小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

杜 飛

(中鐵十八局集團第四工程有限公司， 天津 300350)

小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

杜 飛

(中鐵十八局集團第四工程有限公司， 天津 300350)

鑒于小凈距隧道的特點，研究圍巖穩(wěn)定性的影響因素。以石家莊至冀晉界曹家莊公路曹家莊小凈距隧道為研究背景依托，采用FLAC3D有限差分法，模擬不同的凈距、埋深、施工順序等影響因素條件下，小凈距隧道的圍巖影響程度，得出有用結論，為類似工程做參考。

小凈距隧道； 有限差分法； 穩(wěn)定性

1 概述

圍巖失穩(wěn)模式和影響穩(wěn)定性的主要因素是高速公路小凈距隧道修建過程中的關鍵研究問題。在偏壓條件下，給施工安全帶來風險和隱患。本文以高速公路小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定影響因素為主要研究對象，結合已經(jīng)順利完成施工的京昆高速公路晉冀界石家莊段曹家莊淺埋、偏壓、小凈距隧道，進行了較全面的FLAC3D有限差分法模擬計算。曹家莊小凈距隧道施工見圖1。

圖1 京昆高速晉冀界曹家莊小凈距隧道施工

2 小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素

2.1 計算參數(shù)

圍巖參數(shù)、圍巖加固參數(shù)及具體錨桿力學參數(shù)、初期支護噴射混凝土力學參數(shù)分別見表1～表3。

表1 圍巖及加固區(qū)計算參數(shù)

本次模擬計算使用巖土工程專業(yè)軟件FLAC3D進行有限差分法模擬，根據(jù)其單元特性選擇實體單元進行模擬圍巖以及支護結構體。模型中x軸方向為水平方向,向左為正；y軸為開挖縱向,以開挖方向為正；z軸為豎直方向,以豎直向上為正，具體模型見圖2。

表2 錨桿力學參數(shù)

表3 初期支護計算力學參數(shù)

2.2 施工順序優(yōu)化

在隧道施工時，先里后外(先開挖深埋側，再開挖淺埋側)，還是先外后里(先開挖淺埋側，再開挖埋深側)，往往是施工中關鍵的問題。因此，采用數(shù)值模擬，以V級圍巖為例進行計算，不考慮注漿加固和支護結構條件下，不同施工順序條件開挖引起圍巖變形情況見圖3。

從圖3(a)可以看出，“先里后外”施工引起隧道最大沉降為2.94cm。從圖3(b)可以看出，如果采用“先外后里”施工，最大沉降為2.47cm。因此，施工采用“先外后里”，即先開挖淺埋側，再開挖埋深側，有利于隧道整體圍巖穩(wěn)定性。

2.3 不同隧道凈距對比分析

2.3.1 先行洞拱頂沉降影響

數(shù)值模擬過程中，考慮支護結構的作用，不同凈距條件下，先行洞拱部沉降最大值見圖4。

(a)整體模型

(b)襯砌結構

(a)先里后外

(b)先外后里

(a)埋深10 m

(b)埋深20 m

(c)埋深40 m

(d)埋深80 m

從圖4看出,隨著凈距的增大，先行洞(右洞)拱部沉降減小。對于Ⅲ級、Ⅳ級圍巖來說，凈距大于或等于6m時，拱部沉降基本穩(wěn)定。而對于Ⅴ級圍巖，間距大于等于16m時，位移才能穩(wěn)定。對于小凈距隧道，當凈距很小時，由于變形相互疊加和影響，有大跨整體變形的趨勢。隨著凈距增大，雙洞變形慢慢分開，向著單洞變形發(fā)展。拱部沉降最大值均發(fā)生在斷面大后行洞拱部，且靠近中巖墻一側。

2.3.2 后行洞拱頂沉降影響

各種凈距條件下，后行洞(左洞)拱部變化曲線見圖5。

從圖5看出，后行洞相對先行洞來說，拱部沉降最大值更大。不同級別圍巖沉降差別明顯，Ⅳ級圍巖變形基本上是Ⅲ級圍巖變形2倍以上，Ⅴ級圍巖更大。均隨著凈距的增大，變形逐漸減小。

(a)埋深10 m

(b)埋深20 m

(c)埋深40 m

(d)埋深80 m

2.4 埋深對中巖墻塑性區(qū)影響

不同凈距條件下，中巖墻彈性區(qū)厚度曲線見圖6。

從圖6看出，對于凈距較小時，不管埋深多少，Ⅲ級圍巖呈現(xiàn)明顯彈性，Ⅳ級圍巖呈現(xiàn)彈塑性，Ⅴ級圍巖完全塑性。隨著間距的增大，中巖墻彈性區(qū)厚度隨著埋深增大，呈線性增大，說明逐漸呈現(xiàn)單洞特性，間距12m為最小安全凈距。

(a)凈距2 m

(b)凈距3 m

(c)凈距4 m

(d)凈距6 m

(e)凈距8 m

(f)凈距12 m

(g)凈距16 m

(h)凈距24 m

3 結論

針對曹家莊小凈距隧道的施工順序，“先里后外”施工引起隧道最大沉降為2.94cm，而“先外后里”施工最大沉降為2.47cm。因此施工中采用“先外后里”，即先開挖淺埋側，再開挖埋深側，有利于隧道整體圍巖穩(wěn)定性。FLAC3D數(shù)值模擬計算的結果表明，后行洞(深埋測左洞)相對先行洞(淺埋測右洞)來說，拱部沉降最大值更大。不同級別圍巖沉降差別明顯，Ⅳ級圍巖變形基本上是Ⅲ級圍巖變形2倍以上，Ⅴ級圍巖更大。均隨著凈距的增大，變形逐漸減小。對于凈距較小時，不管埋深多少，Ⅲ級呈現(xiàn)明顯彈性，Ⅳ級圍巖呈現(xiàn)彈塑性，Ⅴ級圍巖完全塑性。

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[2] 楊建平.小凈距公路隧道支護時機對圍巖穩(wěn)定性影響研究[J].巖土力學，2008(2).

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[4] 唐雨春.小凈距隧道建設的若干問題總述[J].隧道建設，2007(2).

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杜飛(1985～)，男，本科，工程師，主要從事施工技術及施工管理工作。

U452.1+2

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[定稿日期]2016-09-06