石 光

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300451）

在我國(guó)山區(qū)高速公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，由于地形條件的限制，往往較少應(yīng)用上、下行隧道，而連拱隧道由于工程造價(jià)高、施工難度比較大、施工周期長(zhǎng)，因此公路隧道的設(shè)計(jì)形式仍主要以雙線隧道為主.人們也在努力去設(shè)計(jì)另外更能符合實(shí)際情況的隧道形式，這就是小凈距隧道［1－4］.設(shè)計(jì)中對(duì)最小凈距條件及圍巖穩(wěn)定性提出更高的要求.

在小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性研究方面，韓同春等［5］針對(duì)雷公浦小凈距隧道后行左洞洞口段具有半硬巖層半軟巖層的特點(diǎn)，在開(kāi)挖過(guò)程中，按照新奧法對(duì)隧道地表沉降、拱頂下沉、水平收斂、中間巖柱的位移、錨桿軸力、圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)；林從謀等［6］研究了高速公路擴(kuò)建大斷面特小凈距隧道爆破穩(wěn)定控制技術(shù)；K.WLo［7］等作了多隧道相互影響的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)；唐儀興［8］等對(duì)京珠國(guó)道沿線近距離雙隧道開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程，使用平面和三維粘彈塑性有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析對(duì)比了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形及塑性、受拉區(qū)的演化狀況，對(duì)圍巖—支護(hù)體系的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，用數(shù)值分析方法提出了雙洞間距壓縮的可能性.可見(jiàn)，在小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性計(jì)算方面已經(jīng)有了一定的進(jìn)展，但是，在圍巖力學(xué)參數(shù)合理選取及圍巖峰后力學(xué)行為等方面仍被忽視，這將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程有一定的誤差.

本文以 Hoek－Brown準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，對(duì)小凈距隧道在不同圍巖級(jí)別、不同覆蓋層厚度、中間巖柱僅施做初期支護(hù)條件下進(jìn)行數(shù)值分析，得出兩相鄰隧道安全凈距的臨界值，以及在不同圍巖、覆蓋層厚度、凈距大小的條件下，隧道模型關(guān)鍵位置點(diǎn)的位移、應(yīng)力與應(yīng)變的變化情況，判斷中間巖柱的破壞位置、機(jī)理等，計(jì)算結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程具有一定指導(dǎo)意義.

1 隧道凈距與施工方案的確定

1.1 隧道凈距的確定

小凈距隧道的中間巖柱穩(wěn)定性是衡量小凈距隧道凈距取舍是否合理的主要指標(biāo)［9］.通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)證明，施工方法和埋深對(duì)中間巖柱穩(wěn)定性的影響是次要的，圍巖級(jí)別一旦確定，凈距就成為影響中間巖柱穩(wěn)定的主要因素.如果凈距的取值小于合理值，中間巖柱就會(huì)破壞，雙洞就會(huì)形成聯(lián)合落拱，給工程帶來(lái)嚴(yán)重的損失.所以在選擇凈距大小時(shí)應(yīng)慎重，對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖，凈距大于0.3B時(shí)雙洞基本穩(wěn)定，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，凈距應(yīng)在0.35～0.45B范圍之間，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，小凈距選取的合理范圍應(yīng)在0.75B左右［10］.本文主要研究Ⅴ級(jí)圍巖情況下，小凈距隧道中間巖柱穩(wěn)定性情況.

1.2 施工方案的擬定

在考慮圍巖的穩(wěn)定性與自承能力等方面，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階和側(cè)壁導(dǎo)洞組合法，如圖1所示.該方法能夠確保掌子面的穩(wěn)定，有效控制隧道周邊圍巖的松動(dòng)范圍.由于Ⅴ級(jí)圍巖的穩(wěn)定性較差，所以采用側(cè)壁導(dǎo)洞與臺(tái)階法相結(jié)合，能夠?qū)绊攪鷰r及時(shí)支護(hù)，更加安全，但是施工比較繁瑣，進(jìn)度比較緩慢.

圖1 隧道開(kāi)挖支護(hù)順序Fig.1 Order of tunnel excavation and support

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 Hoek－Brown屈服準(zhǔn)則

Hoek和Brown基于Griffith的脆性斷裂理論，通過(guò)室內(nèi)巖石三軸試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了Hoek－Brown屈服準(zhǔn)則，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與修正，在2002年提出了將爆破損傷和應(yīng)力釋放對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響引入到巖體擾動(dòng)系數(shù)D（取值范圍0～1）中，并對(duì) Hoek－Brown常數(shù)mb、s和a進(jìn)行修正，其表達(dá)式為［11］

式中：σ1、σ3分別為巖體破壞時(shí)的最大、最小主應(yīng)力；σci為完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、a 均為巖體的 Hoek－Brown常數(shù)，且mb為 Hoek－Brown常數(shù)mi（反映巖體軟硬程度）的折算值，各參數(shù)可由式（2）表示［12］：

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)彈塑性理論，隧道開(kāi)挖僅對(duì)距離開(kāi)挖中心3～5倍范圍的圍巖產(chǎn)生影響.所以，模擬計(jì)算區(qū)域：左、右邊界為距原點(diǎn)60m（大于3倍單洞水平開(kāi)挖的最大寬度B＝11m）；下邊界取為距原點(diǎn)35m（大于單洞豎向開(kāi)挖的最大高度8.9m），上邊界區(qū)域頂面自由；前、后邊界取40m.模型的邊界條件確定為：x＝60，邊界x 方向固定；z＝－35，z方向固定；上邊界為自由邊界；y＝40，y方向固定.差分網(wǎng)格利用程序的三維網(wǎng)格生成器進(jìn)行劃分，采用六面體八節(jié)點(diǎn)三維單元，對(duì)隧道開(kāi)挖區(qū)域周邊進(jìn)行人工網(wǎng)格加密，建立的網(wǎng)格單元模型如圖2所示.

