軟弱圍巖淺埋小凈距隧道合理凈距影響因素探討

李松, 陳秋南, 黃林華

(1.湖南科技學院 土木與環境工程學院, 湖南 永州 425000；2.湖南科技大學 土木工程學院)

當前，小凈距隧道成為高速公路和高速鐵路中常見的結構形式，其上下行導洞開挖對圍巖穩定的影響成為重要的研究內容。近年來，小凈距隧道施工關鍵技術一直得到較多學者的研究，針對小凈距隧道合理凈距的討論也有比較多的成果，研究者們大多通過數值模擬分析中間巖柱塑性區的方法來確定合理凈距，有研究者采用屈服接近度、中間巖柱應力應變等方法來確定合理凈距，也有學者嘗試推導簡化的解析解。現行隧道設計規范中以隧道跨度和圍巖等級兩個因素來界定小凈距隧道與分離式隧道，考慮的因素較少，特別是大斷面小凈距隧道的安全凈距沒有明確規定，但是，決定小凈距隧道合理凈距的因素有很多，目前無論哪一種研究手段對于這個問題的研究都具有一定局限性，很多研究成果試圖建立隧道跨度與合理凈距之間的關系，但是單純建立隧道跨度與合理凈距之間的關系參考意義有限。該文將考慮不同跨度、埋深、高度和初始地應力等條件，進行數值模擬對比分析，研究各因素對小凈距隧道合理凈距的影響。

1 不同類型隧道的合理凈距

1.1 模型建立

JTG D70-2004《公路隧道設計規范》提供了兩車道和三車道公路隧道標準內輪廓斷面圖紙，TB 10020-2009《高速鐵路設計規范》中也提供了250 km/h和350 km/h的高鐵隧道標準內輪廓斷面圖紙，實際設計時在滿足隧道建筑限界要求的條件下設計成果一般與標準圖紙略有差異，以表1中不同斷面隧道作為此次數值計算的對象，隧道開挖斷面參數來源于實際工程設計圖紙。

表1 隧道開挖斷面參數

注：高度為仰拱底至拱頂的高差。

通過FLAC3D建立Ⅴ級圍巖隧道模型，強度準則為摩爾-庫侖準則，其圍巖計算參數見表2。

表2 圍巖計算參數

按JTG D70-2004《公路隧道設計規范》，淺埋隧道和深埋隧道的分界深度與隧道的跨度有關，表1中兩車道二級公路隧道在Ⅴ級圍巖中的分界深度約26 m，據此分析，其余隧道分界深度大于26 m，故將模型隧道埋深統一取25 m，所有隧道模型理論上均為淺埋隧道。

模型左右邊界200 m，上下邊界100 m，進深1 m。

初始地應力由自重形成，側壓力系數(水平地應力系數)λ為0.5。

考慮最不利情形，所有模型均不施加支護結構，一次性開挖。

為了方便敘述，下文稱本組模型中的高速公路兩車道隧道模型為模型1。

模型網格在以下分析結果中列出，此處不再單列。

1.2 計算結果

對各類型隧道建立不同凈距的小凈距隧道模型，以中間巖柱塑性區不貫通為安全凈距，各類隧道塑性區分布特征及合理凈距見表3。

表3 各類隧道塑性區特征及合理凈距

注：① 分界凈距為中間巖柱塑性區貫通條件下的最大凈距；② 塑性貫通區最低點高度為模型底部至塑性貫通區域最低點的距離。

1.3 結果分析

圖1為不同類型隧道的跨度與合理凈距的關系，圖2為二級公路兩車道隧道和250 km/h單線高鐵隧道分界凈距時的塑性區。計算結果表明：隨著隧道跨度的增大，合理凈距也隨之增大，但是不同類型隧道的跨度與合理凈距之間并非線性關系，比較二級公路兩車道隧道和250 km/h單線高鐵隧道合理凈距可看出，把合理凈距表示為跨度的倍數是不合適的。從塑性區開展深度來看，貫通區的最低點相差不大，但是計算過程中隧道的凈距在增大，所以中間巖柱的塑性區開展方向的角度也在增大，隧道設計過程中確定圍巖壓力時應當對滑動破裂角進行修正。

