軟巖大變形隧道小凈距段變形及受力分析

楊加強

(中鐵二十五局集團有限公司華東區域指揮部， 江蘇 南京 210000)

如今國民經濟水平不斷提升，社會各界也越來越重視道路施工質量，再加上隧道項目在道路項目中占據極其重要的地位，在規劃設計的時候，就要深入研究其地質及地形環境，進而使隧道項目的建設效果充分體現出來。鑒于此，研究軟巖大變形隧道小凈距段變形及受力特性尤為重要。文章的主要研究對象就是軟巖地質環境下的隧道小凈距段的變形與受力特性。

1 小凈距隧道國內外研究現狀分析

分析國內公路建設的現狀能夠得出，現今道路項目建設的主要內容就是中西部區域的道路建設。而中西部區域的地形及地質環境具備顯著的復雜性及特殊性，鑒于此，在隧道項目施工中一定要重視軟巖大變形隧道項目中小凈距隧道施工工藝的實際運用。在軟巖大變形隧道項目的實際施工中，受力強度、施工材料及支護架構的形式等均會在很大程度上影響其變形大小。研究軟巖隧道變形的根本機制之后能夠得出，大變形產生的根本原因涵蓋下面幾點：（1）水洗之后的軟巖隧道出現膨脹變形現象的幾率較大，如果軟化現象更加嚴重，就會顯示出明顯的流變特性，進而導致變形愈演愈烈[1]。（2）由于地應力場的存在，隧道開挖操作完成之后，隧道圍巖所承受的應力載荷大于其能夠承受的范圍，就會產生嚴重的塑性變形問題。

現今，科學技術不斷發展，小凈距隧道施工工藝同樣得到突破性的成就，進而使隧道項目實際施工中凈距問題能夠得到妥善處理，在現代隧道項目研究領域中這也是一大研究熱點。合適的隧道凈距應該能使鄰近隧道間的巖柱能夠符合特定強度及穩定程度，進而使隧道項目的施工不會影響或是破壞項目，鑒于此，科學的凈距研究能夠促進隧道項目穩定性及安全性的有效提升。

2 軟巖隧道小凈距段數值分析

2.1 小凈距隧道的概念

在進行特殊隧道布局的過程中，應該基于各種圍巖等級下凈距的實際標準值，進行設計及施工，并且在實際操作中，雙洞洞壁凈距非常小，開展獨立的雙洞研究就不具備很好的可行性。各種圍巖等級下的凈距值和隧道開挖斷面的寬度W之間的關聯性較好，如果圍巖等級是一級，并且凈距是1.0W，那么二級時凈距就是1.5W，相應的，可以得到三級、四級、五級、六級時凈距為分別是2.0W、2.5W、3.5W、4.0W。而臨近隧道凈距的最小值應該基于圍巖的 6個等級進行設計，其實就是根據隧道開挖斷面寬度進行凈距標準值的設計，進而設計雙線隧道最小凈距的取值區間[2]。

2.2 軟巖擠壓性大變形隨道不同凈距的分析

對軟巖擠壓性大變形隧道不同凈距背景下的特性進行分析，其實就是要得出科學的凈距值，進而使隧道項目施工中的安全性及質量得到保障。比如某一隧道項目為了使項目整體質量得到保障，在實際作業進行之前，有效分析并模擬了各種凈距條件下的隧道項目參數值，也就是在模擬時，導入了 7種不同的凈距值（0.67W、1W、1.35W、2W、2.7W、3.33W、4.3W）。該隧道項目的實際埋深是395m，在模擬的時候為了使建設過程得到簡化，釋放了隧道 65%的應力，進而將隧道的圍巖控制在塑性狀態中。模擬時，采取全斷面開挖的方法，并基于此進行毛洞開挖及支護，還能夠有效研究隧道的變形特性。

模擬過程中要進行設置的參數主要有兩種，分別是圍巖參數及支護參數，要想模擬結果的有效性、可靠性得到極大的提升，在實際設置時，按照下面的標準進行圍巖相關參數的設計：P是2000kg/m3， E是0.8GPa，μ是0.4，c是0.2MPa，φ是20度；支護參數：P是2500kg/m3，E是20GPa，μ是0.25，厚度是0.2m。基于各區域位置，進一步研究凈距值改變而引起的變形現象，選擇隧道中的 9個極具代表性的點，位移變化特性詳如圖1所示[3]。

