淺覆大跨度小凈距雙洞公路隧道相互影響研究

李仲來

摘 要：分析不同凈距下中巖墻的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)分布等力學(xué)行為及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性對(duì)指導(dǎo)小凈距隧道設(shè)計(jì)與施工尤為重要。文章依靠數(shù)值分析手段，模擬在不同D/B情況下，采用三臺(tái)階法開挖分析后掘隧道開挖多次擾動(dòng)對(duì)中巖墻的塑性區(qū)分布、剪應(yīng)力、水平位移等力學(xué)行為的影響，以及后掘隧道對(duì)先行隧道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，結(jié)果表明在中巖墻厚度小于0.75 B時(shí)，后掘隧道對(duì)中巖墻的受力變形和先行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力極為不利。該研究結(jié)果可為淺覆大跨度小凈距隧道的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：淺覆大跨度；小凈距；中巖墻；力學(xué)行為；三臺(tái)階法

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）09-0149-03

1 研究背景

高等級(jí)公路隧道一般設(shè)計(jì)為上下行分離的獨(dú)立雙洞，雙洞常按彼此間不產(chǎn)生有害影響的原則，保證最小凈距，但在實(shí)際工程中存在其它條件限制而不可避免的采用小凈距隧道甚至聯(lián)拱隧道，因此需要做出充分的技術(shù)論證，并制定可靠的技術(shù)保障措施。

目前，業(yè)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)各類小凈距隧道展開了相關(guān)研究，因中巖墻受隧道開挖的多次擾動(dòng)影響，受力變形異常復(fù)雜，不利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，故核心問題集中在合理凈距的研究及優(yōu)化上。Dharls對(duì)不同位置關(guān)系的雙線隧道失效機(jī)理研究表明，雙線隧道的破壞主要發(fā)生在中巖墻。

具體典型研究有：杉本光隆運(yùn)用能量理論對(duì)平行雙洞隧道研究認(rèn)為當(dāng)隧道間距小于1.7 B（B為隧道跨度）時(shí)，圍巖穩(wěn)定性必須綜合考慮雙洞的疊加效應(yīng)。

以上研究主要針對(duì)在較小凈距下，隧道開挖對(duì)中巖墻的擾動(dòng)所引起的圍巖受力和變形影響，而對(duì)于在小凈距情況下，在先行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)已完成的情況下，后掘隧道對(duì)先行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和中巖墻的綜合效應(yīng)的研究較少。

本文依托浙江溫州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分軟件分析手段，通過模擬不同凈距下，采用三臺(tái)階法開挖，分析后掘隧道對(duì)先行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化以及隧道開挖的多次擾動(dòng)對(duì)中巖墻的應(yīng)力和變形的影響，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)淺覆大跨度小凈距隧道的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 工程概況

溫州某公路隧道左線里程K3+555～K4+955，長(zhǎng)1 400 m，右線K3+550～K4+977，長(zhǎng)1 427 m。隧道穿越段地層主要為強(qiáng)中風(fēng)化粉砂巖、細(xì)砂巖夾泥巖，地層條件相對(duì)復(fù)雜。

淺埋段隧道埋深為10～20 m，圍巖級(jí)別為V級(jí)，隧道毛洞凈跨度為16.47 m，高度為10.84 m，兩隧凈距在10～20 m之間，V級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

左右兩洞均采用三臺(tái)階法開挖，先行開挖左洞，后行開挖右洞，兩洞縱向間距以左洞支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到一定強(qiáng)度作為控制指標(biāo)。左洞開挖步驟如圖2所示：右洞開挖方式與左洞相同，故不再重復(fù)敘述。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

采用FLAC2D數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬，取隧道洞跨B=16.47 m，洞高H=10.84 m，隧道埋深取將近一倍洞跨為16 m。為消除應(yīng)力邊界影響，左、右及下邊界取3倍隧道開挖直徑，上邊界取為自由面；左右邊界約束x方向位移，下邊界約束y方向的位移。數(shù)值模型如圖3所示。

圍巖采用平面四邊形等參單元，判定準(zhǔn)則采用Mohr-Cou-

lomb屈服準(zhǔn)則，噴射混凝土采用結(jié)構(gòu)單元liner單元模擬，鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，拱頂120 ？觷范圍的超前雙排Φ42 mm小導(dǎo)管和初支中的Φ25 mm中空注漿錨桿均采用適當(dāng)提高圍巖參數(shù)進(jìn)行模擬，各力學(xué)參數(shù)見表1。