圖1 隧道跨度與合理凈距關系

2 埋深對合理凈距的影響

2.1 模型建立

隧道類型選高速公路兩車道隧道，圍巖等級為Ⅴ級圍巖，參數見表1、2，維持模型1下邊界不變，增加上邊界高度分別建立25、27、29、31、33 m共5種埋深的隧道模型，初始地應力及開挖支護見模型1。

2.2 計算結果

對各種埋深的小凈距隧道建立不同凈距的模型，以中間巖柱塑性區不貫通為安全凈距，各種埋深條件下塑性區分布特征及合理凈距見表4。

2.3 結果分析

圖3為隧道埋深與合理凈距的關系，圖4為埋深分別為27、33 m的圍巖塑性區。計算結果表明：隧道埋深與合理凈距大致呈線性關系，埋深越大，合理凈距也越大，塑性貫通區的高度隨埋深增大而增大。隧道埋深增大則圍巖壓力增大，安全凈距也隨之加大，在可預見的范圍內，小凈距隧道合理凈距將按此規律變化，文獻[9]確定的淺埋隧道圍巖壓力計算方法與該數值模擬結果不矛盾，而一般情況下隧道埋深大圍巖更穩定，故用此數值方法來確定深埋小凈距隧道合理凈距則不合理，更何況深部圍巖的力學參數和初始地應力與淺部圍巖有較大差異。摩爾-庫侖強度準則由大小主應力決定圍巖剪切破裂角，計算結果也表明中間巖柱塑性區開展方向的角度隨埋深增大而增大，所以進行小凈距隧道圍巖壓力設計計算時，也應該考慮埋深對破裂角的影響。

圖3 隧道埋深與合理凈距的關系

圖4 圍巖塑性區分布

3 初始地應力對合理凈距的影響

3.1 模型建立

隧道類型選高速公路兩車道隧道，圍巖等級為Ⅴ級圍巖，參數見表1、2，隧道埋深取25 m，分別建立側壓力系數λ=0.5、0.45、0.4、0.35共4種隧道模型，模型邊界及開挖支護同模型1。

3.2 計算結果

對不同側壓力系數的小凈距隧道建立不同凈距的模型，以中間巖柱塑性區不貫通為安全凈距，各條件下塑性區分布特征及合理凈距見表5。

表5 不同初始地應力條件下隧道塑性區特征及合理凈距

3.3 結果分析

圖5為側壓力系數與隧道合理凈距的關系，圖6為λ=0.4和λ=0.35時合理凈距模型的圍巖塑性區分布。隨著側壓力系數減小，合理凈距隨之增大，中間巖柱上部塑性貫通區高度隨之增高，而中間巖柱拱腳處塑性區開展明顯比拱腰處深，λ=0.35時，隧道間距達到28 m時拱腳處塑性區仍然貫通。側壓力系數決定了自重初始應力場，以上計算結果表明側壓力系數對圍巖的穩定性影響很大，而文獻[9]推薦的Ⅴ級圍巖側壓力系數為0.3～0.5，故設計小凈距隧道時選擇合理凈距和支護結構時應當重視側壓力系數的取值。

圖5 側壓力系數與合理凈距的關系

圖6 圍巖塑性區分布

4 隧道高度對合理凈距的影響

4.1 模型建立

參照高速公路兩車道隧道的跨度和高度，建立跨度為12.6 m，高度分別為10.6、11.6、12.6、13.6 m共4種不同高度的隧道模型，為方便模型建立，隧道邊墻為直墻，不帶仰拱。

