軟巖隧道小凈距段施工力學行為數值分析

呂顯福，劉　陽，伍曉軍，劉志強，趙占群（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京　100081；.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都　611731）

?

軟巖隧道小凈距段施工力學行為數值分析

呂顯福1，2，劉陽2，伍曉軍2，劉志強2，趙占群1，2
（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731）

摘要以新建蘭渝鐵路新城子隧道為工程背景，采用有限差分軟件FLAC3D對不同凈距條件下隧道結構的應力分布、圍巖內部位移、塑性區的分布范圍進行模擬分析。分析結果表明:隧道最大跨度處的水平收斂、左右拱腳處水平收斂以及拱頂沉降較大，而拱腰和墻腳處的水平收斂較小；隧道凈距的變化對中間巖柱最大跨度部位的水平位移影響顯著，而對靠近上側、下側部位的影響相對較弱；凈距為隧道開挖斷面寬度的0. 67～1. 33倍時，形成一個類似于單洞開挖的應力場，隧道凈距越小，表現越顯著；對于Ⅴ級圍巖隧道，當中間巖柱厚度小于隧道開挖斷面寬度的3. 33倍時可按小凈距隧道考慮。

關鍵詞軟巖；小凈距隧道；大變形；數值分析；圍巖壓力

1　工程概況

蘭渝鐵路新城子隧道位于宕昌縣剪子河與臨江鋪之間，位于西秦嶺高中山區，山高溝深，山坡、谷坡較陡，隧道全長9 166 m，最大埋深有749 m。受臨江鋪車站設站影響，隧道出口為喇叭口段，分別經過小間距、雙連拱和大跨段，其中小間距段左、右線洞室最小凈距為5～6 m，使該段結構處于復雜受力狀態中。該段埋深達400 m，根據已施工段實際揭示的地質情況，地層屬于高地應力軟巖地段，穿過F32-1斷層，以三疊系薄層板巖為主，巖層直立，走向與洞軸線呈小角度相交，對圍巖穩定性影響較大，邊墻自穩能力差，并且易發生軟巖較大變形或坍塌情況。施工中隧道圍巖及初支變形復雜，且難以控制，左、右線施工時對彼此變形影響較大。右線作為先行洞室，首先發生大變形，且受后行洞室的影響明顯，后行洞室的開挖總是引起先行洞室的二次大變形，拱頂累計沉降196. 00 mm，最大下沉速率18. 00 mm/d，累計收斂624. 75 mm，最大收斂速率43. 25 mm/d，施工過程中采取多種補強措施后，仍不能控制變形，造成長段落的噴混凝土開裂，鋼架扭曲錯斷、侵限破壞。

2軟巖隧道小凈距段數值分析

2. 1數值模型的建立和參數選取

蘭渝鐵路新城子隧道小凈距段圍巖十分軟弱破碎，圍巖等級為Ⅴ級，初期支護采用鋼拱架H175，噴射混凝土C20，三臺階開挖，擬對凈距0. 67B，1. 00B，1. 33B，2. 00B，2. 67B，3. 33B及4. 00B（B為隧道開挖斷面寬度）共7種計算工況進行數值模擬。為簡化施工步驟，采用全斷面開挖，在初始地應力場生成后，先進行毛洞開挖和支護，然后再施作初期支護，來分析隧道的變形及受力規律。模型大小為120 m×100 m× 1 m。頂部施加均布荷載，等效于上方的巖體自重。

根據地質勘察資料及現場的圍巖狀況，并參考《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004），選取模擬參數，見表1。

表1　模型計算參數

為了便于觀測圍巖不同部位隨凈距變化的位移情況，沿洞室周邊布置監測點，每個洞室周邊布設9個點，共計18個點，見圖1。

圖1　隧道周邊監測點布置

2. 2模擬結果分析

2. 2. 1隧道不同部位的位移

拱頂和背向中間巖柱側測點位移曲線見圖2。由圖2可見：①隨著凈距的變化，拱頂和背向中間巖柱側各監測點位移變化規律基本相似。②隨著兩隧道凈距的減小，各測點的位移變化呈增大趨勢，且在凈距＜2B時，這種變化的趨勢更加明顯，即兩隧道的凈距越小，拱頂沉降和背向中間巖柱側各測點的水平位移絕對值越大。先行隧道洞周各測點中發生最大位移的是6#點（左墻腰）和4#點（左拱腳）。后行隧道的洞周各測點中發生最大位移的是16#點（右墻腰）和14#點（右拱腳）。③隧道左右拱腳水平收斂值、最大跨處的水平收斂值以及拱頂的沉降值較大，而拱腰和墻腳處的收斂值相對較小。而且可以看出，在此類軟巖擠壓性隧道開挖中，隧道最大跨處的水平收斂很明顯大于拱頂沉降，表現出明顯的流變特性。因此，在施工過程中應著重隧道最大跨處圍巖的水平位移監測，并應加強此處的支護，必要時加強錨桿的布設。

