不同凈距雙洞隧道上下臺(tái)階法同時(shí)開挖數(shù)值模擬分析

李明樾 洪星架

為研究不同凈距雙洞隧道在上下臺(tái)階法同時(shí)開挖下的圍巖變形、受力及支護(hù)受力情況，文章基于Midas/GTS軟件平臺(tái)對(duì)10 m、14 m、18 m、22 m凈距雙洞隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：（1）隧道中巖墻一側(cè)拱腰水平位移相比左側(cè)拱腰大，拱頂處、仰拱處水平位移較小，且隨著凈距變化其值基本保持不變;（2）隧道拱頂及仰拱位置處圍巖豎向位移較大，拱腰處較小，隨著隧道凈距增大各部位豎向位移均減小;（3）隨著隧道凈距的增大拱頂及仰拱處的水平應(yīng)力及豎向應(yīng)力逐漸減小，但減小幅度較小，同時(shí)拱腰處水平應(yīng)力及豎向應(yīng)力變化較大，且減小幅度不斷擴(kuò)大;（4）隨著凈距的增大，錨桿軸力最大值及噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力發(fā)生了減小，減小幅度逐漸擴(kuò)大。

雙洞隧道;不同凈距;上下臺(tái)階法;圍巖;支護(hù)

U455.4A200704

0 引言

我國(guó)山嶺所占比重較大，山嶺地形條件復(fù)雜，受限于這些復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，隧道工程就常見于高級(jí)公路的修建當(dāng)中。雙洞隧道不同于單洞隧道，當(dāng)兩個(gè)隧洞凈距較小時(shí)，隧洞開挖就會(huì)互相產(chǎn)生影響[1-2]，開挖過程中圍巖變形、受力就更為復(fù)雜。因此，針對(duì)雙洞隧道的開挖過程，不同開挖方法、不同圍巖等級(jí)等方面因素已有不少學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了研究[3-5]。上下臺(tái)階法因其預(yù)留臺(tái)階長(zhǎng)度和分部開挖的方式能夠有效控制隧道開挖過程的圍巖變形[6]，所以，為了研究不同凈距雙洞隧道在上下臺(tái)階法同時(shí)開挖下的圍巖變形、受力及支護(hù)受力情況，本文基于Midas/GTS軟件平臺(tái)對(duì)10 m、14 m、18 m、22 m凈距下的隧道拱頂、拱腰及仰拱部位的水平、豎向位移，水平、豎向應(yīng)力以及錨桿、噴混結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究結(jié)論對(duì)雙洞隧道凈距及支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

1 小凈距隧道及施工方法

1.1 小凈距隧道

小凈距隧道是指隧道中的中巖墻厚度小于分離式獨(dú)立雙洞的最小凈距的雙洞隧道。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則（JTG/T D70-2010）》[8]，分離式獨(dú)立雙洞的最小凈距如表1所示，其中B為隧道洞徑長(zhǎng)度。

1.2 上下臺(tái)階法

上下臺(tái)階法因預(yù)留一定的臺(tái)階長(zhǎng)度，給予掌子面一定反向推力，有利于控制開挖過程中的圍巖變形，常用于圍巖等級(jí)較低或其他特殊開挖環(huán)境中。主要施工步驟為：開挖上臺(tái)階①、預(yù)留下臺(tái)階②→施作上部臺(tái)階錨桿、噴射混凝土→開挖下臺(tái)階②→剩余部分初支施作。

2 模型建立及分析工況

2.1 隧道模型建立

假定圍巖性質(zhì)為連續(xù)、均質(zhì)及各向同性，初始地應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力，即σZ=γH，采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則[7]。初期支護(hù)中噴射混凝土采用2D板單元模擬;錨桿采用1D植入式桁架單元模擬;巖體采用3D實(shí)體單元模擬。

計(jì)算區(qū)域選取約5倍洞徑左右，橫向120 m、豎向120 m、縱向30 m。模型方向規(guī)定為：隧道開挖方向?yàn)閅軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向左方向?yàn)閄軸正向，數(shù)值模型如圖2所示。模型邊界X、Y方向位移面施加約束;底部邊界Z方向位移面施加約束;隧道圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，采用噴錨支護(hù)的方式，錨桿采用2×1.8 m的間距布置，結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。

2.2 分析工況

該隧道洞徑為10.5 m，而分離式獨(dú)立雙洞的最小凈距為21 m。本次模擬分析工況為三個(gè)小凈距隧道，一個(gè)分離式隧道，具體工況如表2所示。不同凈距模型示意圖如圖4所示;隧道的圍巖參數(shù)如表3所示;支護(hù)參數(shù)如表4所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 圍巖位移分析

3.1.1 圍巖水平位移

導(dǎo)出模型計(jì)算結(jié)果，通過結(jié)果提取方式提取隧道不同部位圍巖的位移值，如下頁(yè)圖5所示。由圖5可知：10 m凈距下雙洞隧道開挖的圍巖水平位移拱頂處為0.5 mm，仰拱處水平位移為0.6 mm;兩側(cè)拱腰水平位移值并不相等，不同于單洞隧道，左側(cè)拱腰水平位移為10.1 mm，中巖墻一側(cè)拱腰水平位移為11.3 mm，相比左側(cè)拱腰大1.2 mm。以相同的方式提取不同凈距的雙洞隧道開挖后的水平位移值，繪制折線圖進(jìn)行對(duì)比分析，其中因中巖墻一側(cè)拱腰的水平位移值更大，四種工況下拱腰處的水平位移值采取中巖墻一側(cè)的水平位移值。

