軟巖連接隧道及空間正交結(jié)構(gòu)施工過程分析

周亮

摘 要： 隨著隧道建設(shè)的規(guī)模日益擴(kuò)大，隧道建設(shè)向長(zhǎng)距離、大斷面發(fā)展，而豎井或斜井可以在長(zhǎng)大公路隧道的施工階段增加工作面，加快施工進(jìn)度，還可以在施工期間和運(yùn)營期間作為通風(fēng)、逃生通道。但是在軟巖地區(qū)修筑豎井的同時(shí)還需要修建連接隧道，使得隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)極大的空間和受力的不對(duì)稱，豎井與主隧道之間的連接隧道則成為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中最薄弱的部位。本文結(jié)合一具體的軟巖隧道進(jìn)行研究，利用有限元軟件，模擬分析兩兩正交的豎井、連接隧道與主隧道在施工過程中的相互作用，研究施工過程中圍巖的穩(wěn)定性，以及相互影響。

關(guān)鍵詞：正交隧道 軟巖隧道 豎井 數(shù)值分析 穩(wěn)定性

Abstract：With the increasing scale of tunnel construction， tunnel construction is developing towards long distance and large section， while inclined shaft can increase working face in the construction stage of long highway tunnel， speed up the construction progress， and also serve as ventilation and escape passage during construction and operation. However， in soft rock area， it is necessary to build a connecting tunnel at the same time， so that the structure of the tunnel presents great space and stress asymmetry. The connecting tunnel between the shaft and the main tunnel becomes the weakest part in the whole structure system. In this paper， a concrete soft rock tunnel is studied， and finite element software is used to simulate and analyze the interaction between two orthogonal vertical shafts， connecting tunnels and main tunnels in the construction process， study the stability of surrounding rocks during the construction process， and propose the key positions for monitoring and support.

Keywords：shaft； soft rock tunnel； lateral stress coefficient； displacement； stability

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，近年來，我國修建了一大批舉世矚目的隧道和地下工程，中國已經(jīng)成為世界上隧道最多、地質(zhì)情況最復(fù)雜國家，在各種類型的隧道工程的修建過程中，出現(xiàn)大量新的結(jié)構(gòu)形式、新的施工方法、新技術(shù)、新工藝，攻克許多以前很少甚至從未涉及過的難題，通過這些年的發(fā)展，我國由隧道大國邁向隧道強(qiáng)國。

國內(nèi)外學(xué)位對(duì)連接隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行大量的研究，李庶林、毛建華等基于分形理論和巖體完整性系數(shù)，利用聲發(fā)射所監(jiān)測(cè)到的豎井圍巖聲發(fā)射事件率和聲傳播速度對(duì)豎井圍巖的穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)；高成雷， 朱永全以空間有限元作為分析手段， 用實(shí)體單元對(duì)圍巖進(jìn)行模擬，對(duì)廣州地鐵番禺折返線施工豎井建模分析，研究圍巖體在側(cè)向土壓力作用下的應(yīng)力及位移變化規(guī)律；胡偉基于Coulomb提出的土壓力理論和原方計(jì)算法，以三維微扇形單元體進(jìn)行受力分析，根據(jù)靜力平衡推導(dǎo)出豎井的側(cè)向壓力的計(jì)算公式，并利用數(shù)值分析，確定影響豎井側(cè)壓力的因素。

在軟巖地層中開挖豎井、連接隧道，如何減少對(duì)初始狀態(tài)的擾動(dòng)，控制圍巖變形，從而使圍巖處于相對(duì)安全狀態(tài)，涉及到開挖方式的選擇，開挖面的空間效應(yīng)的利用，支護(hù)類型的選取，支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)的確定等許多方面。

由于巖土受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，保留著構(gòu)造形跡和構(gòu)造應(yīng)力，呈現(xiàn)出非均質(zhì)、各向異性等特點(diǎn)；而另一方面，豎井、連接隧道開挖過程中，巖體穩(wěn)定性隨時(shí)間、空間呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)。

因此對(duì)豎井、連接隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，可以對(duì)下一步施工對(duì)象的安全性進(jìn)行預(yù)測(cè)并且指導(dǎo)施工。本文針對(duì)以具體的案例利用有限元軟件（Midas）來模擬主隧道、連接隧道與豎井施工過程中圍巖的穩(wěn)定性及相互影響，提出監(jiān)測(cè)和支護(hù)的重點(diǎn)部位，為安全、高效推進(jìn)工程建設(shè)提供技術(shù)支持并且為今后國內(nèi)類似隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

西部某山嶺隧道，設(shè)計(jì)速度80km/h、主隧道凈寬10.25m、凈高5.0m，隧道內(nèi)橫向采用單面坡，坡率1.5%，上下行分離的兩車道分離式道路，隧道呈近東西向展布。隧道穿越的山體最高海拔高程約為486.5m，左線隧道全長(zhǎng)2969m，右線全長(zhǎng)約2984m。豎井為圓柱形，半徑為5m，高度為34.8m，連接隧道凈寬6.6m，凈高6.8m。隧道采用礦山法施工，主隧道與連接隧道設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)4m，間距1.5m，噴混厚度為0.15m，襯砌厚度為0.3m。豎井錨桿長(zhǎng)4m，間距1.5m，噴混厚度0.2m。

隧道位于泥巖中，為軟巖，從上至下，覆土依次為粉質(zhì)粘土，強(qiáng)風(fēng)化的泥巖。粉質(zhì)粘土呈褐紅色，可塑，局部硬塑，局部混有圓礫，主要成分為石英質(zhì)；泥巖的風(fēng)化面土體呈黑灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，碎屑主要由粘土礦物組成。

2 計(jì)算參數(shù)與模型建立

2.1計(jì)算參數(shù)