圖2　拱頂和背向中間巖柱側測點位移曲線

中間巖柱上監測點位移曲線見圖3。由圖3可見：①對于兩隧道中間巖柱上測點而言，兩隧道凈距在2. 00B～4. 00B時，各測點的水平位移值隨著凈距減小而增大，而當凈距＜2. 00B時，各測點的位移值隨著凈距減小而減小，凈距為2. 00B時各測點的位移值達到最大。②各測點的水平位移呈洞周中間部位大（5#，7#，13#，15#點）、上下部位小的規律分布，13#點和15#點在凈距2. 00B～2. 67B時水平位移值隨著凈距減小增速較快，而在凈距2. 67B～4. 00B時，隨凈距減少增大的速度明顯放緩。凈距0. 67B～4. 00B時，靠近洞周上側及下側的測點水平位移變化曲線基本一致。由此可知凈距大小的變化對中間巖柱上最大跨部位水平位移影響十分明顯，而對靠近上側和下側部位的影響相對較弱。因此，應該加強對中間巖柱上最大跨部位的支護及監測，控制其大變形的發生。且當兩隧道凈距接近2. 00B時，要放慢施工速度，及時修改支護參數，加強錨桿的布設密度，并加大監測頻率。

圖3　中間巖柱上監測點位移曲線

2. 2. 2隧道洞周圍巖應力

隧道的穩定性在很大程度上取決于隧道開挖后圍巖的應力分布情況。隧道開挖后圍巖應力會重新分布，從而引起洞周的變形。當隧道開挖引起圍巖應力在洞周產生不利分布時，支護結構所承受的荷載也會相應地處于不利狀態。從最大主應力和最小主應力入手，對比分析不同凈距下兩隧道的圍巖應力分布情況，可為支護結構參數的設計提供依據。此處僅分析最大主應力的分布情況。

不同凈距下兩隧道圍巖的最大主應力云圖見圖4。由圖4可以看出：①兩隧道在拱頂處最大主應力達到最大值，約為- 4～- 4. 5 MPa，而隧道兩側的邊墻及仰拱處的最大主應力最小，約為- 2～- 3 MPa。②兩隧道凈距＞2. 00B時，在中間巖柱上邊墻圍巖應力略微大于背向中間巖柱側的邊墻圍巖應力。③中間巖柱在先行隧道側的最大主應力大于后行隧道側；兩隧道的凈距＞2. 00B時，兩隧道的應力場開始分離，此后兩隧道中間巖柱上最大跨部位的圍巖應力大于背向中間巖柱側。

設隧道最大跨處埋深為0，由兩隧道中軸線上不同埋深的最大主應力（圖5）可知：①兩隧道凈距為0. 67B～1. 33B時，中間巖柱上最大跨處的最大主應力達到最小，而在凈距為2. 00B～4. 00B時，中間巖柱上最大跨處的最大主應力會出現驟然增大的現象。這就說明在凈距為0. 67B～1. 33B時，兩隧道的開挖會形成一個類似于單洞開挖的圍巖應力場，這就解釋了凈距在0. 67B～1. 33B時，隨著凈距的減小中間巖柱側變形減小。②兩隧道會在中間巖柱的頂部形成一個壓力拱，只有壓力拱下面的荷載傳遞給中間巖柱，這也解釋了中間巖柱上圍巖的應力和變形均減小。

