耿建儀， 梁志輝， 楊新安, *， 王 斌

(1. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 上海 201804； 3. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海 200092； 4. 中鐵五局集團(tuán)第四工程有限責(zé)任公司， 廣東 韶關(guān) 512031)

0 引言

深埋小凈距三洞隧道是高速鐵路隧道中出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)形式，由于其中巖柱寬度小且需要承受較大荷載，因此在隧道施工擾動(dòng)作用下，中巖柱內(nèi)部應(yīng)力極容易達(dá)到圍巖強(qiáng)度而屈服。因此，有必要對(duì)小凈距三洞隧道的中巖柱受力特性和不同支護(hù)參數(shù)對(duì)中巖柱的支護(hù)效果影響進(jìn)行研究。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)小凈距隧道中巖柱力學(xué)特性等相關(guān)問題進(jìn)行了一定的研究。應(yīng)國(guó)剛等[1]基于預(yù)留支護(hù)假設(shè)研究巖柱厚度、隧道半徑對(duì)中巖柱豎向應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)巖柱厚度越小、隧道半徑越大，中巖柱內(nèi)的最大豎向應(yīng)力越大，且應(yīng)力分布更加均勻。張亞鵬等[2]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則對(duì)小凈距隧道的應(yīng)力特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隧道施工時(shí)中巖柱側(cè)巖壁出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。張頂立等[3]利用雙極坐標(biāo)法推導(dǎo)雙洞小凈距隧道中央巖墻應(yīng)力分布表達(dá)式，并研究不同隧道尺度和中巖柱厚度等對(duì)中央巖墻應(yīng)力分布的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道半徑不同時(shí)，巖墻內(nèi)應(yīng)力分布偏向小隧道側(cè)，應(yīng)力分布隨著巖墻厚度的增加逐漸呈現(xiàn)均勻分布的規(guī)律。張進(jìn)[4]研究了隧道凈距對(duì)小凈距隧道的應(yīng)力分布影響，發(fā)現(xiàn)隧道開挖后圍巖塑性區(qū)主要集中在中巖柱處，且隧道凈距越大塑性區(qū)面積越小，中間巖柱最大壓應(yīng)力也逐漸減小。姚勇等[5]對(duì)不同圍巖等級(jí)與隧道凈距下的雙線小凈距隧道中巖柱應(yīng)力變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)中巖柱豎向應(yīng)力隨著隧道凈距的減少而顯著增加，圍巖質(zhì)量越好中巖柱受力越大。巫峰[6]對(duì)小凈距隧道的中巖柱豎向應(yīng)力隨施工步的變化情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)中巖柱底部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象而承受較大壓力。呂顯福等[7]對(duì)中巖柱內(nèi)部塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著隧道凈距增加，圍巖塑性區(qū)主要集中于中巖柱核心的范圍內(nèi)。朱莉等[8]研究了不同凈距下小凈距隧道塑性區(qū)和圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布特點(diǎn)，得出圍巖應(yīng)力變化較大的地方集中分布在中巖柱核心以及拱腳位置，且該位置最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

以上研究都指出，小凈距隧道施工中，中巖柱承受較大豎向壓力，且穩(wěn)定性較差。因此，也有不少學(xué)者在小凈距隧道支護(hù)受力和支護(hù)方式比選方面進(jìn)行了研究。楊凱等[9]對(duì)不同圍巖級(jí)別和隧道凈距下的并行隧道施工進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隨著隧道凈距的減小，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖隧道施工時(shí)先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的圍巖壓力且中巖柱的穩(wěn)定性難以保證。龔建伍[10]對(duì)小凈距隧道圍巖應(yīng)力變化和中巖柱支護(hù)方案進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)中巖柱豎向應(yīng)力隨著隧道凈距減少而顯著增加，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖隧道應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)支護(hù)的基礎(chǔ)上合理采用超前注漿+拱腰加長(zhǎng)錨桿的方式對(duì)中巖柱進(jìn)行支護(hù)。孫景鳳等[11]分析了中巖柱加固與否對(duì)小凈距大跨隧道中巖墻的穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)采用對(duì)拉錨桿+注漿加固的中巖墻比未加固的中巖墻變形減小50%。李志剛等[12]將不同的小凈距隧道超前加固方式對(duì)圍巖變形的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為施作超前小導(dǎo)管有利于保證中巖柱的穩(wěn)定性。謝偉華[13]將不同錨桿長(zhǎng)度、錨桿間距和噴射混凝土厚度對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)初期支護(hù)效果與錨桿長(zhǎng)度和噴射混凝土厚度正相關(guān)，與錨桿間距負(fù)相關(guān)。陳佳[14]對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖小凈距隧道不同中巖柱加固的效果進(jìn)行了比較分析，得出小凈距隧道應(yīng)當(dāng)綜合采用雁形部位加長(zhǎng)錨桿+注漿對(duì)拉錨桿等形式對(duì)中巖柱進(jìn)行加固。