針對隧道變形特性進行深入分析的時候，對應力釋放率引起的影響一定要重視，并且在實際模擬時，設置了30%、50%、65%的應力釋放率值。借助動態檢測各監測點，得出下面幾點結論：（1）拱頂、背向中間巖柱的變形和應力釋放率之間基本沒有關聯，并且基于實際模擬結果能夠得出，上述區域的凈距值與位移形變之間呈負相關；（2）隧道支護竣工之后，其變形和隧道的應力釋放率之間的關系是負相關的；（3）應力釋放率及凈距均會在一定程度上影響中間巖柱上監測點的位移變形程度，在各種應力釋放率的條件下，會產生不同的監測點位移改變，還會在凈距值上升到特定值的時候，產生位移變形的最大值，也就是 65%應力釋放率所對應的變形峰值；（4）在應力釋放率達到30%、50%、65%的條件下，其凈距值分別是1W、1.35W、2W[4]。

圖1 隧道周邊位移監測點和選取位置示意

另外，借助模擬分析的結果能夠總結出不同凈距條件下隧道各個部位的位移特性，還能夠在中間巖柱監測點位移變化位移的基礎上，能夠開展有效的分析。借助模擬試驗能夠得出，在特定凈距值的時候，中間巖柱的位移變化會產生改變，也就是凈距值＜2W的時候，隧道中間巖柱各點的變形與凈距值呈正相關關系，如果凈距值的范圍在2W～4W，各個監測點的位移與凈距值呈負相關關系。鑒于此，就隧道中間巖柱位置而言，2W是變形中間值，并且凈距值的范圍在0.67W～4W的時候，中間巖柱的變形較小。

3 不同凈距下隧道圍巖應力分析

在隧道圍巖中，其應力分布及受力特性會在很大程度上影響著其穩定性，如果隧道開展了開挖作業，圍巖應力的分布特性同樣會出現極大的改變。就軟巖隧道來說，如果在隧道洞周，圍巖應力的分布特性及規律不科學，就會導致支護架構的承受荷載改變，進而使其穩定性與項目施工的整體水平受到很大的影響。鑒于此，在針對各種凈距系隧道圍巖應力特性進行分析的時候，應該運用最大主應力及最小主應力發揮出特征分析值的作用。

分析模擬結果能夠得到，隧道拱頂上的最大主應力及最小主應力范圍分別是-4～-4.5MPa、-7～-8MPa。并且，凈距值的改變，會在一定程度上影響隧道各個區域的最大主應力及最小主應力，如果凈距值超過2W，在隧道邊墻中，相較于中間巖柱側應力來說，背向隧道中間巖柱側應力稍微小一些。如果凈距值＞2W，隧道的應力場就會顯示出明顯的分離問題，相較于中間巖柱背向中間巖柱來說，中心區域的應力更大[5]。

如果凈距的范圍是 0.67W～1.35W，就會產生最小的中間巖柱最大主應力，如果凈距的范圍是2W～4W，中間巖柱最大主應力會急劇增加，其原因是隧道的凈距范圍是 0.67W～1.35W，隧道開挖施工產生的應力場及單洞開挖施工產生的應力場具備較大的相似性，換而言之，凈距與中間巖柱變形大小是正相關關系。

4 結束語

綜上所述，文章深入闡述了小凈距隧道研究現狀、軟巖隧道小凈距段變形特性、各凈距下隧道圍巖應力特性，最終得出以下結論：隧道各階段的變形特性由于應力釋放率及凈距值的存在，各應力釋放率條件下的變形峰值存在較大的差異，并且凈距值也是不同的。隧道中間巖柱各監測點的水平收斂值變化特性：如果凈距是0.0672W，變形大小與凈距呈正相關；如果凈距的范圍是2～4W，變形大小和凈距呈負相關。

[1]劉陽.軟巖大變形隧道小凈距段變形與受力分析[D].北京：中國鐵道科學研究院，2015.

[2]施玉晶.軟巖大變形小凈距隧道支護結構研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[3]任文效.軟巖大變形小凈距隧道施工方案優化研究[D].蘭州:蘭州交通大學，2014.