李仲來

摘 要：分析不同凈距下中巖墻的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)分布等力學(xué)行為及其支護結(jié)構(gòu)的受力特性對指導(dǎo)小凈距隧道設(shè)計與施工尤為重要。文章依靠數(shù)值分析手段，模擬在不同D/B情況下，采用三臺階法開挖分析后掘隧道開挖多次擾動對中巖墻的塑性區(qū)分布、剪應(yīng)力、水平位移等力學(xué)行為的影響，以及后掘隧道對先行隧道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，結(jié)果表明在中巖墻厚度小于0.75 B時，后掘隧道對中巖墻的受力變形和先行隧道支護結(jié)構(gòu)受力極為不利。該研究結(jié)果可為淺覆大跨度小凈距隧道的設(shè)計和施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：淺覆大跨度；小凈距；中巖墻；力學(xué)行為；三臺階法

中圖分類號：U455 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）09-0149-03

1 研究背景

高等級公路隧道一般設(shè)計為上下行分離的獨立雙洞，雙洞常按彼此間不產(chǎn)生有害影響的原則，保證最小凈距，但在實際工程中存在其它條件限制而不可避免的采用小凈距隧道甚至聯(lián)拱隧道，因此需要做出充分的技術(shù)論證，并制定可靠的技術(shù)保障措施。

目前，業(yè)內(nèi)很多學(xué)者對各類小凈距隧道展開了相關(guān)研究，因中巖墻受隧道開挖的多次擾動影響，受力變形異常復(fù)雜，不利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，故核心問題集中在合理凈距的研究及優(yōu)化上。Dharls對不同位置關(guān)系的雙線隧道失效機理研究表明，雙線隧道的破壞主要發(fā)生在中巖墻。

具體典型研究有：杉本光隆運用能量理論對平行雙洞隧道研究認(rèn)為當(dāng)隧道間距小于1.7 B（B為隧道跨度）時，圍巖穩(wěn)定性必須綜合考慮雙洞的疊加效應(yīng)。

以上研究主要針對在較小凈距下，隧道開挖對中巖墻的擾動所引起的圍巖受力和變形影響，而對于在小凈距情況下，在先行隧道支護結(jié)構(gòu)已完成的情況下，后掘隧道對先行隧道支護結(jié)構(gòu)和中巖墻的綜合效應(yīng)的研究較少。

本文依托浙江溫州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分軟件分析手段，通過模擬不同凈距下，采用三臺階法開挖，分析后掘隧道對先行隧道支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化以及隧道開挖的多次擾動對中巖墻的應(yīng)力和變形的影響，對于進一步推動淺覆大跨度小凈距隧道的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 工程概況

溫州某公路隧道左線里程K3+555～K4+955，長1 400 m，右線K3+550～K4+977，長1 427 m。隧道穿越段地層主要為強中風(fēng)化粉砂巖、細砂巖夾泥巖，地層條件相對復(fù)雜。

淺埋段隧道埋深為10～20 m，圍巖級別為V級，隧道毛洞凈跨度為16.47 m，高度為10.84 m，兩隧凈距在10～20 m之間，V級圍巖支護結(jié)構(gòu)如圖1所示。

左右兩洞均采用三臺階法開挖，先行開挖左洞，后行開挖右洞，兩洞縱向間距以左洞支護結(jié)構(gòu)達到一定強度作為控制指標(biāo)。左洞開挖步驟如圖2所示：右洞開挖方式與左洞相同，故不再重復(fù)敘述。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

采用FLAC2D數(shù)值分析軟件進行模擬，取隧道洞跨B=16.47 m，洞高H=10.84 m，隧道埋深取將近一倍洞跨為16 m。為消除應(yīng)力邊界影響，左、右及下邊界取3倍隧道開挖直徑，上邊界取為自由面；左右邊界約束x方向位移，下邊界約束y方向的位移。數(shù)值模型如圖3所示。

圍巖采用平面四邊形等參單元，判定準(zhǔn)則采用Mohr-Cou-

lomb屈服準(zhǔn)則，噴射混凝土采用結(jié)構(gòu)單元liner單元模擬，鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，拱頂120 ？觷范圍的超前雙排Φ42 mm小導(dǎo)管和初支中的Φ25 mm中空注漿錨桿均采用適當(dāng)提高圍巖參數(shù)進行模擬，各力學(xué)參數(shù)見表1。

