3.1 地表沉降
图4是开挖完成后特征面地表沉降云图,由图4可知,两种开挖方式下特征面沉降云图分布规律相似,由于右隧先行时造成的偏压作用明显大于左隧先行,右隧先行下地表沉降值影响范围大于左隧先行.
图4 开挖完成后特征面沉降云图
Fig.4 Cloud diagram of characteristic surface settlement after excavation
两种施工方案开挖过程中特征面地表沉降曲线如图5所示,由图5可知,由于两隧道非对称,隧道的开挖引起地表沉降的叠加,两种方案的地表沉降均表现为“单峰”状态.随着各导洞的开挖,地表沉降值不断增加,施工完成后方案1峰值左侧的最终地表沉降值小于方案2,方案2峰值右侧的最终地表沉降值小于方案1.
图5 特征面地表沉降曲线
Fig.5 Surface settlement curve of characteristic surface
由图5(a)可知,方案1中右隧开挖始末地表沉降峰值点一直位于中岩柱中轴线右侧6 m处,随着右隧各导洞依次经过特征面,地表沉降值不断增加,当左隧开挖后,峰值受左隧开挖的影响,所处位置从中岩柱中轴线右侧6 m处变化至中轴线右侧3 m处,这表明左隧开挖会对地表沉降峰值点造成一定的影响.右隧6#导洞开挖至左隧上台阶期间,地表沉降量达到最大增量4.3 mm.由图5(b)可知,方案2中地表沉降峰值点首先位于中岩柱中轴线左侧6 m处,由于右隧开挖的影响,峰值点由中岩柱中轴线左侧6 m处变化至右侧3 m处,这表明地表沉降峰值点受右隧开挖影响较大.左隧下台阶开挖至右隧1#导洞、2#导洞期间,地表沉降量达到最大增量8.4 mm.两种施工方案开挖完成后地表沉降峰值为23.5 mm、23.9 mm,地表沉降峰值点都位于中岩柱中轴线右侧3 m处,这说明方案1与方案2对于地表沉降峰值及峰值所处位置影响不大.
3.2 拱顶沉降
图6是特征面在两种方案开挖过程中右隧、左隧拱顶沉降变化图.由图6(a)可知,对于右隧拱顶沉降,两种施工方案下特征面导洞未开挖之前右隧拱顶沉降值占总沉降值的13.1%、3.9%.由于方案2中左隧的开挖造成围岩的应力释放,1#导洞至6#导洞的开挖对最终拱顶沉降值的影响大于方案1,特征面1#导洞至6#导洞开挖后拱顶沉降增加值占总沉降值的73.9%、86.8%.上台阶、下台阶开挖后拱顶沉降增加值占总沉降值的9.5%、1.9%.这表明右隧拱顶沉降主要受右隧各导洞的开挖影响.方案1和方案2开挖完成后沉降值为31.5 mm、31.7 mm,这表明两种施工方案对右隧拱顶最终沉降值影响不大.
图6 拱顶沉降曲线
Fig.6 Vault settlement curve
由图6(b)可知,对于左隧拱顶沉降,两种施工方案下特征面导洞未开挖之前,左隧拱顶沉降值占总沉降值的8.4%、16.9%,特征面1#导洞—6#导洞开挖后拱顶沉降增加值占总沉降值的11.8%、27.3%,上台阶、下台阶开挖后拱顶沉降增加值占总沉降值的67.5%、52.8%,这表明两种施工方案下左隧拱顶沉降值主要受上、下台阶的影响.由于右隧断面大,右隧各导洞的开挖对左隧拱顶沉降有一定影响,但拱顶沉降主要是由左隧开挖造成.方案1和方案2开挖完成后沉降值为22.0 mm、22.3 mm,这表明两种施工方案对左隧拱顶最终沉降值影响不大.
3.3 水平收敛
图7、图8是特征面在方案1和方案2开挖过程中1#导洞至4#导洞、左隧水平收敛值变化图,由图7(a)、7(b)可知,1#导洞、2#导洞水平收敛值都呈现先增加后减小最后趋于稳定的趋势.1#导洞、2#导洞的水平收敛值随着其导洞的开挖迅速增加,由于左隧的开挖会造成应力释放,方案2中1#导洞、2#导洞开挖后水平收敛值增加量为20.9 mm、14.7 mm,明显大于方案1中水平收敛值增加量15.7 mm、12.2 mm,3#导洞、4#导洞开挖后水平收敛值达到最大,1#导洞最大水平收敛值为23.6 mm、29.5 mm,2#导洞最大水平收敛值为20.2 mm、23.5 mm,随着右隧剩余导洞的开挖,1#导洞右侧、2#导洞左侧出现临空面,其水平收敛值减少.上、下台阶的开挖对1#导洞、2#导洞的水平收敛值影响不大,但由于1#导洞受左隧开挖的影响更明显,1#导洞水平收敛值明显大于2#导洞水平收敛值.开挖完成后1#导洞水平收敛稳定值为17.8 mm、23.6 mm,2#导洞水平收敛稳定值为14.2 mm、17.6 mm,这表明方案1控制1#导洞、2#导洞的水平收敛值效果明显优于方案2.
