小凈距隧道設(shè)計(jì)中夾巖柱受力狀態(tài)研究分析

【摘 要】本文采用有限元模型對(duì)不同凈距的隧道中間巖柱的受力、變形進(jìn)行了分析，總結(jié)出了不同凈距隧道中間巖柱的受力及變形情況，及不同凈距隧道開挖過程中特征點(diǎn)應(yīng)力和位移的變化特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】小凈距；有限元模型；中間巖柱；受力狀態(tài)

隨著我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展， 隧道越來越多地出現(xiàn)在公路建設(shè)中。目前在山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中遇到長(zhǎng)度為1000m以下的中、短隧道數(shù)量較多，在碰到雞爪地形時(shí)， 就會(huì)出現(xiàn)隧道群方案， 橋隧相連， 路線線形布設(shè)困難，建造連拱隧道則存在著諸如施工難度大、工序復(fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)、造價(jià)高、結(jié)構(gòu)容易開裂、襯砌漏水等一系列問題。針對(duì)這些問題， 本文擬提出一種新的設(shè)計(jì)方法即小凈距隧道設(shè)計(jì)，小凈距隧道由于中間巖柱寬度較小，中間巖柱的受力、變形會(huì)受到兩邊隧道開挖的影響，如果盲目地進(jìn)行加固處理會(huì)提高工程的造價(jià)，處理方法不當(dāng)又難以保證中間巖柱的穩(wěn)定。

本文采用有限元模型對(duì)不同凈距的隧道中間巖柱的受力、變形進(jìn)行了分析，總結(jié)出了不同凈距隧道中間巖柱的受力及變形情況，及不同凈距隧道開挖過程中特征點(diǎn)應(yīng)力和位移的變化特點(diǎn)。

1．中夾巖柱加固

中夾巖柱預(yù)加固的目的主要是為了最大限度地保證中夾巖柱的完整性， 以提高開挖過程中圍巖的自承自穩(wěn)能力。當(dāng)中夾巖柱為4m～6m 時(shí)， 宜采用25mm 的水平對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)其進(jìn)行加固， 若地質(zhì)條件較差， 可加設(shè)小導(dǎo)管對(duì)中夾巖柱進(jìn)行注漿加固， 注漿材料應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、地下水情況以及注漿材料的適用性等確定； 當(dāng)中夾巖柱為6m～15m時(shí)， 宜采用脹殼式低預(yù)應(yīng)力錨桿（ 僅內(nèi)側(cè)加長(zhǎng)） 進(jìn)行加固， 在地質(zhì)條件較好時(shí)， 也可采用普通中空注漿錨桿或砂漿錨桿在內(nèi)側(cè)（ 中夾巖柱） 加長(zhǎng)并進(jìn)行加固。

2．隧道設(shè)計(jì)

雙洞小凈距隧道是介于普通分離式雙洞隧道和連拱隧道之間的一種結(jié)構(gòu)形式， 其雙洞凈距比較小， 凈間距一般小于一倍隧道開挖洞跨。目前國(guó)內(nèi)雙洞小間距隧道凈間距的取值一般為5m～15m， 主要采用單、雙側(cè)導(dǎo)洞法、超前導(dǎo)洞預(yù)留光爆層法等施工方法進(jìn)行施工。在一般小凈距隧道的設(shè)計(jì)中，由于考慮到雙洞間施工的相互影響， 因此其設(shè)計(jì)參數(shù)比分離式雙洞的設(shè)計(jì)參數(shù)略高。本文以洞身的Ⅴ級(jí)圍巖段為例， 其他襯砌類型不一一例舉。

2.1 分析模型

計(jì)算模型分別取凈距為14m、8m兩種工況進(jìn)行計(jì)算，分析小凈距隧道的受力狀況。圍巖采用實(shí)體單元，初襯采用實(shí)體殼單元，錨桿采用桿單元，錨桿與圍巖問變形協(xié)調(diào)。模型建立時(shí)選取了3～5 倍洞徑（ 3D～5D） 的計(jì)算范圍， 長(zhǎng)度方向（ Z軸） 沿洞軸取60m、寬度（ X 軸） 方向取120m （ 含隧道截面及中壁巖柱） 、高度（ Y軸） 方向取70m（ 含隧道截面3 ～5 倍洞徑） 作為本次計(jì)算的范圍。該模型共劃分為近4800個(gè)節(jié)點(diǎn)、3900個(gè)單元。隧洞區(qū)域有限元模型見圖2-3.

