高 杰

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300)

FLAC3D數(shù)值模擬實(shí)例分析大跨小凈距雙洞隧道的開(kāi)挖步序影響

高 杰

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300)

以貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線(xiàn)某區(qū)間大跨小凈距雙洞隧道為模本，采用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算，分析雙洞隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的順序和步距變化，對(duì)周邊巖層的變形沉降影響.從中探索隧道理論開(kāi)挖施工中，雙洞應(yīng)采取的順序和需要保持的最小距離，方可保證隧道的穩(wěn)定和安全.

FLAC3D；大跨小凈距；雙洞隧道；開(kāi)挖步序

小凈距隧道一般指兩平行隧道間的中心距小于2.5D(D為隧道跨度)的雙洞隧道.國(guó)內(nèi)目前小凈距隧道的軸線(xiàn)間距一般為13～32 m，凈間距為2～8 m.現(xiàn)階段，對(duì)小凈距隧道的研究主要集中在施工力學(xué)、施工方法、中巖柱加固措施、間距優(yōu)化、支護(hù)體系優(yōu)化等方面.

由于小凈距隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，其設(shè)計(jì)及施工技術(shù)比獨(dú)立雙洞隧道更加復(fù)雜.對(duì)非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道施工過(guò)程力學(xué)形態(tài)、規(guī)律方面需要單獨(dú)建模分析，在間距優(yōu)化、雙洞開(kāi)挖的相互影響、中巖柱加固及穩(wěn)定性判別、圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、施工方法優(yōu)化等眾多方面，進(jìn)一步研究.

1 實(shí)例工程概況

本計(jì)算模型以貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線(xiàn)某區(qū)間隧道工程為實(shí)體研究對(duì)象，該隧道設(shè)計(jì)為雙洞，在里程為YDK24+910～YDK24+970段為左右線(xiàn)非對(duì)稱(chēng)隧道，其斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示.由于停車(chē)線(xiàn)段需要，左線(xiàn)隧道為雙線(xiàn)隧道，開(kāi)挖寬度達(dá)11.36 m，開(kāi)挖高度9.278 m，而右線(xiàn)隧道為單線(xiàn)隧道，開(kāi)挖寬度為6.76 m，開(kāi)挖高度為7.259 m，造成嚴(yán)重的非對(duì)稱(chēng)和偏壓，兩隧道間的凈距只有2.5 m，隧道埋深約10 m.

圖1 小凈距非對(duì)稱(chēng)隧道橫斷面圖

2 模型的建立

應(yīng)用大型通用有限元分析軟件ANSYS的前處理模塊建立地下洞庫(kù)群的數(shù)值模型.然后通過(guò)數(shù)據(jù)接口程序?qū)隖LAC軟件中，并利用ANSYS中材料屬性進(jìn)行組的定義，方便FLAC中數(shù)值分析計(jì)算.由于地下洞室屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，即洞室的橫斷面相對(duì)于縱向的長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)很小，可以假定在圍巖荷載作用下，其縱向是沒(méi)有位移，只有橫向和豎向發(fā)生位移.因此，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間采用二維模型進(jìn)行計(jì)算.

圖2 小凈距非對(duì)稱(chēng)隧道模型

由于本工程為雙洞隧道，在右洞邊界的取值時(shí)考慮應(yīng)力的相互影響，故本次建模時(shí)長(zhǎng)度取為50+55=105 m，上面邊界取至地表，下面邊界取值為35 m，隧道縱向取值為60 m.模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底面限制垂直位移，前后面也為位移邊界，限制前后位移.模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2.

參考《貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線(xiàn)某區(qū)間地質(zhì)勘察報(bào)告》、《貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線(xiàn)某區(qū)間施工設(shè)計(jì)圖》，并結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2005)圍巖參數(shù)取值見(jiàn)表1.

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3 不同開(kāi)挖順序的數(shù)值模擬研究

3.1 小洞先行開(kāi)挖

小洞先行開(kāi)挖時(shí)，分別對(duì)不同的先行步距(兩掌子面相距的距離)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)圍巖的位移以及地表所產(chǎn)生的沉降情況進(jìn)行分析.如圖3～圖6所示，為小洞先行不同步距時(shí)大洞周?chē)鷩鷰r的位移云圖.

圖3 小洞先行步距為18 m豎向位移

圖4 小洞先行步距為24 m豎向位移

圖5 小洞先行步距為30 m豎向位移

圖6 小洞先行步距為48 m豎向位移

由圖可得，當(dāng)小洞先行時(shí)，小洞的開(kāi)挖，主要影響了大洞拱頂偏向小洞的位置處的位移，其影響區(qū)域呈三角形；且該區(qū)域的位移為負(fù)，即向下的位移，其值在0.5～1 mm之間，隧道拱頂偏左上的位置處出現(xiàn)最大的位移.

如圖7所示，為小洞不同先行步距時(shí)在兩洞中線(xiàn)的地表產(chǎn)生的位移曲線(xiàn).由圖可以看出，小洞先行左右洞錯(cuò)開(kāi)距離為18 m時(shí)在隧道中線(xiàn)地表產(chǎn)生的沉降值最大為17.8 mm；當(dāng)錯(cuò)開(kāi)步距大于24 m以后，地表沉降曲線(xiàn)趨于穩(wěn)定，最大沉降為5.01 mm.