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical model

2.3 模型計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中，采用錨桿＋混凝土組合支護(hù)，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 圍巖、支護(hù)、錨桿參數(shù)表Table 1 Parameter table of surrounding rock，support，and anchor bolts

3 結(jié)果分析

分別對(duì)隧道Ⅴ級(jí)圍巖的各分部開(kāi)挖工況進(jìn)行模擬分析，通過(guò)分析可以得到隧道圍巖的位移場(chǎng)及塑性區(qū)分布情況，如圖3～圖7所示.

圖3 0.2B凈距5m埋深x方向位移Fig.3 X－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

圖4 0.2B凈距5m埋深y方向位移Fig.4 Y－direction displacement 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

由圖3、圖4可知，在隧道開(kāi)挖之后，兩隧道的橫向位移主要集中在隧道的外側(cè)兩肩部，而隧道圍巖的豎向位移主要集中在內(nèi)側(cè)的兩個(gè)肩部.

圖5 0.2B凈距15m埋深塑性區(qū)Fig.5 Plastic zone of 0.2Bclear distance and 15mburied depth of tunnel

圖6 0.5B凈距15m埋深塑性區(qū)Fig.6 plastic zone of 0.5Bclear distance and 15mburied depth of tunnel

通過(guò)為隧道圍巖塑性區(qū)計(jì)算可知，在Ⅴ級(jí)圍巖的開(kāi)挖過(guò)程中，隨著隧道凈距的增加，塑性區(qū)范圍不斷縮小，表明隧道圍巖已經(jīng)趨于穩(wěn)定.在15m埋深0.2B凈距條件下，圍巖塑性區(qū)有貫通現(xiàn)象，如圖5所示，表明在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)連拱頂全部倒塌的現(xiàn)象，主要就是由于中間巖柱的寬度很小，應(yīng)力疊加，導(dǎo)致塑性區(qū)貫通，從而可能引起拱頂拉裂較大，所以對(duì)中間巖柱的支護(hù)與加固是必不可少的施工工序.當(dāng)隧道凈距達(dá)到0.5B時(shí)，隧道圍巖并沒(méi)有產(chǎn)生貫通現(xiàn)象，由于隧道凈距的增大，中間巖柱的塑性區(qū)明顯變小，沒(méi)有出現(xiàn)貫通的現(xiàn)象，應(yīng)力的疊加效果不是很大，所以在施工中比較安全，可見(jiàn)在15m埋深時(shí)，Ⅴ級(jí)圍巖的隧道凈距極限在0.5B左右，但這不代表Ⅴ級(jí)圍巖的隧道凈距極限的最終值，因?yàn)殡S著埋深的增加，塑性區(qū)會(huì)開(kāi)展得更大.

圖7為0.2B凈距時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖.由圖可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力集中部位主要位于中間巖柱部分，通過(guò)計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大小可以判定中夾巖柱的穩(wěn)定性情況.

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖Fig.7 Stress diagram of supporting structure

圖8 中夾巖柱位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.8 Displacement monitoring points of mid－adjacent rock

圖9～圖10為小凈距隧道中夾巖柱的位移監(jiān)測(cè)，其中監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)如圖8所示.通過(guò)分析可知，采用導(dǎo)坑法施工的安全性隱患較大，尤其是在施工過(guò)程中，最薄弱的環(huán)節(jié)是在工況六到工況七的開(kāi)挖與支護(hù)階段，中夾巖柱出現(xiàn)了較大的橫向位移變化，可見(jiàn)運(yùn)用側(cè)壁導(dǎo)坑法，在開(kāi)挖下側(cè)土體時(shí)對(duì)中夾巖柱的擾動(dòng)比較大，施工中應(yīng)對(duì)該階段加強(qiáng)觀測(cè)并采取必要的應(yīng)急措施.

圖9 0.2B凈距5m埋深x方向位移Fig.9 X－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

圖10 0.2B凈距5m埋深y方向位移Fig.10 Y－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

4 結(jié) 論

（1）在施工中盡量減少對(duì)中夾巖的擾動(dòng)，并采取充分合理的加固措施保證小凈距隧道的穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全.

（2）Ⅴ級(jí)圍巖條件下隧道的凈距不能過(guò)小，分析表明，凈距在0.2B時(shí)的中夾巖受力情況要比0.5B時(shí)危險(xiǎn)得多，相應(yīng)的圍巖加固也變得艱難，所以對(duì)凈距的取值一般不能小于0.5B.

（3）在采用側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖隧道，在開(kāi)挖下側(cè)土體時(shí)對(duì)中夾巖柱的擾動(dòng)比較大，施工中應(yīng)對(duì)該階段加強(qiáng)觀測(cè)并采取必要的應(yīng)急措施.

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