破碎巖層淺埋偏壓雙線隧道最優(yōu)凈距研究

王有旗

（中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，山東 青島 266100）

引言

在山區(qū)隧道進(jìn)行施工時(shí)，小凈距隧道合理凈距的取值在綜合考慮地形地質(zhì)狀況、隧道斷面情況以及具體隧道施工方案等影響因素情況下，按照所處圍巖等級進(jìn)行合理取值，總的原則是避免兩洞結(jié)構(gòu)彼此之間產(chǎn)生不利影響。

何珺[1]針對于小凈距隧道在結(jié)構(gòu)非對稱情況下，對隧道圍巖的計(jì)算理論、近接施工的影響區(qū)范圍等方面進(jìn)行研究分析。Sweeney 等[2]探究了處在不同位置的兩條隧道之間的互相影響，分析得出施工的先后順序會對隧道的力學(xué)特性產(chǎn)生的影響。王起才[3]等對臨近既有隧道處新建隧道開挖運(yùn)用有限元法模擬，分析隧道凈距對襯砌的影響。袁樹成[4]探究了新建隧道臨近既有隧道施工時(shí)對既有隧道的變形規(guī)律，分析新建隧道與既有隧道的距離對既有隧道的影響。張如等[5]通過對采用鉆爆法對近距離上跨既有隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。杜德持等[6]通過對不同施工順序條件下的小凈距隧道群圍巖穩(wěn)定性因素進(jìn)行分析，確定最優(yōu)施工方案。依托四川峨漢高速公路1-6 分部林家埂隧道進(jìn)口處圍巖復(fù)雜偏壓段工程實(shí)例，對復(fù)雜偏壓條件下雙線隧道在不同凈距條件下施工時(shí)的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析，針對隧道所處V 級圍巖下的不同隧道凈距的優(yōu)化研究，確保隧道圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)為類似條件下的山區(qū)大斷面淺埋偏壓雙線隧道工程提供有益借鑒和參考。

1 工程概況及模型建立

擬建林家埂隧道位于峨邊縣新場鄉(xiāng)長虹村，該隧道為雙線穿山隧道，洞軸線均為弧線形，隧道長度為1 526 m，隧址區(qū)地貌上屬構(gòu)造剝蝕低中山地貌，進(jìn)口端位于低中山陡坡地段橫坡50～60°，局部陡坎狀，出口端位于低中山斜坡地段，橫坡20～30°。林家埂隧道地形極為復(fù)雜，并且隧道出口段為松散堆積層，堆積層松散，自穩(wěn)力差，厚度大，且存在較大偏壓現(xiàn)象，兩隧道間距離極其小，施工過程中容易互相影響，施工過程中容易產(chǎn)生塌方、冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場獲取林家梗隧道施工資料，采用有限元軟件Midas 對不同凈距條件下艱險(xiǎn)山區(qū)“V”形溝谷復(fù)雜偏壓雙線隧道進(jìn)行建模分析，擬通過設(shè)置不同的隧道凈距，來模擬偏壓情況下隧道施工時(shí)圍巖變化規(guī)律，部分隧道模型見圖1。隧道斷面寬度為12.3 m，隧道實(shí)際凈距為9 m，由于偏壓作用，隧道埋深為16 m，模型尺寸長100 m，寬30 m。

圖1 不同凈距條件下部分?jǐn)?shù)值分析模型

林家埂隧道洞口段圍巖巖性以中風(fēng)化灰?guī)r為主，圍巖等級為V 級。圍巖材料參數(shù)依據(jù)地質(zhì)報(bào)告選取。噴混標(biāo)號采用C25，厚度為35 cm，二次襯砌采用標(biāo)號為C30 鋼筋砼拱墻和仰拱，厚度為50 cm，具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

數(shù)值分析采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，初支采用實(shí)體單元進(jìn)行分析，通過采用同一斷面形式對0.2B、0.4B、0.6B、0.8B、1.0B（B 為隧道凈距）五種工況進(jìn)行模擬，施工工法為上下臺階施工，按照工程實(shí)際施工順序采用右洞先行、左洞后行的方式進(jìn)行開挖。為了研究不同工況條件下隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)為了便于隧道各部位進(jìn)行分析，對左右兩線隧道各設(shè)置27個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

