李燕杰 焦俊杰

摘 要：以嶺山隧道為工程依托，通過(guò)有限元分析軟件Midas建立了三維隧道計(jì)算模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示了小凈距隧道施工中圍巖變形及應(yīng)力變化特征。研究結(jié)果表明：后行隧道（右洞）開(kāi)挖對(duì)先行隧道（左洞）拱頂沉降影響較??；左洞右拱腰收斂值隨著左洞開(kāi)挖逐漸增大，隨著右洞的開(kāi)挖有減小趨勢(shì)；在小徑距淺埋隧道施工中，兩隧道中間巖體存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在隧道近接拱腰處圍巖應(yīng)力最大，其中左洞右拱腰水平應(yīng)力隨著右洞的開(kāi)挖逐漸增大。

關(guān)鍵詞：小徑距；數(shù)值模擬；Midas；圍巖變形；附加應(yīng)力

小凈距隧道因比連拱隧道施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低等特點(diǎn)[1]，越來(lái)越受設(shè)計(jì)者所青睞，但其目前還缺乏較為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工等經(jīng)驗(yàn)，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，兩條隧道間圍巖應(yīng)力重分布變化較大，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)在受力上較為復(fù)雜[2-4]，給隧道的安全施工帶來(lái)不便，因此，對(duì)小凈距淺埋隧道進(jìn)行研究具有一定指導(dǎo)性意義。

隨著隧道施工水平的提升，小凈距隧道逐漸發(fā)展起來(lái)，許多學(xué)者對(duì)其也進(jìn)行了研究，舒志樂(lè)等[5]通過(guò)理論分析研究了隧道凈距對(duì)圍巖壓力的影響，胡元芳[6]通過(guò)有限元分析給出了仙岳山隧道最小凈距的參考值，靳曉光等[7]以二維數(shù)值分析研究了淺埋小凈距隧道開(kāi)挖方式的優(yōu)劣性。

本文以恩施嶺山隧道為工程依托，借助有限元分析軟件MIDAS對(duì)小凈距淺埋隧道施工過(guò)程進(jìn)行分析，研究了隧道施工過(guò)程中圍巖壓力及隧道變形的分布規(guī)律，并探討了后行洞施工對(duì)先行洞周邊附件應(yīng)力及變形的影響，以期為工程施工提供一定指導(dǎo)。

1工程概況

嶺山隧道為小凈距雙線隧道，左、右洞長(zhǎng)分別為433m和452m，最大埋深約116～135m。在出口段隧道埋深在20～50m，屬于淺埋地段，隧道測(cè)設(shè)線間距約12m，屬于小凈距隧道，隧址區(qū)出露的地層主要為碎石土及強(qiáng)～中風(fēng)化石灰?guī)r，地下水不甚發(fā)育，主要以裂隙水為主，鉆孔未揭露到地下水位。隧道開(kāi)挖采用光面爆破全斷面和臺(tái)階開(kāi)挖。

2計(jì)算模型

為減小邊界條件對(duì)數(shù)值計(jì)算的影響，選取隧道左右兩側(cè)各4倍洞徑距離，模型寬度取110m，開(kāi)挖長(zhǎng)度取60m，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，每循環(huán)爆破3m，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，左洞先行，左洞開(kāi)挖完成后再開(kāi)挖右洞，左右洞各分20次開(kāi)挖，共有40個(gè)開(kāi)挖循環(huán)，根據(jù)隧道之間相互位置及鉆孔揭露地層情況，將計(jì)算模型建立如下：

計(jì)算模型中圍巖參數(shù)根據(jù)前期勘察資料與室內(nèi)試驗(yàn)確定，噴射混凝土、鋼拱架、錨桿等計(jì)算參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ D70-2004）等相關(guān)規(guī)范與相類(lèi)似工程確定。其中鋼拱架采用等效的方法將強(qiáng)度貢獻(xiàn)到噴射混凝土層中，其具體計(jì)算公式：

（1）

式中：E是等效噴射混凝土彈性模量，E0是原噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Ag為鋼架截面面積，Ac為噴射混凝土截面積，噴射混凝土中鋼筋網(wǎng)主要起防止噴層開(kāi)裂拉破壞，計(jì)算中不予考慮。導(dǎo)管為超前支護(hù)，起到超前加固作用，本計(jì)算中也不與考慮。其中HW175型鋼截面面積為51.43cm2，HW150型鋼截面面積為40.55cm2，材料為HRB335。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1變形分析

當(dāng)兩隧道開(kāi)挖完成后，圍巖的最大位移量發(fā)生在隧道拱頂處，最大位移量為12.2mm，其中右洞最大位移量略大于左洞，右洞塑形區(qū)較左洞大，因地形起伏變化差異，右洞隧道埋深較大，在淺埋小徑距施工條件下，右洞圍巖壓力較大，所受擾動(dòng)程度大。

