淺埋并行大斷面隧道群合理凈距研究

楊 琨， 李 偉， 張 蕉， 高筠涵, 黃 翼

(1.中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401120； 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031; 3. 中鐵二局第五工程有限公司, 四川成都 610091)

山嶺隧道作為一種重要的越嶺方案，其建設里程隨著山區高速公路建設的發展而快速增長。現今高速公路設計車道數日益增多，10車道以上情況屢見不鮮。途徑山嶺時，一般采用隧道群洞的方式進行穿越，且由于地形和設計展線等因素使得小凈距隧道群洞由此應運而生[1]。根據JTJ 026-90《公路隧道設計規范》，一般可將凈距小于1.5倍洞徑或凈距介于分離式隧道和連拱隧道之間的隧道視為小凈距隧道[2-5]。

相較于分離式隧道，小凈距隧道中巖柱較為薄弱，且相鄰洞室間相互影響較大，選擇合理凈距可確保在不采取過多加固措施的情況確保隧道圍巖的穩定性。有鑒于此，國內學者對不同凈距對隧道圍巖-支護體系的影響作了一系列的研究：孫闖等[6]通過FLAC3D軟件分別對不同施工方案小凈距隧道開挖進行數值模擬,對不同工況中巖柱的塑性區分布情況進行分析，確定了最小合理凈距；趙乙丁等[7]通過數值模擬對不同凈距下盾構隧道施工相互影響規律進行分析，并得到了凈距與地表沉降槽寬度呈線性正相關,與沉降峰值、管片附加變形、接頭張開量和附加拉應力呈負相關的結論；姜汶泉等[8]提通過模型試驗模擬了V、IV、III級圍巖在30 m埋深和不同凈距(2～8 m)隧道的開挖過程,研究了毛洞及不同加固支護狀態下的地中位移、洞周位移增量、圍巖壓力隨凈距的變化規律,對比分析得到不同圍巖級別下的小凈距隧道的"合理"凈距；陳秋南等[9]基于FLAC3D軟件,研究了花崗巖殘積土圍巖小凈距隧道施工工法優化和不同偏壓率P對其最小合理間距的影響，并得到了相應工況下的最優凈距。

目前，一般認為小凈距隧道是根據隧道凈距進行來劃分，主要僅針對圍巖級別和隧道開挖斷面的寬度來進行分類，并沒有結合各方面因素來綜合確定。對于目前小凈距隧道合理凈距范圍還不明確，且也只針對雙洞隧道的最小凈距進行劃分，沒有考慮并行多洞分離式隧道的最小凈距及劃分該標準的影響因素，故以龍泉山四洞并行小凈距隧道群工程為依托背景，開展淺埋條件下，四洞并行隧道群洞的合理凈距的研究。

1 工程概況

龍泉山1號、2號隧道均為四洞并行小凈距隧道群，從左至右依次為D1線(兩車道)、K線(三車道)、D2線(三車道)和D3線(兩車道)隧道。地勘資料表明，隧道圍巖級別主要以Ⅳ級和Ⅴ級為主，以1號隧道中間三車道隧道K線地質為例，隧道的縱向剖面圖見圖1。

圖1 龍泉山1號K線隧道縱剖面

依據四川省紅層地區施工經驗，隧道凈距在1.5倍以下隧道開挖寬度(約25 m)時，需要加強重點環節施工控制及監控量測，而對于隧道凈距在15 m以下，則對中巖墻進行加固。龍泉山1號和2號隧道凈距一般在10～40 m之間，而根據表1對中巖墻需要加固區段的統計可知，隧道凈距較小的部位均集中在1號隧道進出口埋深較小的位置。故圍繞龍泉山一號隧道進出口段Ⅴ級圍巖埋深較小工況開展隧道的合理凈距研究。