2 不同凈距條件下圍巖塑性應(yīng)變特征

圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況是衡量圍巖是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的重要指標(biāo)之一[3]，隧道間距較小，施工時(shí)相互影響就較大，隧道的開挖不可避免會使圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)，圍巖承載能力及穩(wěn)定性明顯下降，其中隧道中間巖層是否穩(wěn)定是隧道安全的關(guān)鍵，因此開展艱險(xiǎn)山區(qū)溝谷處復(fù)雜偏壓雙線隧道圍巖塑性應(yīng)變的研究極為重要。

為了進(jìn)一步研究確定隧道合理凈距范圍，對不同凈距下隧道圍巖塑性區(qū)分布情況進(jìn)行對比，分析得出凈距大小與圍巖塑性區(qū)分布的變化關(guān)系[4]。從圖2 中可以看出，當(dāng)隧道凈距D＜0.6 B 時(shí)，隨著凈距的不斷減小，艱險(xiǎn)山區(qū)溝谷復(fù)雜偏壓雙線隧道的最大塑性應(yīng)變值斜率變化最大，數(shù)值增大非常迅速，在該凈距區(qū)間內(nèi)中夾巖塑性區(qū)貫通，此時(shí)該區(qū)間內(nèi)凈距對塑性發(fā)展影響比較大；當(dāng)隧道凈距D≥0.6 B 時(shí)，隨著凈距的不斷增大，艱險(xiǎn)山區(qū)溝谷復(fù)雜偏壓雙線隧道的最大塑性應(yīng)變值斜率變化平緩，此時(shí)該區(qū)間內(nèi)凈距對塑性區(qū)發(fā)展影響逐漸減弱。從以上對艱險(xiǎn)山區(qū)溝谷復(fù)雜偏壓雙線隧道塑性區(qū)分布中可以看出，隧道僅在常規(guī)支護(hù)情況下，要保證隧道的安全，則隧道合理凈距應(yīng)取D≥0.6 B，若隧道凈距D 小于0.6 B 則隧道開挖后中間巖柱將會處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，考慮實(shí)際情況當(dāng)凈距D=0.8 B 及以后取值時(shí)，塑性應(yīng)變值趨于穩(wěn)定，故隧道最小合理凈距應(yīng)取D=0.8 B。

圖2 最大塑性應(yīng)變值隨凈距的變化曲線

3 圍巖位移與關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力分析

3.1 豎向位移

根據(jù)不同的隧道凈距，繪制了凈距D=0.2 B、D=0.4 B、D=0.6 B、D=0.8 B、D=1.0 B、D=1.5 B、D=2.0B共7 種工況下隧道左右洞周控制點(diǎn)豎向位移曲線，圖3 為林家埂隧道在凈距D=0.6 B 條件下，后行洞（左洞）施工對先行洞（右洞）在水平位移方面的影響曲線圖。

圖3 凈距0.6 B 下后行洞對先行洞豎向位移影響曲線

由圖3 分析可知，在實(shí)際右洞先行、左洞后行的工況下，1 號和15 號洞周控制點(diǎn)附近豎向位移最大，8號控制點(diǎn)和21 號控制點(diǎn)附近的豎向位移最小且接近零，由此可以看出，在隧道開挖過程中，最大沉降值的位置發(fā)生在拱頂附近，最大隆起值的位置發(fā)生在拱底附近；左洞右側(cè)拱頂處控制點(diǎn)豎向位移大于左側(cè)拱頂處控制點(diǎn)豎向位移，右洞左側(cè)拱頂處控制點(diǎn)豎向位移大于右側(cè)拱頂處控制點(diǎn)豎向位移，拱腰處的豎向位移與先行單洞開挖時(shí)拱腰處的豎向位移差距較小，綜合來看小凈距隧道開挖豎向位移主要在拱頂和拱底處發(fā)生疊加。