綜上，目前的研究多針對(duì)小凈距雙洞隧道，而深埋小凈距三洞隧道作為一種近年來(lái)才出現(xiàn)的鐵路隧道結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其中巖柱受力特性與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究較為少見。本文基于京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站小凈距三洞隧道工程，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究不同凈距下中巖柱受力特性，并據(jù)此將不同初期支護(hù)參數(shù)對(duì)中巖柱支護(hù)效果的影響進(jìn)行對(duì)比分析，以期得到適用于該隧道的中巖柱支護(hù)方案。

1 依托工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是新京張鐵路控制工程，車站施工范圍里程標(biāo)號(hào)為DK67+786.6～DK68+281.6,全長(zhǎng)495 m(包括398 m小凈距三洞隧洞道段)，車站最大埋深102 m。車站主體部分采用如圖1所示的小凈距三洞隧道形式，左、右兩側(cè)邊洞隧道(到發(fā)線)毛洞尺寸為15.9 m×12.4 m，中洞隧道(正線)毛洞尺寸為14.3 m×12.2 m，邊洞與中洞的凈距約為2.33～5.88 m，根據(jù)我國(guó)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，其屬于小凈距隧道的范疇。

圖1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站三洞隧道平面示意圖(陰影部分為中巖柱)[16] (單位： m)

新八達(dá)嶺長(zhǎng)城站里程范圍內(nèi)的地質(zhì)剖面圖如圖2所示，主要地層自上而下為素填土、全風(fēng)化斑狀二長(zhǎng)花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化斑狀二長(zhǎng)花崗巖和微風(fēng)化斑狀二長(zhǎng)花崗巖。圍巖條件復(fù)雜，在隧道掘進(jìn)方向上圍巖級(jí)別在Ⅲ級(jí)到Ⅴ級(jí)之間不斷變換，其中Ⅲ級(jí)圍巖約占63%，Ⅴ級(jí)圍巖約占37%，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖2 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站隧道地質(zhì)剖面圖

1.2 小凈距三洞隧道施工方案

Ⅴ級(jí)圍巖段小凈距三洞隧道的施工方案如圖3所示。小凈距三洞隧道采用先開挖邊洞，再開挖中洞的施工順序，先行洞室與后行洞室的凈距為40～60 m。其中，左、右兩側(cè)邊洞施工采用上下臺(tái)階法施工，中洞采用三臺(tái)階法施工，各洞室開挖進(jìn)尺為2.0 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為30 m。對(duì)拉錨桿設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力為60～90 kN，在邊洞施工完成后先張拉至預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值的50%～60%，當(dāng)中洞施工至指定里程后將中洞側(cè)的對(duì)拉錨桿張拉至設(shè)計(jì)值，并將邊洞側(cè)對(duì)拉錨桿進(jìn)行補(bǔ)拉。隧道初期支護(hù)采用錨桿+鋼架+噴射混凝土的形式，初期支護(hù)施工參數(shù)如表1所示。

由于隧道凈距極小，為避免施工爆破對(duì)二次襯砌的擾動(dòng)，故該工程計(jì)劃當(dāng)長(zhǎng)398 m的三洞隧道均貫穿后，再統(tǒng)一澆筑二次襯砌，即隧道施工后的圍巖荷載基本由中巖柱和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此本文后續(xù)分析均不考慮二次襯砌。

