0 引言

　　隧道工程作为一种对地下空间开发与利用的方式被广泛应用于公路、铁路和地铁等工程的建设中^[1,2,3]。隧道围岩及结构在修建和运营过程中的安全性倍受关注，尤其在黄土这种具有湿陷性的特殊地层中修建隧道，易发生围岩垮塌、衬砌变形等事故^[4,5,6,7]。目前，国内外黄土大跨小净距隧道工程可借鉴经验有限，因此文章依托西安地铁4号线雁南四路站—大唐芙蓉园站地铁工程，对黄土地区浅埋小净距隧道的降水方式和不同净距下对于隧道稳定性的影响进行研究，详细分析了隧道降水开挖过程中周围岩土体的变形、支护结构的受力情况以及隧道中岩柱塑性区的分布情况，为相关工程提供一定的借鉴意义^[8,9,10,11]。

　　1 工程概况及数值分析模型

　　1.1 工程概况

　　西安市地铁4号线雁南四路站—大唐芙蓉园站范围出入线区间里程YDK8+371.825—K9+619.325，区间隧道总长1 247.5m。线路从雁南四路站向北沿着芙蓉西路先后越过3条地裂缝，场地地层从上到下由素填土(Q₄)、新黄土(Q₃)、古土壤(Q₃)、老黄土(Q₂)、古土壤、老黄土(Q₂)、古土壤(Q₂)与老黄土(Q₂)组成，地下水位埋深为10m。

　　1.2 数值模型建立及材料参数

　　采用Midas GTS NX大型数值分析有限元软件，根据岩石力学和弹性力学相关原理可知，施工过程中影响区域一般为3倍施工断面尺寸，根据工程实际出入线地质条件，建立的2D模型大小取160m×90m，如图1所示。模型不考虑构造应力的作用，只需要考虑在自重作用下隧道施工过程中衬砌可能发生的滑移情况^[12]，所以底边界约束模型的水平位移和竖向位移，沿x轴方向的两个侧面约束该模型的水平位移^[13]。同时根据土力学和岩石力学相关原理，考虑到衬砌破坏很大程度上是因为岩土体的滑动力大于土体的抗剪强度，符合Mohr-Coulomb强度计算准则。结合工程实践，隧道喷混面层通过弹性板单元进行模拟。模型的材料参数如表1所示。

　　图1 隧道整体有限元模型 

　　表1 模型材料参数  

　　为了保证模拟结果与实际工程接近，初始应力条件下，为了使围岩和施工土体形成一个整体，模型建立刚性连接单元。模型基于Coulomb摩擦法则的理论，假定界面摩擦力与界面摩擦系数和界面上的法向约束力大小成比例^[14]。界面模型是用来模拟不同或相同材料的边界效应。界面材料刚度和参数是依据相邻岩土体或结构的相对刚度差来给定不同的值。

　　一般结构构件与相邻土体性质的强度折减系数为:砂土/钢材取0.6～0.7;黏土/钢材取0.5;砂土/混凝土取1.0～0.8;黏土/混凝土取1.0～0.7。界面材料刚度一般取值范围为0.01～0.1，同时输入值和岩土体与结构构件的强度差成反比，即刚度差越大，输入值越小。

　　此段隧道开挖工法为双侧壁导坑法，具体施工步骤如图2所示。

　　1.3 数值模拟设计方案

　　1)不同降水条件下的隧道施工数值模拟方案

　　为探寻浅埋黄土大断面小净距隧道在降水与开挖施工阶段中降水方式对支护结构受力特征、地表沉降、拱顶位移以及水平收敛的影响，本文建立多个二维模型进行详细探讨，通过对浅埋黄土大断面小净距隧道在降水和开挖施工阶段的研究，可以更好地预先了解施工方案的可行性以及施工过程控制要点，提高施工安全。黄土隧道施工一般采取的降水方式主要有洞内降水与井点降水。为探明降水方式对黄土隧道的影响，把两种降水方式进行对比，优选更适合本工程的降水方案。

　　图2 隧道施工步骤 

　　2)不同净距隧道对中岩柱的稳定性影响数值模拟方案

　　小净距隧道施工过程中，双洞隧道之间的净距是影响中岩柱稳定的重要因素，需要进行综合详细分析。建模时根据实际工况，大、小隧道之间的净距L取4.1m(隧道施工最小净距)，9,12,15,18m和24m。这样处理的目的是通过对不同厚度中岩柱的位移和稳定状态以及塑性区的发展情况进行对比来确定其变形趋势以及工程施工需要加固的区域。

　　2 数值模拟结果及分析

　　2.1 不同降水条件下隧道施工数值模拟结果及分析

　　1)降水数值模拟分析

　　图3～5分别给出了采用两种施工方法施工完成后断面地表沉降和特征断面DK9+500的地表沉降槽曲线。

　　图3 洞内降水大洞先开挖地表沉降 

　　如图3所示，在采用洞内降水的条件下，隧道上方地表沉降数值较大，距离隧洞区域越远，地表沉降越小，整个地表沉降趋势呈“漏斗形”，即“中间大，两边小”的特点。采用洞内降水的方式所引起的地表沉降值为-44.6mm。此外，由于边界的影响，在地表沉降曲线横截面边缘处呈现微弱增大趋势，笔者觉得可能是模型边界因素，导致这一现象的产生。