由圖4 可知，當(dāng)凈距D＜0.2 B 時(shí)，中夾巖豎向位移較大且增幅較大，此時(shí)中夾巖容易發(fā)生破壞；當(dāng)凈距0.2 B≤D＜0.6 B 時(shí)，隨著凈距不斷變小，隧道拱頂和拱底附近豎向位移不斷變大，特別是左側(cè)后行洞右部拱頂和右側(cè)后行洞左部拱頂附近的豎向位移斜率變化較大，增大比較明顯，此時(shí)凈距因素對其影響較大；當(dāng)凈距D≥0.6 B 時(shí)，隨著凈距的不斷變大，中夾巖上部豎向位移變化比較平穩(wěn)，且接近右側(cè)先行洞開挖時(shí)的拱頂豎向位移，此時(shí)凈距對其影響變小，凈距D=0.8 B 及以后取值時(shí)，豎向位移變化趨于穩(wěn)定，所以認(rèn)為凈距D=0.8 B 為該條件下的合理凈距。

圖4 不同凈距下隧道控制點(diǎn)豎向位移變化曲線

綜上所述，通過分析艱險(xiǎn)山區(qū)溝谷偏壓雙線隧道開挖過程中洞周控制點(diǎn)水平、豎向位移，該條件下的小凈距隧道開挖的合理凈距為凈距D=0.8 B。

3.2 圍巖特征點(diǎn)應(yīng)力分析

根據(jù)上述結(jié)果分析，中夾巖處在隧道開挖時(shí)會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在中夾巖中軸線的不同深度處設(shè)置了11 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，對比分析中夾巖處隧道位移影響，見圖5。通過分析不同凈距下中夾巖控制點(diǎn)應(yīng)力變化曲線可以看出，隨著凈距不斷增大，中夾巖控制點(diǎn)應(yīng)力不斷減小；由曲線可以直觀的看出控制點(diǎn)4～8，即拱腰至拱腳的位置中夾巖應(yīng)力增大顯著，特別是當(dāng)凈距D＜0.8 B 時(shí)，應(yīng)力變化率最大，控制點(diǎn)6 為最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，即拱腰處最為薄弱。不同凈距下中夾巖控制點(diǎn)最大等效應(yīng)力值分別為1.48、0.62、0.41、0.36、0.33。可以看出，隨著凈距不斷增大，中夾巖控制點(diǎn)最大等效應(yīng)力不斷減小，當(dāng)凈距當(dāng)凈距D＜0.2 B 時(shí)，中夾巖附近應(yīng)力較為集中且數(shù)值偏大，將會導(dǎo)致中夾巖發(fā)生破壞；當(dāng)凈距0.2 B≤D＜0.6 B 時(shí)，最大等效應(yīng)力變化率最大，所以此時(shí)凈距對其影響也非常大；當(dāng)凈距D≥0.6 B 時(shí)，中夾巖控制點(diǎn)最大等效應(yīng)力值隨凈距變化較為平緩，此時(shí)凈距因素對其影響減小。

圖5 不同凈距下中夾巖控制點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

以林家梗隧道為工程背景，通過數(shù)值模擬分析艱險(xiǎn)山區(qū)復(fù)雜偏壓條件下不同凈距雙線隧道的施工過程，通過對V 級圍巖條件下的隧道洞周關(guān)鍵點(diǎn)位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)分布進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論。

（1） 隧道開挖后洞周圍巖的豎向位移隨著凈距的減小而不斷增大，位移在拱腰位置處最大，拱頂和拱底的豎向位移最大，且最大值都出現(xiàn)在中巖墻處。

（2） 根據(jù)對不同凈距條件下隧道圍巖豎向位移的分析可以看出，位移值在凈距為0.6 B 時(shí)發(fā)生突變，洞周圍巖的應(yīng)力隨著凈距的減小而不斷增大，最大值出現(xiàn)在中巖墻拱腳位置處，兩隧道間應(yīng)力隨凈距的不斷增大二增大，在凈距為0.6 B 時(shí)發(fā)生突變。

（3） 圍巖的最大塑性應(yīng)變隨著凈距的減小而不斷增大，最大塑性應(yīng)變隨著凈距的變化，在凈距D=0.6 B 時(shí)最大塑性應(yīng)變值發(fā)生突變。綜合以上角度分析，最終認(rèn)為凈距D=0.6 B 為艱險(xiǎn)山區(qū)復(fù)雜偏壓雙線隧道合理凈距值。