2 小凈距三洞隧道中巖柱應(yīng)力分布特性

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

為了解不同凈距下中巖柱的豎向應(yīng)力分布特性，驗(yàn)證中巖柱支護(hù)的必要性并指導(dǎo)小凈距隧道中巖柱支護(hù)的優(yōu)化，采用Midas GTS有限元分析軟件，對(duì)1、2.33、3.88、5.44、7、8.5 m共6種不同的隧道凈距分別建立三維分析模型，其中2.33、3.88、5.44 m為工程中實(shí)際存在的隧道凈距。為減小邊界效應(yīng)的影響，模型的長(zhǎng)、寬、高分別取為200、50、200 m，建立的計(jì)算分析模型如圖4所示。在數(shù)值模擬中，隧道單次進(jìn)尺長(zhǎng)度取為2 m，臺(tái)階長(zhǎng)度取為8 m，對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力直接施加至設(shè)計(jì)值。由于先行洞室掌子面超前后行洞室40～60 m，因此模擬中采用左洞貫通后施工右洞，右洞貫通后施工中洞的施工步序。

(a) 三洞隧道施工工法與步序示意圖 (單位： mm)

(b) 左、右邊洞臺(tái)階法施工示意 (單位： m)

(c) 中洞三臺(tái)階法施工示意 (單位： m)

(d) 三洞隧道施工時(shí)機(jī)示意 (單位： m)

Fig. 3 Construction cross-section and profile of small clear spacing three-tube tunnel of Badaling Great Wall Station

表1 優(yōu)化前隧道初期支護(hù)施工參數(shù)

圖4 數(shù)值計(jì)算模型(以凈距5.44 m為例)

Fig. 4 Numerical calculation model (taking 5.44 m clear spacing as an example)

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

巖體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，錨桿采用1D植入式桁架單元模擬，噴射混凝土采用2D板單元模擬，對(duì)于超前小導(dǎo)管采用提高注漿區(qū)圍巖參數(shù)的方式模擬，隧道施工工法如圖3所示。對(duì)于系統(tǒng)錨桿、加長(zhǎng)錨桿和初期支護(hù)噴射混凝土3項(xiàng)待優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，暫選取所有錨桿環(huán)向間距和縱向間距均為1.0 m，初期支護(hù)噴射混凝土厚度為28 cm，格構(gòu)鋼架的剛度采用“代換剛度法”換算入噴射混凝土的剛度進(jìn)行考慮。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)參數(shù)取自八達(dá)嶺長(zhǎng)城站地質(zhì)勘探資料，具體參數(shù)如表2所示。

表2計(jì)算模型中所用材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)

Table 2 Mechanical parameters of materials used in numerical models

材料重度/(kN/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)素填土17.80.080.40.1520.0 全風(fēng)化斑狀二長(zhǎng)花崗巖20.40.60.350.1825.0 強(qiáng)風(fēng)化斑狀二長(zhǎng)花崗巖21.62.10.330.2824.0 微風(fēng)化斑狀二長(zhǎng)花崗巖24.03.60.30.4028.0超前加固區(qū)23.96.00.280.6031.0噴射混凝土24.533.90.25錨桿78.5210.00.2

2.3 小凈距三洞隧道中巖柱豎向應(yīng)力分布特性

數(shù)值計(jì)算得到的不同隧道凈距下中巖柱最大豎向應(yīng)力變化關(guān)系曲線見圖5。如圖5所示，不同隧道凈距下中巖柱的最大豎向應(yīng)力大小不同，且在隧道凈距小于3.88 m(即中巖柱最大豎向應(yīng)力為5.06 MPa)時(shí)，中巖柱最大豎向內(nèi)力發(fā)生較大變化。隨著隧道凈距的增大，中巖柱內(nèi)最大豎向應(yīng)力隨之減小，且隧道凈距越大，最大豎向應(yīng)力的減小幅度越小。這主要是由于當(dāng)隧道凈距較小時(shí)，中巖柱寬度較小，由于三洞隧道施工壓力拱的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致中巖柱內(nèi)部豎向應(yīng)力往往較大。但隨著隧道凈距的增加，隧道施工的疊加影響減小且中巖柱受力的寬度增加，導(dǎo)致中巖柱內(nèi)應(yīng)力減少。

