李松, 陳秋南, 黃林華

(1.湖南科技學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 湖南 永州 425000；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院)

當(dāng)前，小凈距隧道成為高速公路和高速鐵路中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，其上下行導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響成為重要的研究?jī)?nèi)容。近年來(lái)，小凈距隧道施工關(guān)鍵技術(shù)一直得到較多學(xué)者的研究，針對(duì)小凈距隧道合理凈距的討論也有比較多的成果，研究者們大多通過(guò)數(shù)值模擬分析中間巖柱塑性區(qū)的方法來(lái)確定合理凈距，有研究者采用屈服接近度、中間巖柱應(yīng)力應(yīng)變等方法來(lái)確定合理凈距，也有學(xué)者嘗試推導(dǎo)簡(jiǎn)化的解析解?，F(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中以隧道跨度和圍巖等級(jí)兩個(gè)因素來(lái)界定小凈距隧道與分離式隧道，考慮的因素較少，特別是大斷面小凈距隧道的安全凈距沒(méi)有明確規(guī)定，但是，決定小凈距隧道合理凈距的因素有很多，目前無(wú)論哪一種研究手段對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的研究都具有一定局限性，很多研究成果試圖建立隧道跨度與合理凈距之間的關(guān)系，但是單純建立隧道跨度與合理凈距之間的關(guān)系參考意義有限。該文將考慮不同跨度、埋深、高度和初始地應(yīng)力等條件，進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，研究各因素對(duì)小凈距隧道合理凈距的影響。

1 不同類(lèi)型隧道的合理凈距

1.1 模型建立

JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》提供了兩車(chē)道和三車(chē)道公路隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓斷面圖紙，TB 10020-2009《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中也提供了250 km/h和350 km/h的高鐵隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓斷面圖紙，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)在滿足隧道建筑限界要求的條件下設(shè)計(jì)成果一般與標(biāo)準(zhǔn)圖紙略有差異，以表1中不同斷面隧道作為此次數(shù)值計(jì)算的對(duì)象，隧道開(kāi)挖斷面參數(shù)來(lái)源于實(shí)際工程設(shè)計(jì)圖紙。

表1 隧道開(kāi)挖斷面參數(shù)

注：高度為仰拱底至拱頂?shù)母卟睢?/p>

通過(guò)FLAC3D建立Ⅴ級(jí)圍巖隧道模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，其圍巖計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 圍巖計(jì)算參數(shù)

按JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，淺埋隧道和深埋隧道的分界深度與隧道的跨度有關(guān)，表1中兩車(chē)道二級(jí)公路隧道在Ⅴ級(jí)圍巖中的分界深度約26 m，據(jù)此分析，其余隧道分界深度大于26 m，故將模型隧道埋深統(tǒng)一取25 m，所有隧道模型理論上均為淺埋隧道。

模型左右邊界200 m，上下邊界100 m，進(jìn)深1 m。

初始地應(yīng)力由自重形成，側(cè)壓力系數(shù)(水平地應(yīng)力系數(shù))λ為0.5。

考慮最不利情形，所有模型均不施加支護(hù)結(jié)構(gòu)，一次性開(kāi)挖。

為了方便敘述，下文稱本組模型中的高速公路兩車(chē)道隧道模型為模型1。

模型網(wǎng)格在以下分析結(jié)果中列出，此處不再單列。

1.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)各類(lèi)型隧道建立不同凈距的小凈距隧道模型，以中間巖柱塑性區(qū)不貫通為安全凈距，各類(lèi)隧道塑性區(qū)分布特征及合理凈距見(jiàn)表3。

表3 各類(lèi)隧道塑性區(qū)特征及合理凈距

注：① 分界凈距為中間巖柱塑性區(qū)貫通條件下的最大凈距；② 塑性貫通區(qū)最低點(diǎn)高度為模型底部至塑性貫通區(qū)域最低點(diǎn)的距離。

1.3 結(jié)果分析

圖1為不同類(lèi)型隧道的跨度與合理凈距的關(guān)系，圖2為二級(jí)公路兩車(chē)道隧道和250 km/h單線高鐵隧道分界凈距時(shí)的塑性區(qū)。計(jì)算結(jié)果表明：隨著隧道跨度的增大，合理凈距也隨之增大，但是不同類(lèi)型隧道的跨度與合理凈距之間并非線性關(guān)系，比較二級(jí)公路兩車(chē)道隧道和250 km/h單線高鐵隧道合理凈距可看出，把合理凈距表示為跨度的倍數(shù)是不合適的。從塑性區(qū)開(kāi)展深度來(lái)看，貫通區(qū)的最低點(diǎn)相差不大，但是計(jì)算過(guò)程中隧道的凈距在增大，所以中間巖柱的塑性區(qū)開(kāi)展方向的角度也在增大，隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中確定圍巖壓力時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)滑動(dòng)破裂角進(jìn)行修正。

