偏壓隧道合理凈距及中夾巖柱穩定性分析

張維明

(中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

隨著我國鐵路隧道建設的迅速發展，復雜環境地質條件下的隧道建設工程逐漸增多，小凈距隧道相較于連拱隧道在工程造價及施工難度方面具有優勢，近年來在山區狹窄地形得到廣泛應用[1-2]。而在隧道施工過程中遇到復雜的地形條件時，容易出現隧道偏壓現象[3]，因此對偏壓小凈距隧道設計施工及安全穩定性的研究，具有十分關鍵的現實意義[4]。

有關偏壓小凈距隧道中夾巖柱的研究涉及圍巖參數的選取、中夾巖柱支護結構設計及圍巖穩定性分析等。在確定隧道圍巖力學參數方面，李耘宇等[5]考慮小凈距隧道先后行洞開挖之間的相互影響效應，推導得到淺埋小凈距隧道錨圍巖壓力計算公式；在小凈距隧道中夾巖柱加固方面，劉蕓等[6]結合具體工程，采用二維有限元計算方法提出了不同工程條件下中夾巖柱的加固方式；在偏壓小凈距隧道穩定性的數值計算研究方面，岳旭光[7]通過MIDAS/GTS軟件分析了不同的隧道間距對既有隧道襯砌振速、位移、應力造成的影響。目前，學者們對偏壓小凈距隧道的研究逐步取得了豐富的經驗和成果，但在選擇合理凈距和巖柱加固支護等方面仍待完善。

本文在前人研究的基礎上，通過數值模擬計算，確定了偏壓條件下清泉隧道的最小合理凈距，計算了小凈距隧道的內外側垂直壓力與兩側水平壓力，分析了不同支護條件下中夾巖柱的穩定性，確定錨噴+中夾巖柱長錨桿支護為較合理有效的支護方案。

2 工程概況

擬建隧道位于甘肅省天水市清水縣紅堡鎮清泉村境內，穿行于牛頭河左岸山體。設計為左右行分離式的雙洞短隧道。隧道左線進口樁號ZK134+993，出口樁號ZK135+283，隧道長290 m。右線進口樁號YK135+002.7，出口樁號YK135+270，隧道長267.3 m。

隧道地處構造剝蝕低中山地貌，地勢起伏較大，隧道路線經過高程約為1 246～1 352 m。隧道莊浪端進口處位于山體斜坡坡腳與牛頭河河谷交匯地帶，自然坡度約47°，上緩下陡，隧道中部山坡坡度較緩，約18°。天水端出口位于山體斜坡坡腳及牛頭河河谷交匯地帶，自然坡度約43°。

在勘察深度范圍內，隧址區地層上覆地層為第四系上更新統風積黃土，下伏基巖為下古生界黑云母石英片巖及華力西期二云母花崗巖，巖體較破碎，裂隙發育，屬較堅硬巖-堅硬巖，分布于隧址區基巖山梁下部，巖體中多分布石英片巖捕虜體，片理發育。

擬建隧道段圍巖等級為Ⅴ級，地面橫向偏壓角度為43°，隧道左右兩隧洞上覆土厚度相差較大，隧道偏壓現象明顯。

3 偏壓條件下清泉隧道合理凈距選擇

3.1 清泉隧道數值計算模型

清泉雙洞小凈距隧道建筑限界寬16.10 m，凈高10.78 m。隧道主洞內輪廓寬12.75 m，高9.58 m。

由于清泉隧道的橫斷面與縱向長度相比很小，可假定隧道只有橫向位移而縱向位移可忽略不計[8]，故可采用二維平面模型對清泉隧道的力學特性進行數值計算模擬分析，在縱向取0.1 m。數值計算模型計算邊界范圍的選取，以在開挖對隧道圍巖影響范圍內[9]可以反映計算結果并能縮短計算時間為原則，選取x方向上左右模型邊界為左右洞的隧道中心線并施加P2，z方向上的上、下模型邊界取110 m。因清泉隧道左右兩隧洞上覆土厚度相差較大，隧道偏壓現象明顯，因此在模型上邊界施加P1荷載模擬上覆土層壓力，底部邊界取固定邊界。圖1為數值計算模型及邊界條件，其中P1＝4 MPa，P2＝2 MPa，側壓力系數為0.5。