圖5 中巖柱最大豎向應(yīng)力與隧道凈距的關(guān)系

Fig. 5 Relationship between maximum vertical stress of middle rock pillar and clear spacing of tunnel

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的Ⅴ級(jí)圍巖段的圍巖試塊單軸抗壓強(qiáng)度為18.3～61.8 MPa，雖然其強(qiáng)度屬于Ⅳ級(jí)圍巖范圍，但考慮隧道施工區(qū)間深埋巖體存在發(fā)育節(jié)理和斷層破碎帶，且由于隧道凈距小易受施工擾動(dòng)影響，為避免中巖柱承受較大壓應(yīng)力而產(chǎn)生較大的擠出變形，在本隧道工程條件下?、跫?jí)圍巖強(qiáng)度5 MPa為界對(duì)中巖柱的加固需求進(jìn)行分析。如圖5所示，當(dāng)隧道凈距小于3.88 m時(shí)，數(shù)值模擬得到的中巖柱最大豎向應(yīng)力發(fā)生突變且數(shù)值開始大于5 MPa，因此需要對(duì)隧道中巖柱進(jìn)行強(qiáng)加固； 而當(dāng)隧道凈距大于3.88 m時(shí)，需根據(jù)規(guī)范要求對(duì)中巖柱進(jìn)行合理加固。

不同凈距下的中巖柱主要承載范圍和塑性區(qū)分布規(guī)律以3.88 m為界，在不同凈距區(qū)間內(nèi)的中巖柱承載范圍和塑性區(qū)分布存在一定差異，而在同一凈距區(qū)間內(nèi)其規(guī)律基本相同，因此選取2.33 m、3.88 m和5.44 m 3種隧道凈距進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖6所示。當(dāng)隧道凈距大于5.44 m時(shí)，中巖柱最大豎向應(yīng)力尚未達(dá)到5 MPa，中巖柱承載范圍主要為巖柱中間的核心區(qū)域，圍巖塑性區(qū)主要集中在隧道邊墻處且邊洞與中洞的塑性區(qū)并未發(fā)生連接。當(dāng)隧道凈距為3.88 m時(shí)，中巖柱所受到的最大豎向應(yīng)力為5.062 MPa，應(yīng)力逐漸超過(guò)5 MPa，由于中巖柱承載能力有限，上部圍巖荷載開始再向下傳遞再向隧道邊墻角處集中，中巖柱的承載范圍為巖柱中部小凈距處和隧道邊墻角處的巖柱處，邊洞與中洞的圍巖塑性區(qū)開始發(fā)生連接。當(dāng)隧道凈距小于2.33 m時(shí)，中巖柱所受到的最大壓應(yīng)力已超過(guò)5 MPa，中巖柱承載能力不足，應(yīng)力向下傳遞，在隧道邊墻角處的巖柱范圍內(nèi)集中，此時(shí)中巖柱的承載范圍為隧道邊墻角處的巖柱處，邊洞與中洞的圍巖塑性區(qū)已經(jīng)完全連接。中巖柱的承載范圍和塑性區(qū)分布以5 MPa的中巖柱最大豎向應(yīng)力為界表現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，印證了將中巖柱最大壓應(yīng)力5 MPa作為本隧道工程強(qiáng)加固與合理加固界線的可取性。此外，當(dāng)凈距小于3.88 m時(shí)，邊洞靠近中巖柱側(cè)的仰拱下方均出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，這主要與小凈距隧道施工對(duì)圍巖的疊加影響導(dǎo)致仰拱發(fā)生較大隆起有關(guān)。

(a) 5.44 m凈距圍巖豎向應(yīng)力分布 (單位： MPa) (b) 5.44 m凈距圍巖塑性應(yīng)變分布

(c) 3.88 m凈距圍巖豎向應(yīng)力分布 (單位： MPa) (d) 3.88 m凈距圍巖塑性應(yīng)變分布

(e) 2.33 m凈距圍巖豎向應(yīng)力分布 (單位： MPa) (f) 2.33 m凈距圍巖塑性應(yīng)變分布

圖6不同凈距下三洞隧道中巖柱應(yīng)力與塑性區(qū)分布云圖

Fig. 6 Nephograms of stress and plastic zone distribution of middle rock pillar in three-tube tunnel with different clear spacing