采用FLAC2D進(jìn)行施工過程模擬，具體模擬步驟如圖3所示。初始應(yīng)力場(chǎng)根據(jù)巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算得到，計(jì)算平衡后通過修改加固圈的圍巖參數(shù)來模擬小導(dǎo)管和中空注漿錨桿的作用效果。

每一步開挖支護(hù)分為兩個(gè)階段，第一階段模擬隧道開挖應(yīng)力釋放60%，第二階段模擬隧道施作初期支護(hù)后應(yīng)力放40%。根據(jù)新奧法施工原理，二次襯砌僅作為強(qiáng)度儲(chǔ)備，故本次計(jì)算中未考慮二次襯砌的影響。

為了分析在不同凈距情況下，右洞開挖對(duì)左洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力影響以及隧道開挖多次擾動(dòng)引起中巖墻受力和變形特性的改變，分別取中巖墻厚度D約為0.5 B（8 m），0.75 B（12 m），1 B（16 m），1.25 B（20 m），1.5 B（24 m），2 B（32 m）情況下進(jìn)行研究。

3.2 中巖墻塑性區(qū)分布特性分析

采用三臺(tái)階法開挖，支護(hù)完成后隧道周邊圍巖所形成的塑性區(qū)分布如圖4所示。

從圖中可看出單洞開挖完成后，圍巖塑性區(qū)呈“×”形分布，在拱腰和拱腳部分形成較大的塑性區(qū)，拱腳處尤其嚴(yán)重，塑性區(qū)延伸至拱腳以下5 m左右，而隧道邊墻塑性區(qū)沿徑向?yàn)? m左右。

隨著中巖墻厚度的不斷減少，在D/B為1.25～2的范圍內(nèi)，右洞開挖后對(duì)中巖墻塑性區(qū)的變化影響比較小，塑性區(qū)范圍基本與單洞情況下相同；隨著中巖墻厚度的進(jìn)一步減小，在D/B為0.75～1的范圍內(nèi)，臨近兩隧道邊墻和拱腳處的中巖墻塑性區(qū)范圍有所擴(kuò)大，隧道拱腳以下塑性區(qū)延伸至9 m左右，但中巖墻塑性區(qū)仍未貫通；當(dāng)D/B=0.5時(shí)，即中巖墻厚度為8 m時(shí)，隨著右洞上臺(tái)階的開挖，中巖墻上部區(qū)域塑性區(qū)已貫通，圍巖處于塑性階段，隨著右洞中、下臺(tái)階的開挖，圍巖塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，最終中巖墻范圍內(nèi)塑性區(qū)基本完全貫通。

故在淺覆軟弱圍巖條件下，對(duì)于大跨度隧道盡可能的通過控制中巖墻的厚度來防止塑性區(qū)貫通，即盡量將D/B值控制在0.75以上。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過模擬在不同的D/B情況下，通過分析后掘隧道對(duì)中巖墻多次擾動(dòng)引起中巖墻的塑性區(qū)分布、應(yīng)力和變形的變化規(guī)律以及先行隧道初支結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，得出如下結(jié)論：

①小凈距隧道中巖墻的厚度對(duì)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和中巖墻的力學(xué)特性影響很大，應(yīng)盡量將D/B值控制在0.75以上。

②當(dāng)采用三臺(tái)階法開挖時(shí)，后掘隧道上、中臺(tái)階的開挖對(duì)中巖墻的受力和變形影響顯著，施工中應(yīng)該嚴(yán)格控制后掘隧道上、中臺(tái)階的開挖尺寸，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)臨近中巖墻先行洞拱腳處圍巖的水平位移及圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

③從先行隧道初支結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化來看，臨近中巖墻的邊墻和拱腳處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱點(diǎn)，應(yīng)保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)嚴(yán)格控制后掘隧道與先行隧道合適的縱向間距。

本文依托浙江溫州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分軟件分析手段，通過模擬不同凈距下，采用三臺(tái)階法開挖，分析后掘隧道對(duì)先行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化以及隧道開挖的多次擾動(dòng)對(duì)中巖墻的應(yīng)力和變形的影響，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)淺覆大跨度小凈距隧道的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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