圖1 數值計算模型及邊界條件

3.2 數值計算確定合理凈距

以清泉隧道Ⅴ級圍巖為載體，基于Hoek-Brown應變軟化模型[10]，對D＝(0.2～2.1)B條件下的偏壓清泉隧道進行雙洞模擬開挖，D為小凈距隧道的凈距，B為隧道開挖寬度。通過觀察不同小凈距隧道開挖后中夾巖柱位置的塑性區貫通情況，來判斷合理凈距的取值，0.2～2.1倍凈距隧道開挖后中夾巖柱位置的塑性區分布如圖2所示。

圖2 0.2～2.1倍凈距條件下開挖后中夾巖柱的塑性區分布

小凈距隧道圍巖穩定性評判依據主要是中夾巖柱上部不出現拱形貫通區域[11]，由數值計算模擬雙洞開挖結果可知，當D＝(0.2～1.1)B時，中夾巖柱位置的塑性區的貫通狀態較為明顯；當D＝(1.2～1.4)B時，雙洞上部有接近塑性區的較大范圍，中間巖柱上部出現了潛在的拱形貫通區域；當D≥1.5B時，雙洞塑性區處于分離狀態。根據不同凈距隧道開挖后中夾巖柱位置的塑性區分布的數值計算結果，將清泉隧道合理凈距取值確定為D＝1.5B＝19.13 m比較合適。

4 清泉隧道中夾巖柱支護穩定性分析

4.1 理論計算圍巖壓力

小凈距隧道的中夾巖柱的厚度小，因此計算圍巖壓力及支護結構受力更加復雜。本文采用普氏理論的經驗公式對偏壓條件下清泉隧道的內外側垂直壓力與兩側水平壓力進行計算[12]。

圖3中，Bt為隧道單洞的開挖寬度(m)；q1和q2分別為小凈距隧道的基本垂直壓力荷載和附加垂直壓力荷載(kPa)。

圖3 小凈距隧道荷載分布示意

外側垂直壓力q外與內側垂直壓力q內由公式計算可得:

式中，hq1、hq2、h′q2分別為基本垂直壓力，外側附加垂直壓力和內側附加垂直壓力的荷載等效高度(m)。

兩側水平壓力，由公式計算可得:

4.2 支護結構設計

4.2.1 錨桿支護

使用φ22鎖腳錨桿L＝3 m，間排距為1.2 m，HRB235鋼墊。

4.2.2 噴射混凝土支護

選取C30普通硅酸鹽水泥，混凝土所能提供的最大承載力Pmax，shot按下式計算:

式中，σc＝30 MPa，為噴射混凝土的強度；tshot＝0.2 m，為噴射混凝土的厚度；R為隧洞的開挖半徑。

4.2.3 錨噴支護

結合錨桿支護與噴射混凝土支護，形成了錨桿、混凝土噴層和圍巖共同作用的體系，加強了結構面穩固性，減少變形的產生與發展。

4.2.4 錨噴+中夾巖柱長錨桿支護

本隧道凈距為D＝19.13 m，參照規范，在錨噴支護的基礎上，使用HRB400直徑為25 mm的長錨桿對中夾巖柱進行加固。

4.3 中夾巖柱支護穩定性分析

通過數值模擬計算分析清泉隧道Ⅴ級圍巖中夾巖柱在不同支護結構設計方案作用下的穩定性；通過分析小凈距隧道在支護后的塑性區分布及變形規律來評價小凈距隧道Ⅴ級圍巖中夾巖柱的穩定性。

4.3.1 錨桿支護后的穩定性分析

圖4為錨桿支護前后的塑性區分布及位移變化規律，由圖4a、4b可知，在無支護的條件下，在中夾巖柱的兩側出現明顯塑性區，擴展范圍較大，說明該區域是重點支護區域。由圖4c、4d可知，與無支護作用條件下相比，錨桿支護作用下圍巖垂直方向位移變化不大。通過采用錨桿進行支護后，塑性區的范圍得到一定的控制，但是效果并不明顯，只是在塑性區范圍內的剪切破壞范圍得到一定的控制?？梢姡瑑H選用錨桿支護不能有效地改善圍巖應力狀態，需進一步選擇更合理有效的支護結構。

