刘德兵 王振兴 王付华 宋战平 陈兴周

（1.中铁二十局集团第六工程有限公司 陕西西安 710016；2.西安建筑科技大学土木工程学院 陕西西安 710055；3.中国路桥工程有限责任公司 北京 100011；4.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室／西安建筑科技大学 陕西西安 710055；5.西安科技大学土木工程学院 陕西西安 710054）

1 引言

我国西南地区许多隧道洞口段存在浅埋、偏压、地质条件差等工程问题［1－4］。然而隧道洞口段施工步骤繁杂以及在浅埋、偏压的影响下，导致洞口段围岩、支护结构［5］和边坡稳定性差［6－8］，并且洞口段围岩压力［9－10］和变形特性受施工开挖方法的影响较大，当前许多隧道洞口段开挖采用CRD法和CD法。但对于采用全断面施工方法进行围岩变形与支护结构受力影响的研究较少；同时有关并行隧道的研究虽然较多，但对于一种受地形地貌和既有建筑物影响而形成的双洞隧道以错开一段距离同时开挖的研究尚属空白。因此，研究错距双洞隧道洞口段同时采用全断面开挖法施工时，支护结构和边、仰坡变形及受力特性，对确保隧道经济、合理建设具有很大的研究价值和现实意义。

本文以宜毕高速公路范阁梁1号隧道进口段工程项目为依托，以确保隧道施工时边、仰坡以及隧道支护结构稳定性为出发点，采用Midas GTS NX建立数值模型，分析隧道施工时边、仰坡以及支护结构的变形及受力特性，并结合现场监测数据进行对比分析，进一步研究该方案的合理性，从而指导工程施工，并为类似隧道建设提供参考依据和解决思路［11－12］。

2 工程概况

范阁梁1＃隧道进口段位于昭通市威信县罗坭村，隧道处于山体斜坡地带。施工时为了降低两条隧道洞口处边、仰坡的高度，设计成一种前后错距的双洞隧道，右线隧道长2 725 m，左线隧道长2 741 m，两条隧道前后错距16 m，左右相距12 m。

根据隧道工程地质条件、围岩特征，隧道采用全断面法同时进行开挖，然而由于1＃隧道存在16 m的错距段导致两隧道之间夹有的岩柱缺失，且该段隧道在偏压作用影响下稳定性较差。

3 隧道施工数值分析

3.1 数值模型构建

研究区域右线隧道里程为K44＋540～K44＋604的区间，左线隧道里程为K44＋556～K44＋604。建模确定左线隧道距离左侧边界39 m，右线隧道距离右侧边界49 m，隧道距离底部边界25 m。模型只考虑在自重条件下隧道开挖对围岩及边、仰坡的影响，模型四周及底面边界分别设置水平约束和竖向约束。在数值分析中，Y轴负方向为隧道开挖支护方向，Z轴负方向为边、仰坡开挖支护方向。三维数值计算模型如图1所示。

3.2 屈服准则及计算参数

本文选择简单实用且参数容易获得的Mohr-Coulomb屈服准则作为岩土体本构模型。

采用等效弹性模量对初期支护钢拱架、钢筋网格和喷射混凝土进行计算，具体公式描述如下：

式中：E为等效后初支弹性模量；E0为喷射混凝土弹性模量；Eg为钢筋弹性模量；Sg为钢筋横截面面积；S0为混凝土横截面面积。具体材料支护参数如表1所示。

表1 隧道支护参数

3.3 数值分析方案

（1）根据设计及现场情况确定两条隧道的洞口及边、仰坡位置，然后对洞口处土层自上而下进行第一层边、仰坡开挖，开挖完成后及时进行喷射混凝土支护，按此顺序直至开挖支护到第三层边、仰坡。

（2）在两隧道将要开挖的隧道正洞洞口处山体外侧进行长6 m、厚0.9 m的支护。

（3）破除两条隧道正洞方向洞口处仰坡混凝土支护，并以2 m进尺进行全断面开挖及支护。

4 计算结果及分析

4.1 位移特征分析

选取右线隧道K44＋560和左线隧道K44＋586作为特征断面进行分析。

（1）边、仰坡位移分析

隧道开挖完成前后边、仰坡竖向位移云图如图2和图3所示。

由图2可知，隧道开挖之前，边、仰坡竖向位移主要表现为边、仰坡土体向上隆起，且边、仰坡沉降范围主要为距离地表较近的第一层土体处，而在土体受下滑力及自身重力的耦合影响下，越靠近即将开挖的右线隧道右侧下方的边、仰坡土体隆起越明显，最大值达到0.388 cm。

