌子面錯距的增大，A、B的相對錯動會有所不同。圖11為A、B兩點在各方案下隨開挖步變化的水平位移差曲線，假設(shè)與X軸正方向一致的位移為正向位移。

圖11 中間土柱的水平位移差Fig.11 Horizontal displacement difference of middle soil column

在不同的錯距方案下沿施工步開挖，先開挖右線隧道。水平位移差的減小表明小斷面隧道的開挖對中間土柱的傾斜具有一定的恢復(fù)作用。當(dāng)錯距12 m時，開挖過程中土柱的水平位移差很小，而增大或減小掌子面的間距，中間土體的水平位移差會在開挖過程中過大，最大水平位移差接近5 mm，這對中間土柱的穩(wěn)定非常不利，因此為了保證土體的穩(wěn)定，掌子面的錯距既不能過大也不宜過小。

4.4.2 中間土柱的應(yīng)力分析

淺埋小凈距隧道開挖后，圍巖產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，不對稱斷面型式下的應(yīng)力分布更加復(fù)雜。FLAC3D可以將隧道開挖以后的重分布應(yīng)力以可視化的云圖形式展示出來，通過對比發(fā)現(xiàn)各方案最終水平應(yīng)力分布規(guī)律相同，如圖12所示，以掌子面同時開挖為例來分析隧道開挖以后的應(yīng)力分布特點。

圖12 水平應(yīng)力分布云圖Fig.12 Horizontal stress distribution

在FLAC3D中受壓為負(fù)，可以看出，圍巖以受壓為主，中間土柱處的水平應(yīng)力明顯大于隧道輪廓線以外的應(yīng)力，不利于土柱的穩(wěn)定，因此開挖過程中重點監(jiān)測該部位處的水平應(yīng)力。圖13為中間土柱AB、CD交點處在不同方案下的水平應(yīng)力變化曲線。

圖13 中間土柱在不同方案下的水平應(yīng)力曲線Fig.13 Horizontal stress curves of middle soil columns under different schemes

在不同方案下的最終水平應(yīng)力分別為-144 135、-144 101、-144 517、-144 808、-144 888、-144 866 Pa，說明不同方案對水平應(yīng)力結(jié)果影響不大，但是在掌子面錯距0、12 m時開挖過程中，中間土柱的最大水平應(yīng)力達(dá)159 079 Pa，增加了14 978 Pa，約最終應(yīng)力的10%，這對于中間土體的薄弱環(huán)節(jié)極其不利，錯距超過24 m時，開挖過程中最大水平應(yīng)力大幅度減小，因此出于對中間土體的應(yīng)力考慮，隧道掌子面的開挖錯距不宜小于2D1。

4.5 塑性區(qū)分析

當(dāng)大斷面隧道先行時，在不同方案下的塑性區(qū)分布規(guī)律基本相同，以隧道同時開挖在監(jiān)測斷面處的塑性區(qū)分布為例，如圖14所示。

圖14 塑性區(qū)分布Fig.14 Plastic zone distribution

可以發(fā)現(xiàn)，在隧道的拱腳位置處，塑性區(qū)發(fā)生剪切破壞比較嚴(yán)重,據(jù)此重點關(guān)注拱腳位置處的最大剪應(yīng)力的發(fā)展情況，圖15為左右線隧道拱腳處在不同方案下的最大剪應(yīng)力變化情況。

圖15 不同方案下的最大剪應(yīng)力曲線Fig.15 Curves of maximum shear stress under different schemes

隨著掌子面錯距的增加，右線隧道的最大剪應(yīng)力逐漸減小，對圍巖受力變形有利，左線隧道的最大剪應(yīng)力增幅較大，說明先行隧道開挖對后行隧道造成了擾動，且擾動不可忽視，當(dāng)錯距在24 m時，變化量為28.4%，增大錯距，最大剪應(yīng)力增長速度較快，說明掌子面錯距24 m左右，能使塑性區(qū)處的最大剪應(yīng)力得到有效的控制。

4.6 圍巖收斂結(jié)果分析

隧道開挖過程中，由于水平應(yīng)力的作用，凈空收斂也是圍巖變形的重要表現(xiàn)形式。表4是在不同方案下隧道開挖完成以后的收斂情況，由于隧道下臺階的水平應(yīng)力大于上臺階，因此下臺階的收斂值明顯大于上臺階的收斂值。左右線隧洞受到開挖順序的先后擾動，收斂值均大于大斷面隧道單線開挖的情況，且與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)較為接近。隨著掌子面的錯距增大，先行隧道的收斂值逐漸減小，錯距60 m時收斂值與右側(cè)單線隧道的開挖非常接近，最終不同方案下凈空收斂的差值不大于0.3 mm，說明掌子面的錯距對隧道的收斂值幾乎無影響。

表4 不同方案下上下臺階的收斂值Table 4 Convergence values of upper and lower steps under different schemes

5 結(jié) 論

非對稱小凈距隧道作為一種新穎的隧道結(jié)構(gòu)型式，在圍巖變形與受力方面表現(xiàn)出了不同于對稱隧道的特點。本文通過對工程進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬，分析了在黃土地層中掌子面錯距開挖對小凈距隧道的影響，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測情況，得到了以下的結(jié)論：

(1)不對稱斷面的隧道開挖時，先開挖大斷面隧道可以有效地控制圍巖變形，且先開挖大斷面隧道時圍巖的塑性區(qū)面積明顯減小，避免先開挖小斷面隧道時2個斷面之間的塑性區(qū)出現(xiàn)連通現(xiàn)象，有利于保持中巖柱的穩(wěn)定。

(2)大斷面隧道對前方未開挖土體的影響范圍為0.5D1，對后方已開挖土體的影響范圍為(2～3)D1，當(dāng)掌子面與監(jiān)測斷面超過5D1時，地層損失基本穩(wěn)定。

(3)在不同的方案下，圍巖的變形及應(yīng)力的最終結(jié)果相差不大，均滿足規(guī)范要求，說明最終結(jié)果基本不受掌子面錯距影響，但是錯距過小時，變形速率較大不利于圍巖穩(wěn)定，掌子面的錯距超過3D1時，隧道的水平位移差與最大剪應(yīng)力過大，也不利于圍巖穩(wěn)定。

(4)綜合考慮圍巖變形大小和變形速率，在保證安全的情況下施工掌子面錯距可以縮減至2～3倍大斷面隧道的跨度，即30 m左右為宜，此研究可為以后的類似工程提供一定的借鑒。