表1 隧道凈距15m以下中巖柱加固區段統計

2 數值模型及參數選取

模型采用MidasGTSNX建模后導入FLAC3D進行計算，左右邊界距兩車道隧道5倍洞徑以消除邊界效應，計算中隧道埋分別取20 m和40 m(即上邊界距隧道頂部20 m和40 m)，并取W/B(W為隧道凈距，B為三車道隧道最大開挖寬度)為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50等六種不同凈距共計12種工況進行模擬，支護結構均采用實體單元模擬，具體建模情況如圖2、圖3所示。

圖2 隧道群三維模型網格劃分

圖3 小凈距隧道群不同凈距模型網格劃分

為保證研究影響因素的單一變量原則，在研究隧道群合理凈距上，在每種計算工況下只改變隧道凈距的變化，其它參數均保持一致，具體滿足以下原則：

(1)各隧道開挖工法均采用臺階法開挖，臺階長度6 m，開挖循環進尺1 m，且開挖順序采用并行同步開挖，不考慮隧道開挖掌子面錯距(雖然不采用同步開挖已是基本共識，而本文內容為凸顯隧道凈距影響，采用同步并行開挖)。

(2)各隧道均采用相同支護參數，具體圍巖和支護體現物理力學參數見表2、表3。

表2 圍巖基本物理力學參數

表3 Ⅴ級圍巖支護結構物理力學參數

3 計算結果分析

從兩方面分析和研究兩種埋深條件下隧道不同凈距的影響：

(1)從隧道支護結構變形入手，把兩車道和三車道隧道初期支護結構拱頂沉降和收斂位移作為其中一個判別指標，由于隧道群呈對稱分布且同步開挖，故對中軸左側兩車道和三車道隧道初期支護結構變形進行分析研究。

(2)小凈距隧道圍巖的穩定性主要體現在隧道中間巖柱的受力狀態上，故另通過分析中間巖柱的豎向位移和受力情況，進一步輔助研究分析隧道凈距的影響。

3.1 初期支護、中巖柱變形結果

圖4為初支結構變形計算結果，圖4(a)、圖4(b)分別為埋深20 m和40 m時豎向位移隨W/B變化情況，圖4(c)、圖4(d)分別為埋深20 m和40 m水平收斂位移隨W/B變化情況，從中可以看出，兩種埋深條件下，兩車道、三車道隧道初期支護沉降和水平收斂位移均隨著隧道凈距的增大而逐漸減小且當凈距小于某值時，豎向、水平位移陡增，不同在于，埋深20 m情況下，W/B≤0.50陡增；埋深40 m情況下，W/B≤0.75陡增，即埋深越大，圍巖變形對凈距變化的反映越敏感。

圖4 初支結構變形計算結果

圖5為中巖柱變形計算結果，圖5(a)、圖5(b)分別為埋深20 m時兩車道-三車道、三車道-三車道中巖柱豎向位移隨W/B變化情況，圖5(c)、圖5(d)分別為埋深40 m時兩車道-三車道、三車道-三車道中巖柱豎向位移隨W/B變化情況。由圖可以推出如下規律：

圖5 中巖柱變形計算結果

(1)兩種埋深條件下，兩處中巖柱的豎向位移曲線均呈“類拋物線”分布，各工況下中巖柱正中位置測點位移值均最小，隨測點遠離正中位置，位移值逐漸增大；

(2)三車道-三車道中巖柱各測點豎向位移以中巖柱中線為軸對稱分布，而兩車道-三車道計算結果中靠三車道隧道一側，沉降更大；

(3)隨W/B減小，各測點位移值均逐漸增大，埋深20 m條件下，W/B≤0.5時，測點沉降陡增，埋深40 m條件下W/B≤0.75時，測點沉降陡增，且距離正中位置越遠(距離洞壁越近)，沉降變化幅度越大。