由图7(c)、图7(d)可知,3#导洞、4#导洞水平收敛值受左隧及1#导洞、2#导洞的开挖影响不大,两种开挖方式下3#导洞、4#导洞开挖后达到最大增量,方案2中最大增量为29.6 mm、22.8 mm,大于方案1的最大增量24.06 mm,20.2 mm,5#导洞开挖后3#导洞、4#导洞水平收敛值达到峰值36.6 mm、29.3 mm,6#导洞开挖后,由于3#导洞右侧、4#导洞左侧出现新的临空面,其水平收敛值减小.方案1和方案2开挖完成后3#导洞水平收敛稳定值为22.6 mm、30.5 mm,4#导洞水平收敛稳定值为21.2 mm、23.8 mm.这表明方案1控制3#导洞、4#导洞的水平收敛值效果明显优于方案2.
图7 1#导洞-4#导洞水平收敛曲线
Fig.7 Horizontal convergence curve of 1# hole to 4# hole
图8 左隧水平收敛曲线
Fig.8 Horizontal convergence curve of the left tunnel
由图8可知,方案1特征面右隧各导洞的开挖对左隧水平收敛值影响较大,这是由于右隧断面面积是左隧的2倍左右,右隧开挖造成的应力释放对左隧影响较大.左隧水平收敛值随着右侧临空面不断增加而变大,水平收敛最大值和稳定值为2.8 mm、2.6 mm,方案2上台阶开挖后水平收敛达到最大值5.0 mm,之后稳定在4.9 mm.这表明方案2中左隧下台阶及右隧开挖前左隧拱腰变形已基本完成且方案1控制左隧水平收敛值比方案2具有明显优势.
3.4 围岩应力
图9是围岩应力取值点的分布图,在隧道周围选取应力取值点研究最大主应力值在两种施工方案下各个阶段的变化规律.
图9 围岩应力变化取值点位置图
Fig.9 Location of the stress change value point of surrounding rock
图 10是隧道围岩各个阶段的最大主应力分布图,由图 10(a)、10(b)可知,由于右隧上方围岩自重影响,右隧上部围岩最大主应力大于下部,围岩上部最大主应力由压应力逐渐转化为拉应力,下部在开挖过程中均为压应力.右隧各导洞在其导洞开挖时最大应力值明显增加,随着右隧剩余导洞的开挖,最大主应力值不断增加,由图 10(a)可知,方案1中6#导洞开挖后最大应力值趋于稳定,受左隧开挖影响很小.由图 10(b)可知,方案2左隧上下台阶开挖对于右隧最大主应力影响很小,这表明右隧最大主应力主要受右隧开挖的影响.方案1、方案2开挖过程中右隧最大主应力值是0.22 MPa、0.25 MPa(拉应力),这表明右隧最大主应力值受两种施工方案影响不大.
对于左隧,由图 10(c)、10(d)知,左隧最大主应力值主要受左隧开挖的影响,受右隧开挖影响较小,其余规律与右隧相同.开挖过程中方案1、方案2最大主应力值为0.19 MPa、0.16 MPa(拉应力).这表明左隧最大应力值受两种开挖方式影响不大.
图 10 隧道围岩各阶段应力分布图
Fig.10 Stress distribution of tunnel surrounding rock in each stage
3.5 塑性区
图 11、图 12是方案1和方案2特征面各导洞开挖时塑性区变化图.由两图可知,在两种施工方式下,由于大管棚和小导管的超前支护作用,右隧顶部围岩没有出现塑性区,塑性区主要分布于相邻的未开挖导洞,而拱腰及拱脚处围岩由于没有加固,当开挖至隧道下部导洞时拱腰及拱脚处出现塑性区.左隧由于仅有小导管加固,上台阶开挖后加固区及下台阶出现了塑性区.当特征面各导洞开挖完成后,左隧先行和右隧先行两种方式整体塑性区分布几乎无差别,中夹岩柱下部塑性区即将出现“连通”现象,在施工时应尤为注意,且从塑性区的角度证明此时隧道的净距是合理的.
图 11 方案1各阶段塑性区分布图
Fig.11 Layout diagram of plastic zone at each stage of scheme 1
图 12 方案2各阶段塑性区分布图
Fig.12 Layout diagram of plastic zone at each stage of scheme 2
3.6 基于数值模拟分析的开挖方式建议
综合以上分析,两种施工方案最终的地表沉降值、拱顶沉降值、塑性区分布没有明显差别,但方案1中1#导洞至4#导洞、左隧的最大水平收敛值明显小于方案2.这是由于方案2中先行隧道受到二次扰动的次数明显大于方案1.两隧道最大围岩应力受两种施工方案影响不大.因此,为控制围岩变形和保证施工安全,经过比选,建议实际施工采用方案1.
