霍 强
(中铁十一局集团第四工程有限公司，武汉 430062)
随着我国经济的飞速发展，现有隧道工程并不能完全满足出行、运输等需求，需要在现有地下工程附近修建新隧道。因新建隧道的开挖施工对已建地下工程围岩有不同程度的扰动，为避免对已有工程的稳定性造成不必要的损害，施工工法的选取也是一重大难题。尤其在山区，因受复杂的地质、地形条件的限制，大大提高了工程难度。因此，如何基于现场情况给出合理开挖工法以及支护措施则显得尤为重要。王志刚[1]通过正交实验法和FLAC3D数值模拟软件，模拟不同的开挖顺序、施工工法等因素对小间距洞群的影响进行研究，并给出合理的施工方案；
段军朝等[2]运用ABAQUS软件对双联拱隧道进行模拟，研究了隧道应力、应变和塑性变形区域分布，证明了加密拱顶、中导墙处的监控量测和初支加固是双联拱隧道的重点工作；
陈先国等[3]利用ANSYS程序分析了近接平行隧道施工中地表与拱顶的下沉规律；
胡庆安等[4]利用ANSYS软件分析了双连拱隧道施工过程中其围岩和中隔墙的变形及应力变化，证明了中隔墙回填密实能够有效抑制其变形。李恒一[5]通过对相邻两孔平行隧道的近接施工的数值模拟，得出地表位移沉降与两洞距离以及埋深相关性较大，并对实际工程案例的施工提出合理性建议[6]。综上所述，不同开挖工法的选取对周围土体的扰动有着很大影响，严重影响着临近已有隧道的稳定性。前者的研究多集中于对新建隧道的稳定性研究，对近接已有地下工程的稳定性、以及在建隧洞的影响范围未有一个综合论述。本文基于重庆某隧道工程，借助FLAC3D数值模拟软件，对隧道开挖进行不同工况模拟，进行开挖工法的选取对既有隧道影响评价的研究，研究成果可为类似工程的施工设计提供借鉴。
本项目依托重庆某下穿近接隧道工程。研究区共建有2条隧道，右侧为直径约10 m的圆形既有盾构隧道，总长度为305 m。衬砌环宽度为1.2 m，厚度为0.3 m。左侧宽约为15.5 m，高约16.39 m的大断面新建隧道，总长度约1 km，主要采用三台阶临时仰拱法施工，采用复合式衬砌支护形式。其中初期支护厚度为0.25 m，二次衬砌厚度为40 cm。2条隧道近接间距为5 m，隧道围岩条件较差，以IV-V类围岩为主。两者纵向平行且两端延伸方向近似相同。勘查揭露地层岩性主要为第四系残坡积土及侏罗系中统上沙溪庙组泥岩、粉砂质泥岩、砂岩互层组成。隧道施工区地下水类型以第四系孔隙水和基岩裂隙水为主，且砂岩具有一定的渗透性。
3.1 采样及试验流程
本次试验所采集的岩样取自研究区所在地层，并将所取芯样制作为统一标准尺寸。每种岩样不少于5个，以排除试验偶然性。试样尺寸设置直径为50 mm、高为100 mm。表面进行磨平处理，直径误差在0.3 mm内，轴向偏差小于0.25°。采用岩石力学试验机测试岩块最大压应力。将试样置于仪器承压板中心，加载速度调整为1 kN/s，直到试样破坏，记录所需数据。
3.2 参数确定
经过上述实验流程以及数据处理，得到不同岩性抗压强度以及其余力学特性指数(见表1)。
表1 岩体参数
4.1 模型建立
如图1所示，模型尺寸为160 m×15 m×116 m(长×宽×高)。以隧道轴线(正北)为Y轴，水平面上以垂直于洞轴线为X轴。为保证计算的可靠性，在水平面X轴方向上计算边界取距离隧道边界4倍洞径(约40 m)，纵向上根据实际工程概况设置隧道埋深为60 m，下边界围岩厚度为40 m，开挖方向上取15 m进行计算。FLAC3D数值模拟时，初期支护与临时钢支撑选用Shell单元构建；
二次衬砌选用实体单元构建；
锚杆选用Cable单元建立。由于现场采用爆破开挖，并开挖后未能立即施加相应支护，在二衬施加时围岩形变并没有完全收敛。因此，本文在模拟开挖时，命令采用定义空模型(assign null)模拟实际情况中的爆破开挖，开挖后在施加初期支护与二次衬砌前都进行一定的应力释放，以此提高模拟精准度。
图1 隧道三维地质模型示意
在开挖计算过程中,约束左右边界与下边界的法向位移,上边界采用自由面。既有隧道(A型)采用全断面开挖工法，开挖计算平衡并清除位移后，再对拟建隧道(B型)开展不同工法条件下的隧道开挖模拟分析。同时，开展拟建隧道施工阶段对既有隧道的边墙、拱腰、拱顶等特殊位置进行位移监测。
4.2 参数选取
隧道围岩为Ⅴ级，在围岩参数选取中，由于隧道施工区域以砂泥岩互层为主，综合考虑各层厚比、层厚、倾角等因素对岩体力学参数的影响，取等效岩体参数，而不是仅按照试验参数选取[7]。且将计算地层采用统一均质地层，在方便计算的同时，提高模拟可靠度(见表2)。在隧道开挖支护过程中，考虑初期支护，二衬支护、临时钢支撑、砂浆锚杆等支护。由于在模型计算时，需要设置具体的弹性体积模量K与弹性切变模量G，具体计算方法如式(1)(2)所示:
(1)
(2)
式中：
E——弹性模量；
v——泊松比。
表2 模型参数选取
基于原设计资料，隧道支护措施为挂网喷浆+系统锚杆支护。为简化建模过程，且不影响数值模拟效果，本文将挂网支护中使用的钢筋效果等效到隧道衬砌模拟中[8]，也就是将钢筋弹性模量进行等效，折算到混凝土中，计算方法见式(3)：
(3)
式中：
Es——钢筋弹性模量；
E0——折算之前的弹性模量；
Ec——折算后的弹性模量；
Ac——折算后衬砌弹性模量；
As——钢拱架截面积。
4.3 模型地应力平衡
前期在隧道区域附近通过水压劈裂法测试地应力，结果显示该区域最大主应力为9.23 MPa，为低地应力区。实测垂直应力分量与自重应力计算值相差不大，表明该区域的地应力受地质构造作用影响不大，以自重应力为主，在数值模拟中主要考虑自重因素即可[9-10]。地应力平衡后，对隧道进行不同工法的开挖模拟研究。
5.1 不同工法下围岩位移及力学响应
1) 全断面开挖
施工顺序依次为全断面开挖、应力释放、施加初期支护措施、应力释放、施加二次衬砌、应力平衡。计算平衡后，取中间断面进行位移场、应力场分析。从图2可以看出，B型隧道全断面开挖工法施工过程中，A型隧道临近边墙最大位移达到了0.9 mm，最大拉应力值约为0.3 MPa，拱顶沉降位移达到了0.85 mm,且有应力集中现象。B型隧道拱顶沉降值约为6 mm，拱底隆起约7.2 mm，边墙位移值相对较小约为0.36 mm，在拱底有应力集中现象。
a 位移云示意
2) 台阶法开挖
施工顺序依次为上台阶开挖、应力释放、施加初期支护、应力释放、下台阶开挖、施加初期支护、应力释放、施加二次衬砌、应力平衡。取中间断面进行位移场、应力场分析。从图3可以看出，B型隧道台阶开挖工法施工过程中，A型隧道临近边墙最大位移达到了4.5 mm，最大拉应力值约为0.29 MPa，，拱顶沉降位移最大达到了4.13 mm，且在靠近B型隧道的一侧有应力集中现象出现。B型隧道拱顶沉降值约5 mm,拱底围岩隆起约6.64 mm，边墙位移值约为3.9～4.9 mm，在隧道边墙出现不同程度的应力集中。
a 位移云示意
3) CD法开挖
施工顺序依次为分块开挖、各阶段进行应力释放、施加初期支护措施以及中隔壁支撑、应力释放、施加二次衬砌、应力平衡。计算平衡后，取中间断面进行位移场、应力场分析。从图4可以看出， B型隧道CD开挖工法施工过程中，A型隧道临近边墙最大位移为0.66 mm，最大拉应力值约0.20 MPa，拱顶沉降位移约为0.48 mm,拱顶与拱底有较小程度的应力集中。B型隧道拱底靠近A型隧道一侧隆起程度较大，约为1.75 mm，拱顶沉降约为0.05 mm，侧边墙位移值约为0.5～0.8 mm。
a 位移云示意
5.2 不同工法适应性分析
基于平行近接隧道不同开挖工法的模拟可以看出：对于新建的B型隧道，分别采用全断面法、台阶法与CD法进行开挖，其拱顶沉降值与最大主应力区依次减小；
对于已建的A型隧道，在B型隧道选用台阶开挖法时，其围岩形变最大，且位移值波动明显，而选用全断面法或CD法开挖时，围岩形变量较小，波动不明显(围岩形变监测如图5所示)。
a 隧道边墙围岩形变曲线
通过分析表明：在选用台阶法开挖B型隧道时，由于上台阶开挖的完成，在拱腰会出现明显的应力集中现象，对两隧道间围岩有较大的挤压作用，下台阶开挖后，又有明显的应力释放，对A型已建隧道围岩造成的扰动较大；
在全断面开挖工法下，由于选用大型机械化施工，开挖次数少、支护施作速度快，极大的减少了对隧道间围岩的扰动[11-13]；
在选用CD法开挖时，优先开挖远离既有隧道一侧，施工面小、独立成环，且对围岩等级要求不高，对既有隧道围岩扰动极小[14]。可见，在平行近接隧道施工时，针对此类型工况CD法适应性最强，全断面次之，台阶开挖法适应性较差。
针对重庆某隧道工程，对不同开挖工法在平行近接隧道工程中适应性进行研究，得出以下结论：
1) 台阶法开挖过程中，由于在拱腰处产生的形变压力较大，且近接距离较小，对既有隧道的围岩扰动较强，围岩形变较严重，因此适应性较弱。
2) 全断面法开挖过程中，由于可以使用大型机械化施工，很大程度上减弱了对围岩扰动，开挖后产生的形变压力较小，临近既有隧道围岩形变量较小，因此适用性良好。
3) CD法开挖过程中，由于单块开挖面小，支护施作迅速，隧洞形成闭合单元所用时间较短，对临近已建隧道的围岩扰动较弱，围岩产生的形变量较小，因此适用性较强。
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