2. 2. 3隧道圍巖塑性區分布

不同凈距下圍巖塑性區分布云圖見圖6。從圖6可以看出：隧道開挖后由于應力重分布，導致洞周圍巖發生剪切破壞進而引起塑性區向圍巖內部深處發展。當兩隧道凈距為0. 67B時，兩隧道洞周1. 00B之內的圍巖均發生了塑性變形，塑性區呈“蝴蝶狀”分布，背向中間巖柱側的拱腰部位塑性區發展范圍更大，為1. 30B左右。隨著兩隧道凈距的增大，洞周塑性區范圍逐漸減小，中間巖柱區域的塑性區變化不明顯。隧道凈距達到2. 67B時，塑性區仍然貫通整個中間巖柱區域，而當凈距≥3. 33B時，僅在兩隧道的洞周形成塑性區，中間巖柱區域圍巖沒有完全進入到塑性區。對于新城子隧道而言，當兩隧道凈距＜3. 33B時，可認為其已處于小凈距范圍，在考慮支護參數時應該按照小凈距隧道的要求進行設計，這與《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）中對于Ⅴ級圍巖，當中間巖柱厚度＜3. 5B時即當做小間距隧道處理的結論相符。

圖4　不同凈距下兩隧道圍巖的最大主應力云圖

圖5　兩隧道中軸線上不同埋深的最大主應力

圖6　不同凈距下圍巖塑性區分布云圖

3　結論

1）當凈距為0. 67B～2. 00B，兩隧道中間巖柱上各測點水平位移值隨凈距減小而減小；當凈距為2. 00B ～4. 00B，隨凈距減小而增大。

2）對于高地應力軟巖隧道，拱頂沉降值、最大跨以及左右拱腳處水平收斂值較大，而拱腰和墻腳處的水平收斂值較小；凈距大小的變化對中間巖柱上最大跨部位的水平位移影響十分顯著，而對上側和下側部位的影響相對較小。

3）圍巖塑性區主要集中在洞周輪廓外1B及中間巖柱體的范圍內。隨著兩隧道凈距的增大，塑性區逐漸減小，圍巖穩定區逐漸變大。當凈距≤2. 67B時，中間巖柱完全進入到塑性區；當凈距＞3. 33B時，兩隧道中間巖柱塑性區沒有完全貫通。因此，小凈距隧道施工中需加強對隧道中間巖柱上位移的監測，必要時需要采取措施對周邊塑性區進行加固。

4）隧道背向中間巖柱側的圍巖應力和變形都隨著凈距的增大而減小，中間巖柱側圍巖的應力和變形在凈距為2B時達到最大值。

5）對于Ⅴ級圍巖隧道，當中間巖柱厚度＜3. 33B時，即可按照小凈距隧道考慮。

參考文獻

［1］中華人民共和國交通部. JTG D70—2004公路隧道設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］段方倩.軟弱圍巖中小凈距公路隧道的穩定性分析［D］.長沙：中南大學，2008.

［3］杜菊紅.小間距隧道動態施工力學研究［D］.上海：同濟大學，2008.

［4］劉艷青，鐘世航，盧汝綏，等.小凈距并行隧道力學狀態的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（5）：590-594.

［5］趙斌，敖芃，李文濤.不同埋深下小凈距隧道最優凈距的探討［J］.鐵道建筑，2013（6）：68-71.

（責任審編葛全紅）

Numerical Analysis on Mechanical Behavior of Soft Rock Tunnels Section with Small Space in Construction

LYU Xianfu1，2，LIU Yang2，WU Xiaojun2，LIU Zhiqiang2，ZHAO Zhanqun1，2
（1. Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. China Railway Southwest Research institute Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 611731，China）

AbstractT aking Xinchengzi tunnel of Lanyu railway as the engineering background，the stress distribution，internal displacement of surrounding rock and the plastic zone distribution of tunnel structure with different space was simulated by using finite difference software FLAC3D. T he results showed that the horizontal convergence value of the maximum span and the left and right arch feet，and vault settlement value is large，but horizontal convergence value of the arch waist and the wall feet is smaller，the change of tunnel space has a very significant influence on the horizontal displacement value at the maximum span position of the middle rock pillar while has a small influence on the horizontal displacement value near the upper and lower parts，the stress field similar to the single tunnel excavation is formed when the net distance is 0. 67～1. 33 times of the tunnel excavation section width，and the performance is more obvious with the smaller tunnel space，forⅤclass surrounding rock tunnel，a small space tunnel should be considered when the middle rock pillar thickness is smaller than 3. 33 times of the tunnel excavation section width.

Key wordsSoft rock；Small space tunnel；Large deformation；Numerical analysis；Surrounding rock pressure

中圖分類號U455. 4

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 18

文章編號：1003-1995（2016）06-0066-04

收稿日期：2015-03-10；修回日期：2016-04-05

作者簡介：呂顯福（1990—），男，碩士研究生。