采用FLAC2D進行施工過程模擬，具體模擬步驟如圖3所示。初始應(yīng)力場根據(jù)巖體的自重應(yīng)力場計算得到，計算平衡后通過修改加固圈的圍巖參數(shù)來模擬小導(dǎo)管和中空注漿錨桿的作用效果。

每一步開挖支護分為兩個階段，第一階段模擬隧道開挖應(yīng)力釋放60%，第二階段模擬隧道施作初期支護后應(yīng)力放40%。根據(jù)新奧法施工原理，二次襯砌僅作為強度儲備，故本次計算中未考慮二次襯砌的影響。

為了分析在不同凈距情況下，右洞開挖對左洞支護結(jié)構(gòu)的受力影響以及隧道開挖多次擾動引起中巖墻受力和變形特性的改變，分別取中巖墻厚度D約為0.5 B（8 m），0.75 B（12 m），1 B（16 m），1.25 B（20 m），1.5 B（24 m），2 B（32 m）情況下進行研究。

3.2 中巖墻塑性區(qū)分布特性分析

采用三臺階法開挖，支護完成后隧道周邊圍巖所形成的塑性區(qū)分布如圖4所示。

從圖中可看出單洞開挖完成后，圍巖塑性區(qū)呈“×”形分布，在拱腰和拱腳部分形成較大的塑性區(qū)，拱腳處尤其嚴(yán)重，塑性區(qū)延伸至拱腳以下5 m左右，而隧道邊墻塑性區(qū)沿徑向為3 m左右。

隨著中巖墻厚度的不斷減少，在D/B為1.25～2的范圍內(nèi)，右洞開挖后對中巖墻塑性區(qū)的變化影響比較小，塑性區(qū)范圍基本與單洞情況下相同；隨著中巖墻厚度的進一步減小，在D/B為0.75～1的范圍內(nèi)，臨近兩隧道邊墻和拱腳處的中巖墻塑性區(qū)范圍有所擴大，隧道拱腳以下塑性區(qū)延伸至9 m左右，但中巖墻塑性區(qū)仍未貫通；當(dāng)D/B=0.5時，即中巖墻厚度為8 m時，隨著右洞上臺階的開挖，中巖墻上部區(qū)域塑性區(qū)已貫通，圍巖處于塑性階段，隨著右洞中、下臺階的開挖，圍巖塑性區(qū)進一步擴大，最終中巖墻范圍內(nèi)塑性區(qū)基本完全貫通。

故在淺覆軟弱圍巖條件下，對于大跨度隧道盡可能的通過控制中巖墻的厚度來防止塑性區(qū)貫通，即盡量將D/B值控制在0.75以上。

4 結(jié) 語

本文通過模擬在不同的D/B情況下，通過分析后掘隧道對中巖墻多次擾動引起中巖墻的塑性區(qū)分布、應(yīng)力和變形的變化規(guī)律以及先行隧道初支結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，得出如下結(jié)論：

①小凈距隧道中巖墻的厚度對于隧道支護結(jié)構(gòu)的受力和中巖墻的力學(xué)特性影響很大，應(yīng)盡量將D/B值控制在0.75以上。

②當(dāng)采用三臺階法開挖時，后掘隧道上、中臺階的開挖對中巖墻的受力和變形影響顯著，施工中應(yīng)該嚴(yán)格控制后掘隧道上、中臺階的開挖尺寸，同時應(yīng)加強對臨近中巖墻先行洞拱腳處圍巖的水平位移及圍巖應(yīng)力進行監(jiān)控量測。

③從先行隧道初支結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化來看，臨近中巖墻的邊墻和拱腳處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱點，應(yīng)保證支護結(jié)構(gòu)的強度，同時嚴(yán)格控制后掘隧道與先行隧道合適的縱向間距。

本文依托浙江溫州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分軟件分析手段，通過模擬不同凈距下，采用三臺階法開挖，分析后掘隧道對先行隧道支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化以及隧道開挖的多次擾動對中巖墻的應(yīng)力和變形的影響，對于進一步推動淺覆大跨度小凈距隧道的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。

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