綜上所述，深埋小凈距三洞隧道中巖柱在施工過(guò)程中會(huì)承受較大的豎向荷載，并可能貫穿塑性區(qū)，因此需要對(duì)工程中的中巖柱支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3 小凈距三洞隧道中巖柱支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 中巖柱支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型建立

按照原有施工方案，針對(duì)中巖柱的加固措施主要有對(duì)拉錨桿、拱腰側(cè)的系統(tǒng)錨桿等，但在實(shí)際施工中既定方案對(duì)圍巖變形控制效果差，中巖柱處多次發(fā)生初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大的情況。因此，結(jié)合2.3節(jié)數(shù)值模擬得到的圍巖豎向應(yīng)力分布特性，為保證小凈距三洞隧道的順利施工，應(yīng)對(duì)原有的支護(hù)方案進(jìn)行變更，計(jì)劃用加長(zhǎng)錨桿替換雁形部位系統(tǒng)錨桿，并對(duì)雁形部位加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度和對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力及其環(huán)、縱向間距這4個(gè)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)不同支護(hù)參數(shù)在控制中巖柱的水平變形、拱頂沉降和中巖柱側(cè)初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力的效果進(jìn)行對(duì)比，得到適用于八達(dá)嶺長(zhǎng)城站小凈距隧道施工的支護(hù)方案。

待優(yōu)化的小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖7所示，地層與支護(hù)相關(guān)參數(shù)見表2。當(dāng)對(duì)某一支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，其余支護(hù)參數(shù)按照表1中優(yōu)化前的參數(shù)進(jìn)行取值。

(a) 待優(yōu)化支護(hù)體系正面圖

(b) 待優(yōu)化支護(hù)體系軸測(cè)圖

3.2 加長(zhǎng)錨桿對(duì)比分析

由于Ⅴ級(jí)圍巖自身穩(wěn)定性較差，因此考慮將雁形部位的系統(tǒng)錨桿替換為加長(zhǎng)錨桿，加強(qiáng)中巖柱上方圍巖的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，以對(duì)中巖柱進(jìn)行支護(hù)。選取4.5 m(即不采用加長(zhǎng)錨桿)、5.0 m、5.5 m和6.0 m 4種不同長(zhǎng)度的加長(zhǎng)錨桿將其對(duì)中巖柱的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化分析。

不同加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度下的中巖柱支護(hù)效果如圖8所示。當(dāng)隧道凈距為2.33 m時(shí)，中巖柱內(nèi)最大水平位移、最大沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力均隨著加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度的增加而減少；當(dāng)加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度達(dá)到6.0 m時(shí)，3項(xiàng)支護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)均基本穩(wěn)定，能夠有效限制中巖柱的變形并保障巖柱和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而當(dāng)隧道凈距為3.88 m和5.44 m時(shí)，3項(xiàng)支護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度的增加均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，但區(qū)別不大。這主要是由于中巖柱寬度增加后，中巖柱及其上方部分區(qū)域內(nèi)的圍巖所受應(yīng)力不大，自身能保持穩(wěn)定，故其支護(hù)效果并不明顯，而加長(zhǎng)錨桿的質(zhì)量反而增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的承載，導(dǎo)致變形和結(jié)構(gòu)受力有輕微的增加。因此，對(duì)于2.33 m、3.88 m和5.44 m的隧道凈距情況，僅需要在2.33 m凈距下采用6.0 m長(zhǎng)的加長(zhǎng)錨桿替代中巖柱側(cè)拱腰位置的系統(tǒng)錨桿，而3.88 m和5.44 m凈距則仍沿用4.5 m的系統(tǒng)錨桿即可。

3.3 對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)比分析

如1.2節(jié)所述，選取60、70、80、90 kN 4種不同對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力值，將其對(duì)中巖柱的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析。