圖1 隧道跨度與合理凈距關(guān)系

2 埋深對(duì)合理凈距的影響

2.1 模型建立

隧道類(lèi)型選高速公路兩車(chē)道隧道，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖，參數(shù)見(jiàn)表1、2，維持模型1下邊界不變，增加上邊界高度分別建立25、27、29、31、33 m共5種埋深的隧道模型，初始地應(yīng)力及開(kāi)挖支護(hù)見(jiàn)模型1。

2.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)各種埋深的小凈距隧道建立不同凈距的模型，以中間巖柱塑性區(qū)不貫通為安全凈距，各種埋深條件下塑性區(qū)分布特征及合理凈距見(jiàn)表4。

2.3 結(jié)果分析

圖3為隧道埋深與合理凈距的關(guān)系，圖4為埋深分別為27、33 m的圍巖塑性區(qū)。計(jì)算結(jié)果表明：隧道埋深與合理凈距大致呈線性關(guān)系，埋深越大，合理凈距也越大，塑性貫通區(qū)的高度隨埋深增大而增大。隧道埋深增大則圍巖壓力增大，安全凈距也隨之加大，在可預(yù)見(jiàn)的范圍內(nèi)，小凈距隧道合理凈距將按此規(guī)律變化，文獻(xiàn)[9]確定的淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法與該數(shù)值模擬結(jié)果不矛盾，而一般情況下隧道埋深大圍巖更穩(wěn)定，故用此數(shù)值方法來(lái)確定深埋小凈距隧道合理凈距則不合理，更何況深部圍巖的力學(xué)參數(shù)和初始地應(yīng)力與淺部圍巖有較大差異。摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則由大小主應(yīng)力決定圍巖剪切破裂角，計(jì)算結(jié)果也表明中間巖柱塑性區(qū)開(kāi)展方向的角度隨埋深增大而增大，所以進(jìn)行小凈距隧道圍巖壓力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，也應(yīng)該考慮埋深對(duì)破裂角的影響。

圖3 隧道埋深與合理凈距的關(guān)系

圖4 圍巖塑性區(qū)分布

3 初始地應(yīng)力對(duì)合理凈距的影響

3.1 模型建立

隧道類(lèi)型選高速公路兩車(chē)道隧道，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖，參數(shù)見(jiàn)表1、2，隧道埋深取25 m，分別建立側(cè)壓力系數(shù)λ=0.5、0.45、0.4、0.35共4種隧道模型，模型邊界及開(kāi)挖支護(hù)同模型1。

3.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)不同側(cè)壓力系數(shù)的小凈距隧道建立不同凈距的模型，以中間巖柱塑性區(qū)不貫通為安全凈距，各條件下塑性區(qū)分布特征及合理凈距見(jiàn)表5。

表5 不同初始地應(yīng)力條件下隧道塑性區(qū)特征及合理凈距

3.3 結(jié)果分析

圖5為側(cè)壓力系數(shù)與隧道合理凈距的關(guān)系，圖6為λ=0.4和λ=0.35時(shí)合理凈距模型的圍巖塑性區(qū)分布。隨著側(cè)壓力系數(shù)減小，合理凈距隨之增大，中間巖柱上部塑性貫通區(qū)高度隨之增高，而中間巖柱拱腳處塑性區(qū)開(kāi)展明顯比拱腰處深，λ=0.35時(shí)，隧道間距達(dá)到28 m時(shí)拱腳處塑性區(qū)仍然貫通。側(cè)壓力系數(shù)決定了自重初始應(yīng)力場(chǎng)，以上計(jì)算結(jié)果表明側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響很大，而文獻(xiàn)[9]推薦的Ⅴ級(jí)圍巖側(cè)壓力系數(shù)為0.3～0.5，故設(shè)計(jì)小凈距隧道時(shí)選擇合理凈距和支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)當(dāng)重視側(cè)壓力系數(shù)的取值。

圖5 側(cè)壓力系數(shù)與合理凈距的關(guān)系

圖6 圍巖塑性區(qū)分布

4 隧道高度對(duì)合理凈距的影響

4.1 模型建立

參照高速公路兩車(chē)道隧道的跨度和高度，建立跨度為12.6 m，高度分別為10.6、11.6、12.6、13.6 m共4種不同高度的隧道模型，為方便模型建立，隧道邊墻為直墻，不帶仰拱。

模型為Ⅴ級(jí)圍巖，參數(shù)見(jiàn)表2，隧道埋深均為25 m，側(cè)壓力系數(shù)λ=0.5，模型邊界、初始地應(yīng)力及開(kāi)挖支護(hù)同模型1。