3.2 中間巖柱受力結果

圖6為20 m埋深時圍巖主應力云圖(W/B=0.50、1.00和1.50三組工況)，可以看出，小凈距隧道群開挖后，圍巖最小主應力和最大主應力較大者主要集中分布在隧道中間巖柱區域，而K、D2線隧道之間中巖柱尤為明顯，說明中間兩三車道隧道之間圍巖受力最為不利；另外，隨著隧道凈距的不斷增大，圍巖內部最大(最小)主應力的最大絕對量值均隨著凈距的增大在不斷的減小，而且不再向隧道中間巖柱集中分布，說明小凈距隧道中間巖柱的圍巖的穩定性隨著凈距的增大有所改善。40 m埋深云圖規律基本一致，此處不再贅述。

圖6 20 m埋深時圍巖主應力云圖(單位：MPa)

為分析隧道中間巖柱的受力變化情況，分別對兩車道隧道D1線和三車道隧道K線、三車道K線和三車道D2線的中間巖柱進行監測，包括中間巖柱中心線上的上、中、下的監測點，監測點布置見圖7。

圖7 中間巖柱監測選取位置示意

通過對小凈距隧道中間巖柱不同部位的監測點的主應力進行統計，繪制了隧道群埋深分別為20 m、40 m時隧道中間巖柱受力隨凈距變化曲線圖，而中巖柱各測點均不存在拉應力，故僅對其最小主應力變化曲線圖進行分析，圖8(a)為20 m埋深，圖8(b)為40 m埋深。

圖8 中間巖柱最小主應力隨隧道凈距變化

從趨勢上來說，總體上上測點壓應力值小于其他區域，各工況下三車道—三車道中巖柱測點與兩車道—三車道中巖柱同水平線上測點，應力變化規律相似，量值相當。而隨各測點應力變化曲線主要分為兩種變化規律：一種為兩階段曲線，即最小主應力值隨凈距增大而減小，而前期減小幅度較大，W/B增至某值后曲線趨于平緩，數值趨于穩定，如埋深20 m時中、下部測點以及埋深40 m時各巖柱中部測點；另一種為三階段曲線，即最大主應力值先隨W/B增大而增大，增至某值后開始減小，而后曲線逐漸平緩趨于穩定，如埋深20 m時各巖柱上測點、埋深40 m時各巖柱上、下測點，且隨凈距增大，巖柱中線各測點應力值趨近于原巖應力。

而對比20 m與40 m埋深條件下各測點應力狀況發現，埋深增加對壓應力曲線前期斜率有較大影響，即當0.25≤W/B≤0.75時，隨埋深增加，壓應力曲線斜率有“由負變正”趨勢，即上測點壓應力增大區間增大幅度更大，中測點曲線減小幅度放緩，下測點曲線甚至出現反彎現象(壓應力曲線由減變增)。

4 結論

通過對龍泉山1號隧道20 m、40 m埋深條件下W/B=0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50共計12種工況進行的數值模擬得出如下結論：

(1)隨凈距減小，隧道初支、各隧道之間中巖柱變形均增大，且減小至某一凈距后，數值開始陡增；

(2)埋深越大，隧道、圍巖變形對凈距變化的反映越敏感。如初支和中巖柱位移變化情況，當埋深從20 m增至40 m后，隨W/B減小各項位移的陡增點均由0.5前移至0.75；

(3)就中巖柱壓應力而言，不同于初支和中巖柱位移趨勢，隨著埋深的增大，各側點壓應力不是一味隨凈距變大而下降且出現陡降，而是放緩了這種趨勢，即當0.25≤W/B≤0.75時，隨埋深增加，壓應力曲線斜率有“由負變正”趨勢，應力下降曲線越發平緩，甚至曲線前段出現壓應力隨凈距增加反而上升的情況。

結合上述結論，埋深不大于40 m時，現場施工過程中應關注W/B≤0.5區段的初支變形和中巖柱加固情況；埋深大于40 m時，應關注W/B≤0.75區段的初支變形和中巖柱情況，特別是W/B離0.5很近時，應重點關注中巖柱中下部圍巖，防止應力反增帶來的危害。即埋深在40 m以下時，凈距宜大于0.5B，埋深在40 m以上時，凈距宜大于0.75B，否則應對中巖柱進行適當加固。