石 光

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300451）

在我國山區(qū)高速公路選線設(shè)計時，由于地形條件的限制，往往較少應用上、下行隧道，而連拱隧道由于工程造價高、施工難度比較大、施工周期長，因此公路隧道的設(shè)計形式仍主要以雙線隧道為主.人們也在努力去設(shè)計另外更能符合實際情況的隧道形式，這就是小凈距隧道［1－4］.設(shè)計中對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，在開挖過程中，按照新奧法對隧道地表沉降、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力等項目進行監(jiān)測；林從謀等［6］研究了高速公路擴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)場量測；唐儀興［8］等對京珠國道沿線近距離雙隧道開挖與支護過程，使用平面和三維粘彈塑性有限元方法進行了數(shù)值模擬，分析對比了圍巖與支護結(jié)構(gòu)的受力、變形及塑性、受拉區(qū)的演化狀況，對圍巖—支護體系的穩(wěn)定性進行了評價，用數(shù)值分析方法提出了雙洞間距壓縮的可能性.可見，在小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性計算方面已經(jīng)有了一定的進展，但是，在圍巖力學參數(shù)合理選取及圍巖峰后力學行為等方面仍被忽視，這將導致計算結(jié)果與實際工程有一定的誤差.

本文以 Hoek－Brown準則為基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，對小凈距隧道在不同圍巖級別、不同覆蓋層厚度、中間巖柱僅施做初期支護條件下進行數(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)鍵位置點的位移、應力與應變的變化情況，判斷中間巖柱的破壞位置、機理等，計算結(jié)果對現(xiàn)場施工過程具有一定指導意義.

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［9］.通過多種實驗證明，施工方法和埋深對中間巖柱穩(wěn)定性的影響是次要的，圍巖級別一旦確定，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，中間巖柱就會破壞，雙洞就會形成聯(lián)合落拱，給工程帶來嚴重的損失.所以在選擇凈距大小時應慎重，對于Ⅲ級圍巖，凈距大于0.3B時雙洞基本穩(wěn)定，對于Ⅳ級圍巖，凈距應在0.35～0.45B范圍之間，對于Ⅴ級圍巖，小凈距選取的合理范圍應在0.75B左右［10］.本文主要研究Ⅴ級圍巖情況下，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Ⅴ級圍巖采用上下臺階和側(cè)壁導洞組合法，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范圍.由于Ⅴ級圍巖的穩(wěn)定性較差，所以采用側(cè)壁導洞與臺階法相結(jié)合，能夠?qū)绊攪鷰r及時支護，更加安全，但是施工比較繁瑣，進度比較緩慢.

圖1 隧道開挖支護順序Fig.1 Order of tunnel excavation and support

2 計算模型與參數(shù)

2.1 Hoek－Brown屈服準則

Hoek和Brown基于Griffith的脆性斷裂理論，通過室內(nèi)巖石三軸試驗及現(xiàn)場試驗成果的統(tǒng)計分析，提出了Hoek－Brown屈服準則，經(jīng)過不斷改進與修正，在2002年提出了將爆破損傷和應力釋放對圍巖強度的影響引入到巖體擾動系數(shù)D（取值范圍0～1）中，并對 Hoek－Brown常數(shù)mb、s和a進行修正，其表達式為［11］

式中：σ1、σ3分別為巖體破壞時的最大、最小主應力；σci為完整巖塊的單軸抗壓強度；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 計算模型

根據(jù)彈塑性理論，隧道開挖僅對距離開挖中心3～5倍范圍的圍巖產(chǎn)生影響.所以，模擬計算區(qū)域：左、右邊界為距原點60m（大于3倍單洞水平開挖的最大寬度B＝11m）；下邊界取為距原點35m（大于單洞豎向開挖的最大高度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)格生成器進行劃分，采用六面體八節(jié)點三維單元，對隧道開挖區(qū)域周邊進行人工網(wǎng)格加密，建立的網(wǎng)格單元模型如圖2所示.

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical model

2.3 模型計算參數(shù)

數(shù)值計算中，采用錨桿＋混凝土組合支護，具體計算參數(shù)見表1.

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

3 結(jié)果分析

分別對隧道Ⅴ級圍巖的各分部開挖工況進行模擬分析，通過分析可以得到隧道圍巖的位移場及塑性區(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

通過為隧道圍巖塑性區(qū)計算可知，在Ⅴ級圍巖的開挖過程中，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，應力疊加，導致塑性區(qū)貫通，從而可能引起拱頂拉裂較大，所以對中間巖柱的支護與加固是必不可少的施工工序.當隧道凈距達到0.5B時，隧道圍巖并沒有產(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，沒有出現(xiàn)貫通的現(xiàn)象，應力的疊加效果不是很大，所以在施工中比較安全，可見在15m埋深時，Ⅴ級圍巖的隧道凈距極限在0.5B左右，但這不代表Ⅴ級圍巖的隧道凈距極限的最終值，因為隨著埋深的增加，塑性區(qū)會開展得更大.

圖7為0.2B凈距時支護結(jié)構(gòu)受力圖.由圖可以看出，支護結(jié)構(gòu)受力集中部位主要位于中間巖柱部分，通過計算支護結(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)測點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，其中監(jiān)測布置點如圖8所示.通過分析可知，采用導坑法施工的安全性隱患較大，尤其是在施工過程中，最薄弱的環(huán)節(jié)是在工況六到工況七的開挖與支護階段，中夾巖柱出現(xiàn)了較大的橫向位移變化，可見運用側(cè)壁導坑法，在開挖下側(cè)土體時對中夾巖柱的擾動比較大，施工中應對該階段加強觀測并采取必要的應急措施.

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中夾巖的擾動，并采取充分合理的加固措施保證小凈距隧道的穩(wěn)定和支護結(jié)構(gòu)安全.

（2）Ⅴ級圍巖條件下隧道的凈距不能過小，分析表明，凈距在0.2B時的中夾巖受力情況要比0.5B時危險得多，相應的圍巖加固也變得艱難，所以對凈距的取值一般不能小于0.5B.

（3）在采用側(cè)壁導坑法開挖隧道，在開挖下側(cè)土體時對中夾巖柱的擾動比較大，施工中應對該階段加強觀測并采取必要的應急措施.

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