提取不同部位不同凈距下圍巖豎向位移值繪制折線圖，如圖6所示。由圖6可知：10 m凈距下拱頂處、仰拱處水平位移分別為0.5 mm、0.6 mm，且隨著凈距變化其值基本保持不變;而中巖墻一側(cè)在凈距為10 m時(shí)拱腰處水平位移為11.3 mm，凈距增大為14 m、18 m時(shí)水平位移值分別為10.6 mm和9.48 mm，分別減小了0.7 mm、1.12 mm，減小幅度有所擴(kuò)大;當(dāng)凈距增大至22 m時(shí)，即隧道從小凈距隧道變?yōu)榉蛛x式隧道時(shí)，拱腰處水平位移值減小至5.67 mm，減小幅度進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.1.2 圍巖豎向位移

如圖7所示，圍巖豎向位移較大值發(fā)生在隧道拱頂及仰拱位置處，拱腰處豎向位移值較小。隨著隧道凈距的增大，隧道拱頂、拱腰及仰拱處的豎向位移均減小;在凈距從18 m增大至22 m時(shí)，拱頂、仰拱和拱腰處的豎向位移分別減小了1.05 mm、1.29 mm和0.75 mm，減小比率分別為14.8%、18.5%和34.1%，可以看出凈距的增大對(duì)拱腰處位移影響更大。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

導(dǎo)出隧道水平應(yīng)力S-XX及豎向應(yīng)力S-ZZ分布圖，同樣通過提取結(jié)果方式提取隧道不同部位的應(yīng)力值。

3.2.1 圍巖水平應(yīng)力S-XX

從圍巖不同部位的水平應(yīng)力變化可以看到，拱頂及仰拱處的水平應(yīng)力隨著隧道凈距的增大在逐漸減小，但減小幅度較小，拱頂處水平應(yīng)力在-480～-450 kN/m2范圍內(nèi)，仰拱處水平應(yīng)力在-290～-280 kN/m2范圍內(nèi);而拱腰處水平應(yīng)力變化較大，10 m凈距時(shí)水平應(yīng)力為-560.6 kN/m2，隨著凈距的增大，拱腰處水平應(yīng)力值分別減小了9.86 kN/m2、31.5 kN/m2、62.39 kN/m2，減小幅度不斷擴(kuò)大。如圖8所示。

3.2.2 圍巖豎向應(yīng)力S-ZZ

分析豎向應(yīng)力變化可以看到，拱頂及仰拱處豎向應(yīng)力值隨隧道凈距變化較小，拱頂處豎向應(yīng)力值在-250～3 000 kN/m2范圍內(nèi)，仰拱處豎向應(yīng)力值在-145～165 kN/m2范圍內(nèi);同樣在拱腰位置處豎向應(yīng)力變化較大，隨著凈距的增大，拱腰處水平應(yīng)力值分別減小了50.32 kN/m2、134.97 kN/m2、365.87 kN/m2，減小幅度不斷擴(kuò)大。如圖9所示。

3.3 支護(hù)受力分析

分析支護(hù)受力情況，導(dǎo)出開挖完成后噴混結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖及錨桿軸力圖，如圖10～11所示。

從圖11可以看到，噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力及錨桿軸力最大值均分布在隧道拱腰位置，且隨著凈距的增大，錨桿軸力最大值及噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力均發(fā)生了減小，減小幅度也逐漸擴(kuò)大，錨桿軸力最大值在325～400 kN范圍內(nèi)，噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力在1 900～2 250 kN/m2范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了分析不同凈距雙洞隧道上下臺(tái)階法同時(shí)開挖下圍巖變形、受力及支護(hù)的受力情況，本文基于Midas/GTS軟件平臺(tái)對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬及結(jié)果分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）雙洞隧道開挖的圍巖兩側(cè)拱腰水平位移值并不相等，中巖墻一側(cè)拱腰水平位移相比左側(cè)拱腰大。

（2）拱頂處、仰拱處水平位移較小，且隨著凈距變化其值基本保持不變;中巖墻一側(cè)拱腰處水平位移隨凈距的增大不斷減小，減小幅度不斷擴(kuò)大;當(dāng)凈距增大至22 m時(shí)，即隧道從小凈距隧道變?yōu)榉蛛x式隧道時(shí)，減小幅度進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）圍巖豎向位移較大值發(fā)生在隧道拱頂及仰拱位置處，拱腰處豎向位移值較小;隨著隧道凈距的增大，隧道拱頂、拱腰及仰拱處的豎向位移均發(fā)生了減小;在凈距從18 m增大至22 m時(shí)，拱頂、仰拱和拱腰處的豎向位移減小比率分別為14.8%、18.5%和34.1%，凈距的增大對(duì)拱腰處位移影響更大。

（4）拱頂及仰拱處的水平應(yīng)力S-XX及豎向應(yīng)力S-ZZ隨著隧道凈距的增大在逐漸減小，但減小幅度較小，而拱腰處水平應(yīng)力S-XX及豎向應(yīng)力S-ZZ變化較大，且隨著凈距的增大減小幅度不斷擴(kuò)大。

（5）噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力及錨桿軸力最大值均分布在隧道拱腰位置，且隨著凈距的增大，錨桿軸力最大值及噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力均發(fā)生了減小，減小幅度也逐漸擴(kuò)大。

綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，小凈距雙洞隧道同時(shí)開挖，因凈距較小，其中巖墻厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分離式隧道中巖墻厚度，左右洞開挖相互作用在中巖墻處出現(xiàn)二次應(yīng)力疊加，使應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致中巖墻一側(cè)拱腰處圍巖應(yīng)力、位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大，且凈距越小，開挖對(duì)圍巖及支護(hù)的影響越大，因此需對(duì)中巖墻一側(cè)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)。

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