圖4 塑性區分布及位移變化

4.3.2 噴射混凝土支護后的穩定性分析

圖5為噴射混凝土支護后的塑性區分布及位移變化規律，由圖5a可知，通過單獨采用噴射混凝土作為支護結構控制圍巖的塑性區，得到了較好的控制，對比支護前后的塑性區范圍，噴射混凝土后的塑性區范圍明顯減小，噴射混凝土支護能有效控制圍巖的塑性區發展。由圖5b可知，與無支護作用條件下相比，混凝土襯砌作用下圍巖垂直方向位移相對減小，與僅選用錨桿支護相比能夠有效地改善圍巖應力狀態。但是噴射混凝土支護屬于被動支護，特點是剛度大，并不能允許圍巖產生較大的變形，在新奧法中適宜與錨桿組合支護起到先柔后剛的支護效果。

圖5 噴射混凝土支護塑性區分布及位移變化

4.3.3 錨噴支護后的穩定性分析

圖6為錨噴支護后的塑性區分布及位移變化規律，由圖6a可知，通過采用錨桿與混凝土襯砌聯合作為支護結構控制圍巖的塑性區，得到了較好的效果，對比支護前后的塑性區范圍，聯合支護結構很好地控制了圍巖的破壞。由圖6b可知，與無支護作用條件下相比，錨桿與混凝土襯砌共同作用下圍巖垂直方向位移相對減小?？梢?，采用錨噴支護可以使圍巖的自承能力得到充分發揮，能夠在一定程度上控制小凈距隧道兩洞開挖后中夾巖柱中的塑性區發展，與僅選用錨桿支護或僅在襯砌作用下相比能夠有效地改善圍巖應力狀態。

圖6 錨噴支護塑性區分布及位移變化

4.3.4 錨噴支護與中夾巖柱長錨桿共同作用下的穩定性分析

圖7為錨噴支護與中夾巖柱長錨桿支護后的塑性區分布及位移變化規律，由圖7a可知，與無支護作用條件下相比，通過長錨桿加固中夾巖柱與錨噴支護后，中夾巖柱位置的塑性區范圍顯著減小，采用錨噴+中夾巖柱長錨桿支護，中夾巖柱的穩定性得到進一步的優化。由圖7b可知，與無支護作用條件下相比，通過長錨桿加固中夾巖柱后，垂直方向位移比錨噴支護的垂直方向位移小，錨桿、噴射混凝土以及中夾巖柱長錨桿共同作用下，隧道圍巖的應力狀態得到進一步的改善。由于小凈距隧道雙洞的凈間距較小，中夾巖柱的加固措施對小凈距隧道的穩定和結構受力十分關鍵，錨噴+中夾巖柱長錨桿支護針對清泉隧道Ⅴ級圍巖能夠取得較好的支護效果。

圖7 錨噴+長錨桿支護塑性區分布及位移變化

5 現場應用情況及效果分析

清泉偏壓隧道洞口及洞身采用小凈距施工方法，現場采用錨噴+中夾巖柱長錨桿支護方法有效控制了中夾巖柱的變形，提高了隧道圍巖的穩定性?，F場采用合理的小凈距參數及支護方法，提高了施工速度，減少了隧道支護成本及返修等工程費用，研究成果為工程創造了可觀的經濟效益，并具有推廣應用價值。

6 結束語

(1)通過數值模擬計算得到0.2～2.1倍凈距條件下兩洞開挖后中夾巖柱位置的塑性區分布情況，通過觀察不同小凈距隧道中夾巖柱位置的塑性區貫通情況分析其凈距的合理取值，選取偏壓條件下清泉隧道合理凈距為D＝1.5B。

(2)按規范計算小凈距隧道的圍巖壓力后，對不同支護方式進行數值模擬計算，得出錨噴+中夾巖柱長錨桿支護清泉隧道Ⅴ級圍巖為較合理有效的支護方案，研究成果在清泉小凈距隧道Ⅴ級圍巖施工中成功應用，并可為類似工程提供參考。