　　图4 井点降水大洞先开挖地表沉降 

　　图5 特征断面DK9+500断面的地表沉降槽曲线 

　　由图4可知，在采用井点降水的条件下，也呈现出隧道上方地表沉降数值较大的现象，距离隧洞区域越远，地表沉降越小，整个地表沉降趋势呈“漏斗形”，采用井点降水方式时所引起地表沉降值是-34.3mm。此外，由于边界的影响，在地表沉降曲线横截面边缘处也如图3一样，参考图3可知，对比洞内降水和井点降水，施工所引起的地表沉降趋势类似，主要差别在沉降数值大小和施工的方便性、操作性方面。

　　2)支护结构受力结果及分析

　　在隧道施工中，大断面隧道的施工难度和施工技术要求较小断面隧道要高，因此，在支护结构受力分析中，本文主要研究大断面隧道的支护结构在降水开挖施工中的影响，洞内降水开挖施工作用下，由大断面支护结构的轴力分布可知，大断面支护结构受力不均匀，交点处容易有应力集中。此外，在降水开挖施工作用下，拱顶和拱腰处容易出现拉应力，而在边墙部分会出现压应力现象。考虑到支护结构在受拉时，其承受应力能力不如受压状态，因此在拉应力对应的部位，实际施工中需要重点把握。如有必要，可采用一些辅助措施，比如加大支护结构强度。

　　降水开挖施工作用下，由大断面隧道支护结构的弯矩分布可知，大断面支护结构弯矩在支护结构交点处容易出现较大值。洞内降水开挖施工条件下，开挖所引起的支护结构拉应力最大值是3.96MPa，最大负弯矩是208.99kN·m。

　　在井点降水开挖施工作用下，由大断面隧道支护结构的轴力分布图可知，大断面支护结构受力不均匀，在支护结构交点处容易出现应力集中现象。此外，在井点降水开挖施工作用下，拱顶和拱腰处容易出现拉应力，而在边墙部分出现压应力现象。考虑到支护结构在受拉时，其承受应力能力不如受压状态，因此在拉应力对应的部位，实际施工中需要重点把握。如有必要，可采用一些辅助措施，比如加大支护结构强度。由综合支护结构受力结果可知，在井点降水开挖施工条件下，大断面隧道先行开挖所引起支护结构拉应力最大是3.73MPa，最大负弯矩是199.77kN·m。

　　井点降水开挖施工数值模拟中，支护结构在施工完成时，其所受弯矩在支护结构连接处容易出现弯矩最大值。在初支和中隔墙的连接部位出现拉应力，其他支护部位主要处于受压状态，且中隔墙和中隔板连接部位压应力值最大。此外，对于初支及中隔墙连接部分应采用加强措施，并对其加强施工监测，避免由于结构受拉导致支护结构破坏。

　　将洞内降水和井点降水开挖施工所引起的支护结构最大拉应力和最大负弯矩进行对比分析可知(见表2)，采用井点降水方案无论是在洞内降水、地表沉降、支护结构弯矩最大值以及洞室水平收敛等多方面都有一定的优势。

　　表2 不同施工工况对比数据分析 

　　2.2 不同隧道净距对中岩柱的稳定性影响数值结果

　　根据工程实际情况，如图6～8所示，对于水平方向的位移，当隧道之间的净间距L从4.1m增大到12m时，特征点的水平位移会出现较为明显的变化，而且不同部位的水平位移变化趋势也不相同;当L>12m时，各特征点的水平位移逐渐减小。而竖直方向的位移则随着L的增大而逐渐减小，其中当L从4.1m增大到9m时，竖向位移的变化较为明显。

　　图6 特征点分布 

　　塑性区分布云图如图9所示。由图9可知，隧道在采用井点降水大断面隧道先行施工完成结束后，最大塑性应变区域主要发生在大、小隧道拱腰附近部位。基于数值模拟结果的对比分析，L取不同长度时由中岩柱与周边塑性区的分布情况得知:伴随着L的逐渐递增，黄土地区小净距隧道中岩柱周边塑性区的范围会逐渐递减;当中岩柱厚度L<12m时，塑性区将会出现较为明显的贯通现象，甚至极有可能会促使整个中岩柱发生较大破坏，进而导致施工过程中土体的不稳定坍塌。

　　图7 水平位移变化曲线 

　　图8 竖向位移变化曲线 

　　图9 塑性区分布云图 

　　2.3 基于数值模拟分析的开挖方案建议

　　根据当前施工现状并结合数值模拟结果，针对本工程两隧道净距<12m的区间段建议在实际施工过程中采取对拉锚杆的辅助措施来减弱中岩柱的变形较大问题，提高中岩柱自身稳定性。当L=4.1m时，出于安全施工的角度需要采取全断面加固方案，这样有利于加强隧道中岩柱稳定性，限制和减弱中岩墙水平和侧向变形。

　　3 结语

　　1)黄土地区小净距隧道在采用井点降水方式与洞内降水方式相比在地表沉降、支护结构受力、洞室水平收敛等方面更满足施工变形控制的要求。

　　2)黄土地区大断面小净距隧道在降水条件下采用双侧壁导坑法施工，地表沉降分布曲线呈现出“漏斗形”，且距离大断面隧道越近，地表沉降数值越大。初支及支护结构存在应力集中区域，且在初支和中隔墙的连接部位出现拉应力;其他支护部位主要处于受压状态，且中隔墙和中隔板连接的部位压应力值最大。可采取相应的施工加强措施，保证中岩柱稳定性和施工安全性。

　　3)针对本工程两隧道净距<12m的区间段建议在实际施工过程中施作对拉锚杆辅助措施来减弱中岩柱的变形较大问题，提高中岩自身稳定性。