4.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)不同高度的小凈距隧道建立不同凈距的模型，以中間巖柱塑性區(qū)不貫通為安全凈距，各條件下塑性區(qū)分布特征及合理凈距見(jiàn)表6。

表6 不同高度隧道塑性區(qū)特征及合理凈距

4.3 結(jié)果分析

圖7為隧道高度與合理凈距的關(guān)系，圖8為隧道高度10.6、13.6 m時(shí)的圍巖塑性區(qū)。埋深不變的條件下，隧道高度與隧道埋深有較強(qiáng)的線性關(guān)系，大致上高度增加1 m，合理凈距增加2 m，這一結(jié)果與二級(jí)公路兩車(chē)道隧道和250 km/h單線高鐵隧道合理凈距的計(jì)算結(jié)果相似。隧道高度為10.6 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果與表2中計(jì)算結(jié)果有出入，表2中二級(jí)公路兩車(chē)道隧道合理凈距計(jì)算結(jié)果為20 m，此處相同跨度和高度的隧道模型計(jì)算結(jié)果為23 m，說(shuō)明斷面形狀對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的重新分布有明顯的影響，從而對(duì)合理凈距有顯著的影響。中間巖柱塑性貫通區(qū)高度隨隧道高度增加而增加，同樣表明圍巖塑性區(qū)開(kāi)展方向的角度隨高度增大而增大，設(shè)計(jì)計(jì)算圍巖壓力時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮隧道斷面形狀和高度的影響。

圖7 隧道高度與合理凈距的關(guān)系

圖8 圍巖塑性區(qū)

5 偏壓對(duì)合理凈距的影響

5.1 模型建立

隧道類(lèi)型為高速公路兩車(chē)道隧道，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，參數(shù)見(jiàn)表1、2，左右隧道拱頂連線中點(diǎn)埋深為25 m，分別建立坡比1/8、1/6、1/4、1/3、1/2共5種偏壓隧道模型，模型下邊界及開(kāi)挖支護(hù)同模型1。

5.2 計(jì)算結(jié)果及分析

以中間巖柱塑性區(qū)不貫通為安全凈距判定標(biāo)準(zhǔn)，除坡比1/2外，其他偏壓條件下的合理凈距均為20～21 m，圖9為20 m凈距時(shí)各偏壓條件下塑性區(qū)分布情況。

圖9 圍巖塑性區(qū)分布(凈距20 m)

計(jì)算結(jié)果表明：從中間巖柱穩(wěn)定性的角度來(lái)分析，偏壓對(duì)合理凈距的影響并不明顯，但對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響很大，隨著偏壓程度增加，埋深大的那一側(cè)隧道圍巖塑性區(qū)開(kāi)展范圍增大，當(dāng)偏壓達(dá)到一定程度，中間巖柱、邊坡及埋深大的一側(cè)隧道圍巖穩(wěn)定性的危害急劇增大。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同跨度、埋深、高度和初始地應(yīng)力等條件下的軟弱圍巖淺埋小凈距隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論：

(1)跨度作為小凈距隧道合理凈距的重要影響因素，并不應(yīng)該成為唯一決定性因素，小凈距隧道的合理凈距與隧道埋深、地應(yīng)力和隧道高度等條件密切相關(guān)。

(2)小凈距隧道合理凈距隨隧道埋深加大而逐步增大，在可預(yù)見(jiàn)的范圍內(nèi)，小凈距隧道合理凈距將按此規(guī)律變化下去，這與工程實(shí)際情況不一致，所以在進(jìn)行數(shù)值模擬確定深埋小凈距隧道合理凈距時(shí)，應(yīng)當(dāng)改變計(jì)算手段。

(3)圍巖側(cè)壓力系數(shù)減小，小凈距隧道合理凈距隨之增大，而且中間巖柱拱腳處塑性貫通區(qū)甚至先于拱腰處出現(xiàn)，故設(shè)計(jì)小凈距隧道時(shí)應(yīng)當(dāng)高度重視側(cè)壓力系數(shù)的取值。

(4)隧道高度對(duì)小凈距隧道合理凈距也有一定的影響，相同埋深相同跨度的小凈距隧道，其合理凈距隨高度增大而增大。

(5)隧道埋深、側(cè)壓力系數(shù)及隧道斷面形狀等因素影響了圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)和重分布應(yīng)力場(chǎng)，小凈距隧道中間巖柱塑性區(qū)開(kāi)展方向的角度也隨之改變，設(shè)計(jì)計(jì)算圍巖壓力時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮這些因素。

(6)偏壓對(duì)合理凈距的影響并不明顯，但對(duì)圍巖壓力塑性區(qū)的影響很大，當(dāng)偏壓達(dá)到一定程度，中間巖柱、邊坡及埋深大的一側(cè)隧道圍巖穩(wěn)定性的危害急劇增大。