圖7 小洞不同先行步距時(shí)地表沉降曲線(xiàn)

3.2 大洞先行開(kāi)挖

大洞先行開(kāi)挖時(shí)，分別對(duì)不同的先行步距(兩掌子面相距的距離)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)圍巖的位移以及地表所產(chǎn)生的沉降情況進(jìn)行分析.如圖8～圖11所示，為大洞先行不同步距時(shí)大洞周?chē)鷩鷰r的位移云圖.

圖8 大洞先行步距為18 m豎向位移

圖9 大洞先行步距為24 m豎向位移

圖10 大洞先行步距為30 m豎向位移

圖11 大洞先行步距為48 m豎向位移

由圖可得，當(dāng)大洞先行時(shí)，大洞的開(kāi)挖，主要影響了小洞拱頂偏向大洞的位置處的位移，其影響區(qū)域主要位于小洞的拱頂附近；且該區(qū)域的位移為負(fù)，即向下的位移，其值在0.5～1.2 mm之間，隧道拱頂偏右上的位置處出現(xiàn)最大的位移.

如圖12所示，為大洞不同先行步距時(shí)在兩洞中線(xiàn)的地表產(chǎn)生的位移曲線(xiàn).由圖可以看出，當(dāng)大洞先行時(shí)，不同先行步距下地表的位移曲線(xiàn)基本相同，來(lái)年該隧道中線(xiàn)上地表的最大沉降值為4.02 mm.

圖12 大洞不同先行步距時(shí)地表沉降曲線(xiàn)

3.3 對(duì)比分析

小洞先行時(shí)，左右洞錯(cuò)開(kāi)步距大于24 m后，左右洞洞內(nèi)水平收斂值穩(wěn)定，而大洞先行開(kāi)挖時(shí)洞內(nèi)水平收斂值受左右洞錯(cuò)開(kāi)步距的影響較小.左右洞錯(cuò)開(kāi)步距大于24 m時(shí)，洞內(nèi)拱頂沉降值穩(wěn)定，而大洞先行開(kāi)挖時(shí)洞內(nèi)拱頂沉降值受開(kāi)挖步距影響較小.

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上的數(shù)值模擬結(jié)果，分析可得，采用大洞先行方案開(kāi)挖時(shí)，左右洞錯(cuò)開(kāi)步距大小對(duì)圍巖的影響不大；采用小洞先行方案開(kāi)挖時(shí)，左右洞錯(cuò)開(kāi)步距大于30 m時(shí),后行洞的開(kāi)挖對(duì)圍巖的松動(dòng)范圍趨于穩(wěn)定，不再擴(kuò)大.

因此，在小間距非對(duì)稱(chēng)隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，當(dāng)相鄰兩洞的施工不同時(shí)，盡量采用大洞先行的施工方案；在不可避免地需要小洞先行施工時(shí)，盡量在兩洞掌子面錯(cuò)開(kāi)30 m后再進(jìn)行大洞的開(kāi)挖.

[1] 黃倫海,劉偉,蔣樹(shù)屏.小凈距公路隧道模型試驗(yàn)研究[J].公路交通技術(shù),2007(2):127-132.

[2] 龔建伍.扁平大斷面小凈距公路隧道施工力學(xué)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2008.

[3] 吳橫濱.小凈距大斷面隧道施工力學(xué)特性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究[D].重慶:重慶大學(xué),2009.

[4] 黃倫海,劉偉,吳夢(mèng)軍.單洞4車(chē)道公路隧道開(kāi)挖模型試驗(yàn)研究[J].公路隧道,2007(4):10-15.

[5] 張恒,陳壽根,程方卉.雙洞八車(chē)道小凈距隧道施工力學(xué)模型試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2013,30(2):83-89.

[6] 蘇曉堃.隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬的圍巖邊界取值范圍研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(3)：64-68.

[7] 張志強(qiáng).非對(duì)稱(chēng)小凈距隧道施工力學(xué)特性研究及方案優(yōu)化[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,44(6):22-26.

[8] 李永瓏.南京地鐵小凈距隧道施工力學(xué)及工序優(yōu)化研究[J].鐵道建筑，2012(1):54-58.

[責(zé)任編輯 王新奇]

Effect of Excavation Sequence of Double Tunnel withLarge Span and Small Net Spacing——Example Analysis by FLAC3D Numerical Simulation

GAO Jie

(China Railway Nineteen Bureau Group Rail Transit Engineering Co., Ltd., Beijing 101300, China)

In this paper, taking a tunnel with large span and small spacing in a certain range of Guiyang rail transit line 1 as a model, by using of flac3D numerical simulation, the influence of the sequence and step length changes on the deformation and settlement of the surrounding rock in the excavating process of double tunnel is analyzed. The following conclusions is explored that in the theoretical construction of tunnel excavation, double holes should be taken in the order and the minimum distance is required to keep, thus the stability and safety of the tunnel will be ensured.

FLAC3D; large span and small net spacing; tunnel with double holes; excavation sequence

1008-5564(2016)06-0092-05

2016-05-16

高 杰(1985—),女，遼寧營(yíng)口人，中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司工程師，主要從事隧道工程研究.

U455.4

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