由图3可知，隧道开挖完成后，在土体下滑力及自身重力的耦合影响下，土体隆起最大值为0.024 cm，且隆起最大范围主要集中在最下层的边、仰坡；最大竖向位移沉降值为－0.215 cm，沉降主要表现在距离地表较近的第一层土体上，且较隧道开挖前的沉降范围有所集中。

（2）拱顶沉降位移分析

图4为隧道拱顶沉降曲线。由图4可知，右线隧道拱顶竖向位移经历了变形缓慢增长、变形急剧增加和变形逐渐趋于稳定三个阶段；而左线隧道拱顶竖向位移只有变形急剧增加和变形逐渐趋于稳定两个阶段。当隧道开挖至第23施工步时，即右线隧道开挖至34 m时，其拱顶沉降已达到最终沉降的95.5%，此后沉降量增长趋势逐渐放缓；而在第23～第40施工步之间，左线隧道沉降量大于右线隧道沉降量。

总体而言，错距双洞隧道以全断面法同时开挖，拱顶沉降变形主要分为变形缓慢增加、变形急剧增加、变形趋于稳定3阶段。

4.2 受力特征分析

（1）边、仰坡受力分析

隧道开挖完成前后边、仰坡最大剪应力云图如图5和图6所示。

由图5可知，在隧道开挖前仰、边坡最大剪应力出现在靠近两隧道洞口下面的支护结构上，且在各级坡面上从下向上最大剪应力逐渐减小。

由图6可知，由于隧道开挖卸荷，从而使得仰、边坡的最大剪应力逐渐减小，此时最大剪应力发生在右线隧道错开段16 m距离的隧道内部，而且在隧道开挖后边、仰坡受到的剪应力整体上大于隧道开挖之前边、仰坡的最大剪应力值。

（2）支护结构受力分析

图7为右线隧道K44＋560和左线隧道K44＋586特征断面支护结构受力云图。

由图7可知，左线隧道初支正弯矩最大值为108.260 kN·m，负弯矩最大值为－120.828 kN·m，且右线隧道和左线隧道二衬拱脚处分别出现了正负弯矩的最大值。这就表明，后开挖完成的右线隧道对先开挖完成的左线隧道支护结构受力产生一定的影响，即对两条隧道之间的岩柱产生影响。

5 现场监测数据分析

为了能更好地了解错距双洞隧道在全断面法施工过程中的变形特点，现场对洞口段左线隧道K44＋604和右线隧道K44＋561断面进行隧道拱顶沉降监测，数据对比如见图8所示。

将拱顶沉降现场监测结果与数值模拟的结果进行对比，可知右线隧道在开挖后的5～20 d内隧道拱顶沉降较大，而左线隧道在开挖后的10～20 d内隧道拱顶沉降较大。总体而言，监测数据与模拟分析结果有相同的变形规律，且在快速变形阶段以后，拱顶沉降最终趋于稳定。数值模拟结果比现场监测值小，其原因可能是数值模拟对围岩进行了简化，没有考虑围岩中节理、裂隙等因素影响。

6 结论

针对宜毕高速公路项目范阁梁1＃隧道进口段的施工稳定性问题，研究了错距双洞隧道采用全断面开挖时的施工稳定性，研究结论如下：

（1）错距双洞隧道洞口段采用全断面法对两条隧道同时开挖施工方法安全、可行，可满足该隧道洞口段在浅埋偏压影响下施工安全。

（2）范阁梁1＃错距双洞隧道错开段部分的边、仰坡以及隧道支护结构的施工稳定性较差。

（3）对范阁梁1＃错距双洞隧道采用全断面法同时开挖，两条隧道拱顶沉降和水平收敛变形总体上可分为变形缓慢增加、变形急剧增加、变形趋于稳定3个阶段。

（4）跟踪现场施工进行的隧道变形和地表沉降监测值与数值模拟所反映的规律基本一致，说明数值模拟准确可靠。