模型為Ⅴ級圍巖，參數見表2，隧道埋深均為25 m，側壓力系數λ=0.5，模型邊界、初始地應力及開挖支護同模型1。

4.2 計算結果

對不同高度的小凈距隧道建立不同凈距的模型，以中間巖柱塑性區不貫通為安全凈距，各條件下塑性區分布特征及合理凈距見表6。

表6 不同高度隧道塑性區特征及合理凈距

4.3 結果分析

圖7為隧道高度與合理凈距的關系，圖8為隧道高度10.6、13.6 m時的圍巖塑性區。埋深不變的條件下，隧道高度與隧道埋深有較強的線性關系，大致上高度增加1 m，合理凈距增加2 m，這一結果與二級公路兩車道隧道和250 km/h單線高鐵隧道合理凈距的計算結果相似。隧道高度為10.6 m時的計算結果與表2中計算結果有出入，表2中二級公路兩車道隧道合理凈距計算結果為20 m，此處相同跨度和高度的隧道模型計算結果為23 m，說明斷面形狀對圍巖應力場的重新分布有明顯的影響，從而對合理凈距有顯著的影響。中間巖柱塑性貫通區高度隨隧道高度增加而增加，同樣表明圍巖塑性區開展方向的角度隨高度增大而增大，設計計算圍巖壓力時應當考慮隧道斷面形狀和高度的影響。

圖7 隧道高度與合理凈距的關系

圖8 圍巖塑性區

5 偏壓對合理凈距的影響

5.1 模型建立

隧道類型為高速公路兩車道隧道，圍巖等級為Ⅴ級，參數見表1、2，左右隧道拱頂連線中點埋深為25 m，分別建立坡比1/8、1/6、1/4、1/3、1/2共5種偏壓隧道模型，模型下邊界及開挖支護同模型1。

5.2 計算結果及分析

以中間巖柱塑性區不貫通為安全凈距判定標準，除坡比1/2外，其他偏壓條件下的合理凈距均為20～21 m，圖9為20 m凈距時各偏壓條件下塑性區分布情況。

圖9 圍巖塑性區分布(凈距20 m)

計算結果表明：從中間巖柱穩定性的角度來分析，偏壓對合理凈距的影響并不明顯，但對圍巖塑性區的影響很大，隨著偏壓程度增加，埋深大的那一側隧道圍巖塑性區開展范圍增大，當偏壓達到一定程度，中間巖柱、邊坡及埋深大的一側隧道圍巖穩定性的危害急劇增大。

6 結論

通過對不同跨度、埋深、高度和初始地應力等條件下的軟弱圍巖淺埋小凈距隧道進行數值模擬分析，得到以下結論：

(1)跨度作為小凈距隧道合理凈距的重要影響因素，并不應該成為唯一決定性因素，小凈距隧道的合理凈距與隧道埋深、地應力和隧道高度等條件密切相關。

(2)小凈距隧道合理凈距隨隧道埋深加大而逐步增大，在可預見的范圍內，小凈距隧道合理凈距將按此規律變化下去，這與工程實際情況不一致，所以在進行數值模擬確定深埋小凈距隧道合理凈距時，應當改變計算手段。

(3)圍巖側壓力系數減小，小凈距隧道合理凈距隨之增大，而且中間巖柱拱腳處塑性貫通區甚至先于拱腰處出現，故設計小凈距隧道時應當高度重視側壓力系數的取值。

(4)隧道高度對小凈距隧道合理凈距也有一定的影響，相同埋深相同跨度的小凈距隧道，其合理凈距隨高度增大而增大。

(5)隧道埋深、側壓力系數及隧道斷面形狀等因素影響了圍巖初始應力場和重分布應力場，小凈距隧道中間巖柱塑性區開展方向的角度也隨之改變，設計計算圍巖壓力時應當考慮這些因素。

(6)偏壓對合理凈距的影響并不明顯，但對圍巖壓力塑性區的影響很大，當偏壓達到一定程度，中間巖柱、邊坡及埋深大的一側隧道圍巖穩定性的危害急劇增大。