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

圖8不同加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度下中巖柱支護(hù)效果(水平位移以向右移動(dòng)為正方向)

Fig. 8 Support effect of middle rock pillar under different lengths of lengthened bolts

不同對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力下的中巖柱支護(hù)效果如圖9所示。中巖柱內(nèi)最大水平位移、沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力隨著預(yù)應(yīng)力的增加而減少，且減少的幅度與隧道凈距正相關(guān)。隧道凈距為2.33 m和3.88 m的情況下，當(dāng)對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力大于90 kN時(shí)，中巖柱內(nèi)部最大水平位移、拱頂沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力減少幅度變緩，即該預(yù)應(yīng)力下中巖柱即可得到有效支護(hù)。隧道凈距為5.44 m時(shí)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力分別大于60 kN時(shí)，3項(xiàng)中巖柱支護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)變化幅度較小，說(shuō)明中巖柱的穩(wěn)定性已滿足要求。因此，對(duì)于2.33 m、3.88 m和5.44 m的隧道凈距情況，應(yīng)當(dāng)分別選擇90、90、60 kN的對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)中巖柱進(jìn)行支護(hù)。

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

Fig. 9 Support effect of middle rock pillar under different prestress of counter-pulled bolts

3.4 對(duì)拉錨桿間距對(duì)比分析

《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，錨桿的間距應(yīng)當(dāng)與圍巖等級(jí)和施工工法相適應(yīng)，且不宜大于錨桿長(zhǎng)度的一半?？紤]到Ⅴ級(jí)圍巖段圍巖強(qiáng)度差，小凈距三洞隧道間凈距小且施工擾動(dòng)大等因素，擬將環(huán)、縱向間距采用0.6、0.8、1.0、1.2 m時(shí)的對(duì)拉錨桿支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化分析。

不同對(duì)拉錨桿環(huán)向凈距下的中巖柱支護(hù)效果如圖10所示。中巖柱內(nèi)最大水平位移、最大沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力均隨著對(duì)拉錨桿間距的增加而增加，且增加的幅度與隧道凈距正相關(guān)。2.33 m和3.88 m的隧道凈距下，當(dāng)錨桿環(huán)向間距大于0.8 m時(shí)，各洞室拱頂沉降和中巖柱內(nèi)的最大水平位移變化較大，且伴隨著中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力的顯著增加。因此，對(duì)于這2種凈距下的隧道，對(duì)拉錨桿環(huán)向間距大于0.8 m不利于圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。而當(dāng)隧道凈距為5.44 m時(shí)，由于中巖柱寬度較大，其自身能夠穩(wěn)定承載，表現(xiàn)為3項(xiàng)支護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)并不隨著環(huán)向間距的增加而穩(wěn)步增加。因此，對(duì)于2.33 m、3.88 m和5.44 m的隧道凈距情況，應(yīng)當(dāng)分別選擇0.8、0.8、1.0 m的對(duì)拉錨桿環(huán)向間距對(duì)中巖柱進(jìn)行支護(hù)。

不同對(duì)拉錨桿縱向間距下的中巖柱支護(hù)效果如圖11所示。相較于其環(huán)相間距，中巖柱支護(hù)效果對(duì)對(duì)拉錨桿縱向間距的敏感性更強(qiáng)。中巖柱內(nèi)最大水平位移、拱頂沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力均隨著對(duì)拉錨桿間距的增加而增加。凈距為2.33、3.88、5.44 m的隧道，當(dāng)錨桿縱向間距分別大于0.6、0.8、1.0 m時(shí)，3項(xiàng)中巖柱支護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)開始出現(xiàn)突變，說(shuō)明當(dāng)超過(guò)這一縱向間距時(shí)，支護(hù)體系對(duì)中巖柱的支護(hù)效果開始顯著減弱，中巖柱開始呈現(xiàn)失穩(wěn)的趨勢(shì)。因此，對(duì)于2.33、3.88、5.44 m的隧道凈距情況，應(yīng)當(dāng)分別選擇0.6、0.8、1.0 m的對(duì)拉錨桿縱向間距對(duì)中巖柱進(jìn)行支護(hù)。