2.2 計(jì)算方案及參數(shù)的選取

計(jì)算主要考察凈距改變后， 圍巖受力的變化規(guī)律， 因此在計(jì)算過程中， 先開挖左洞， 待左洞開挖完畢后再開挖右洞， 并借此考察右洞開挖對(duì)左洞的影響。計(jì)算中， 物理力學(xué)參數(shù)是在本隧道室內(nèi)試驗(yàn)資料綜合分析的基礎(chǔ)上選取的， 由于本隧道是以變質(zhì)粉砂巖為主， 因此以該類巖石的物理力學(xué)參數(shù)值作為計(jì)算中的參數(shù)。

表1圍巖及材料計(jì)算參考數(shù)值

2.3計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算時(shí)， 分別列出了各種工況下左洞開挖及左右洞均開挖后的應(yīng)力云圖（ 見圖4-圖7 ） ， 以及最大應(yīng)力值及拱頂下沉的變化（ 見表3 ） 。考慮到空間效應(yīng)的影響， 應(yīng)力云圖及各項(xiàng)取值均取自模型的中間位置。

綜合應(yīng)力云圖、最大應(yīng)力值及拱頂下沉值的變化規(guī)律， 現(xiàn)分析總結(jié)如下。開挖后的隧道，總體處于受壓應(yīng)力狀態(tài)最大應(yīng)力值位于兩側(cè)拱腳處。

表2 最大應(yīng)力值及拱頂下沉值列表

計(jì)算中左洞開挖先于右洞， 其開挖后應(yīng)力狀態(tài)隨凈距的變化較小， 但對(duì)未開挖的右洞存在一定的影響， 這種影響隨著凈距的減小而明顯增大， 從應(yīng)力云圖來看， 當(dāng)凈距等于8m 時(shí)， 左洞開挖將影響到右洞未開挖巖體的應(yīng)力重分布， 因此施工中開挖右洞時(shí)應(yīng)引起重視。

從左右洞開挖后的應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力值來看， 在本次計(jì)算的兩種工況條件下， 右洞的開挖均對(duì)已開挖的左洞產(chǎn)生影響： 當(dāng)凈距D=14m時(shí)， 右洞的開挖將引起左洞的0.1增加1.1MPa ， 中壁巖柱位置應(yīng)力重疊部分逐漸加大， 其中間位置處的最大應(yīng)力值達(dá)5.26MPa ； 當(dāng)凈距D=8m時(shí)， 右洞的開挖將引起左洞的0.1增加1.8MPa ， 中壁巖柱位置應(yīng)力重疊部分進(jìn)一步增加， 其中間位置處的最大應(yīng)力值達(dá)6.02MPa。

隧道開挖后未產(chǎn)生塑性區(qū)， 隧道拱頂處的位移， 隨著凈距的減小亦明顯加大， 通過對(duì)其分析可以看出， 右洞開挖及凈距的變化對(duì)隧道的影響規(guī)律與3.3.3 中分析的結(jié)論是一致的。

3．小凈距隧道開挖注意事項(xiàng)

在小凈距隧道開挖過程中， 隨著凈距的減小， 后行洞的開挖會(huì)引起現(xiàn)行洞周邊圍巖應(yīng)力的提高。中壁巖柱由于產(chǎn)生了應(yīng)力重疊區(qū)， 使得其受力狀態(tài)處于十分不利位置， 特別當(dāng)隧道間凈距減小到8m 以后， 中壁巖柱中間位置處的應(yīng)力值將明顯增大， 在實(shí)際工程中應(yīng)給予高度重視， 采取必要的加強(qiáng)圍巖的措施。因此， 在左右線凈間距小于14m時(shí)， 應(yīng)采用單、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以確保施工安全。

在隧道開挖過程中．中間巖柱的位移有一個(gè)先左后右的趨勢(shì)，這對(duì)中間巖柱的穩(wěn)定是不利的，因此在施工過程中盡量使中間巖柱的形成時(shí)間靠后以減少中間巖柱的疲勞損壞。初期支護(hù)對(duì)中間巖柱應(yīng)力的擴(kuò)展有很好的遏制作用，因此在小凈距隧道施工過程中要充分重視初期支護(hù)對(duì)中間巖柱的保護(hù)作用，初期支護(hù)的主要方法有注漿加固和錨桿加固，施工時(shí)應(yīng)結(jié)合隧道圍巖類型、施工方法等靈活選用。

小凈距隧道都比較短， 地形、地質(zhì)情況相對(duì)較差， 因此需對(duì)隧道洞口進(jìn)行處理， 包