左右洞拱頂沉降隨著隧道的開(kāi)挖呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，當(dāng)開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，拱頂沉降速率最大，當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面約10環(huán)時(shí)，拱頂沉降趨于穩(wěn)定并且兩洞的最大沉降量相近，最大沉降量約為12.05mm。在開(kāi)挖左洞時(shí)，兩拱腰有向外變形的趨勢(shì)，左洞開(kāi)挖完成后，左洞右拱腰水平位移達(dá)到最大，約為3mm，而左洞左拱腰隨著右洞的開(kāi)挖逐漸增大，表明右洞開(kāi)挖對(duì)左洞產(chǎn)生外擠作用；從右洞拱腰水平位移曲線可以看出，右洞左拱腰在受左洞開(kāi)挖影響的基礎(chǔ)上逐漸向隧道外側(cè)變形，使得水平位移趨于減小，其變化幅度較大，總變化量約2.5mm，右拱腰總體變形趨于平穩(wěn)，變化幅度較小。

為增強(qiáng)對(duì)比，以隧道兩拱腰的相對(duì)位移為研究對(duì)象得到變形曲線，左洞拱腰相對(duì)水平位移量隨著左洞的開(kāi)挖逐漸增大，隨著右洞的開(kāi)挖逐漸減小，右洞拱腰相對(duì)水平位移量隨著隧道的開(kāi)挖呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，左右隧道拱腰處均會(huì)出現(xiàn)驟變現(xiàn)象，表明隧道開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)對(duì)當(dāng)前及相鄰隧道影響較大。

3.2應(yīng)力分析

隧道拱頂和拱底處豎向應(yīng)力較小，在隧道兩拱腰處出現(xiàn)應(yīng)力集中，在右洞左拱腰處豎向應(yīng)力最大，為2.01MPa。

在小徑距隧道開(kāi)挖過(guò)程中，拱腰處受水平應(yīng)力影響較明顯，選取左右隧道第十環(huán)為監(jiān)測(cè)斷面，得到隧道拱腰處圍巖的水平應(yīng)力變化曲線，左洞開(kāi)挖時(shí)，左洞兩拱腰處水平應(yīng)力變化較大，離拱腰越遠(yuǎn)，圍巖應(yīng)力變化越小，當(dāng)掌子面達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，水平應(yīng)力接近最大值，其中右拱腰處水平應(yīng)力大于左拱腰，應(yīng)力大小分別為0.66MPa和0.61MPa；右洞開(kāi)挖時(shí)，兩隧道間圍巖體受力較大，左洞右拱腰水平應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而左拱腰受右洞開(kāi)挖影響較小，應(yīng)力基本保持不變，右洞開(kāi)挖完成后，左洞右拱腰處水平應(yīng)力最大，其次為右洞左拱腰，而左洞左拱腰處水平應(yīng)力最小，其中最大水平應(yīng)力為0.71MPa。

初襯受力最大處基本上位于隧道兩拱腰處，其中最大Mises應(yīng)力約為9.9MPa。

4監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

選取左洞拱頂沉降、拱腰收斂及拱腰壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在監(jiān)測(cè)第35天，右洞掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)，隨著右洞的開(kāi)挖，左洞拱頂沉降基本保持不變，而拱腰收斂呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但其變化幅度較數(shù)值模擬結(jié)果小，實(shí)際拱頂最大沉降值和模擬結(jié)果較為接近，而實(shí)際拱腰收斂最大值大于數(shù)值模擬結(jié)果，差值約為2mm。左洞拱腰實(shí)際監(jiān)測(cè)圍巖變化規(guī)律和數(shù)值模擬結(jié)果相近，左洞右拱腰受右洞的影響呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，實(shí)際監(jiān)測(cè)中其附加應(yīng)力約為0.18MPa，數(shù)值模擬中其附加應(yīng)力約為0.05MPa，左洞左拱腰應(yīng)力受右洞開(kāi)挖影響小。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元模擬軟件Midas對(duì)淺埋小徑距隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)既有相似性也有差異性：

（1）隨著隧道的開(kāi)挖，隧道拱頂、拱腰變形值以及圍巖應(yīng)力變化逐漸增大并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)中，右洞的開(kāi)挖對(duì)左洞拱頂沉降影響較小，而拱腰收斂值有減小趨勢(shì)，數(shù)值模擬中較實(shí)際監(jiān)測(cè)中變化更為明顯。另外，數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)中拱頂沉降最大值較為接近，為11.5mm，而實(shí)際監(jiān)測(cè)拱腰收斂最大值較數(shù)值模擬大2mm。

（3）在數(shù)值模擬中，兩隧道中間巖體存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，近接拱腰處圍巖應(yīng)力最大，隨著右洞的開(kāi)挖，左洞右拱腰應(yīng)力有增大趨勢(shì)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中其變化幅度更加明顯，而左洞左拱腰應(yīng)力基本保持不變。

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作者簡(jiǎn)介：

李燕杰，女，1975年生，滿(mǎn)族，河北承德人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程研究工作，上海普陀區(qū)中山北路2150號(hào)中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司。