依據(jù)地勘提供鉆孔柱狀圖，確定了該深隧道圍巖的初始參數(shù)，現(xiàn)將部分物理力學(xué)性質(zhì)相近的土層合并，第一層土為粉質(zhì)粘土（標(biāo)記為“土層1”，厚9m）、第二層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖（標(biāo)記為“土層2”，12.5m）、第三層為中風(fēng)化泥巖（標(biāo)記為“土層3”），土層參數(shù)見表1。

2.2隧道模型的建立及分析工況

2.2.1有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)鉆孔資料，確定土層分布，為簡(jiǎn)化模型，將部分物理力學(xué)性質(zhì)相近的土層合并，建立如下圖所示的模型，豎井底部至地面34.8m，連接隧道長(zhǎng)9.5m，隧道上部根據(jù)設(shè)計(jì)資料按實(shí)際尺寸建模。主隧道、連接隧道以及豎井兩兩正交，三者的尺寸和支護(hù)設(shè)計(jì)均按照設(shè)計(jì)進(jìn)行。

2.2.2測(cè)點(diǎn)布置及分析工況

依據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)的相關(guān)要求，本次模擬需要監(jiān)測(cè)A（id=2276），B（id=2256）、C（id=43）、D（id=1514）以及E（id=2261）這幾個(gè)位置，本文以測(cè)點(diǎn)C、D為研究對(duì)象，分析正交結(jié)構(gòu)施工過程的圍巖穩(wěn)定。

本文為研究豎井、連接隧道、主隧道施工對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，以及施工過程中的相互作用，現(xiàn)將模擬的過程分成三個(gè)部分，根據(jù)隧道施工進(jìn)尺，每一部分又分為若干階段，具體劃分為豎井施工：S1～S7；連接隧道施工：S8～S11；主隧道施工：S12～S27）。每一個(gè)施工階段又分為圍巖開挖、噴混、設(shè)置錨桿等步驟。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1連接處圍巖變形分析

現(xiàn)將三部分施工的各階段測(cè)點(diǎn)C、D的z方向位移值繪制在圖2中（負(fù)值為向下），測(cè)點(diǎn)D的水平位移繪制在圖3中，測(cè)點(diǎn)C、D為隧道連接處。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在開挖豎井的初期階段，測(cè)點(diǎn)D在施工階段S1～S7之間出現(xiàn)回彈，在此之后，測(cè)點(diǎn)D開始沉降，并在主隧道施工后沉降穩(wěn)定。而測(cè)點(diǎn)C在施工工階段S1～S7之間出現(xiàn)輕微回彈，但是在施工S11之后，呈現(xiàn)急速沉降的趨勢(shì)，在施工階段S17之后，逐漸穩(wěn)定。

對(duì)比二者可以發(fā)現(xiàn)，連接處在施工的初始階段都會(huì)出現(xiàn)卸荷回彈，但是靠近豎井位置的回彈位移更大，隨著施工的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)下部的圍巖開挖，位移由向上轉(zhuǎn)為向下，這是由于下部巖體的開挖，改變測(cè)點(diǎn)的自由面，即約束的改變，巖體向最易卸荷的方向移動(dòng)。

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，在施工階段S7后，位移出現(xiàn)劇增，其后位移緩慢增加，直至穩(wěn)定。這是由于施工階段S7開挖測(cè)點(diǎn)D周圍巖體，測(cè)點(diǎn)水平方向出現(xiàn)自由臨空面，巖體向水平方面釋放荷載。

3.2連接處受力分析

為進(jìn)一步研究正交結(jié)構(gòu)施工的相互影響，現(xiàn)將測(cè)點(diǎn)C、D的所受的合外力繪制在圖4中。根據(jù)圖4結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)D在施工階段S1～S4之間，受力維持在68.1KN，此時(shí)豎井開挖至距離地面6m處，而在豎井施工至D點(diǎn)后，合外力驟降，豎井施工完成后，合力出現(xiàn)輕微回彈；在連接隧道施工的過程中，測(cè)點(diǎn)D受力再次驟降，連接隧道施工完成后，受力再次回彈，主體隧道施工的過程中，對(duì)測(cè)點(diǎn)D的受力幾乎沒有影響；對(duì)于測(cè)點(diǎn)C，呈現(xiàn)出和測(cè)點(diǎn)D類似的趨勢(shì)。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)：空間正交的結(jié)構(gòu)，施工時(shí)，只會(huì)對(duì)相鄰的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而對(duì)相隔的結(jié)構(gòu)幾乎無不會(huì)影響，在連接隧道施工時(shí)，會(huì)直接影響到主隧道和豎井的圍巖穩(wěn)定。

4結(jié)語

在開挖過程中，特別是在軟弱圍巖條件下，豎井和連接隧道的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)和施工的必須考慮的問題。豎井、連接隧道的開挖打破了巖體內(nèi)原有的應(yīng)力平衡，巖體發(fā)生形變，釋放荷載，以尋求新的平衡，而主隧道的施工也會(huì)對(duì)連接隧道產(chǎn)生影響。該文利用有限元軟件（Midas）建立模型，分析空間正交的隧道結(jié)構(gòu)施工過程，通過分析模型的位移，合外力的變化，得出以下結(jié)論：

（1）正交結(jié)構(gòu)施工對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)影響較大，而對(duì)非相鄰結(jié)構(gòu)影響較小，即豎井施工對(duì)連接隧道影響較大，而連接隧道則會(huì)對(duì)主隧道和豎井產(chǎn)生影響。

（2）在豎井和連接隧道施工完成后，主隧道在距離連接隧道6m范圍施工時(shí)會(huì)對(duì)豎井和連接隧道產(chǎn)生影響，在之后對(duì)豎井和連接隧道影響較小。

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