綜上所述，經(jīng)優(yōu)化后的不同隧道凈距下中巖柱相關(guān)的初期支護(hù)參數(shù)如表3所示，采用優(yōu)化后的加固參數(shù)經(jīng)數(shù)值模擬得到的中巖柱內(nèi)最大水平位移、拱頂沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表4所示?？梢?，優(yōu)化后的初期支護(hù)參數(shù)能有效控制中巖柱變形，并保證巖柱和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

Fig. 10 Support effect of middle rock pillars under different circumferential distances of counter-pulled bolts

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

Fig. 11 Support effect of middle rock pillars under different vertical distances of counter-pulled bolts

表3優(yōu)化后不同凈距隧道下中巖柱支護(hù)參數(shù)

Table 3 Optimized support parameters of middle rock pillar of tunnel under different clear spacing

隧道凈距/m雁形部錨桿長(zhǎng)度/m對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力/kN環(huán)相間距/m縱向間距/m2.336.0 900.80.63.884.5(不加長(zhǎng))900.80.85.444.5(不加長(zhǎng))601.01.0

表4參數(shù)優(yōu)化后中巖柱支護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值模擬結(jié)果

Table 4 Numerical simulation results of evaluation index for support effect of middle rock pillar after parameter optimization

隧道凈距/m中巖柱最大水平位移/mm拱頂沉降/mm左洞中洞右洞中巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力/MPa2.3311.689.3210.389.839.873.8810.957.149.447.968.765.449.875.939.016.377.16

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后中巖柱監(jiān)測(cè)分析

在小凈距三洞隧道施工中，進(jìn)行了圍巖變形、噴射混凝土內(nèi)力等多項(xiàng)監(jiān)測(cè)工作，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示。受限于篇幅，故本文僅選擇與中巖柱和隧道穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)緊密的測(cè)點(diǎn)。且經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，左、右側(cè)中巖柱的噴射混凝土內(nèi)力數(shù)值分布基本相似，故僅對(duì)左側(cè)中巖柱噴射混凝土內(nèi)力相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(即測(cè)點(diǎn)1-4)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)元件與元件布置如圖13所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置示意

選取不同凈距的典型隧道斷面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)分析，當(dāng)圍巖水平變形、拱頂沉降和噴射混凝土內(nèi)力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定后，3個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖14所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比情況如表5所示，個(gè)別斷面監(jiān)測(cè)量的最大值出現(xiàn)位置不同主要是由小凈距段隧道現(xiàn)場(chǎng)施工擾動(dòng)造成。從表5可以發(fā)現(xiàn)，小凈距三洞隧道施工中，邊洞拱頂沉降小于中洞但邊洞中巖柱側(cè)水平位移大于中洞，各洞室拱腰處的噴射混凝土內(nèi)力大于邊墻處的噴射混凝土內(nèi)力，在實(shí)際施工中應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(a) 反射片

(b) 反射片布置 (單位： cm)

(c) 混凝土應(yīng)變計(jì)

(d) 混凝土應(yīng)變計(jì)布置

綜上，按照優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)，八達(dá)嶺站三洞隧道已順利完成施工，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的圍巖最大水平變形量和拱頂沉降量均小于設(shè)計(jì)要求，且噴射混凝土內(nèi)力遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，驗(yàn)證了優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)的合理性。

(a) 水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 噴射混凝土內(nèi)力

Fig. 14 Statistical analysis of rock pillar deformation in site monitoring

表5不同測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

Table 5 Comparison between field monitoring results and numerical simulation results

5 結(jié)論與建議

采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，研究不同凈距下深埋小凈距三洞隧道中巖柱的受力特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工反應(yīng)的中巖柱側(cè)局部變形超限問題，對(duì)中巖柱側(cè)初期支護(hù)涉及的加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度、對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力及其環(huán)、縱向間距等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)原先支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)其在實(shí)際工程中的運(yùn)用效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了如下結(jié)論：

1)基于數(shù)值模擬，計(jì)算不同隧道凈距下小凈距三洞隧道中巖柱所受最大豎向應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合不同凈距下中巖柱承載范圍和塑性區(qū)的變化規(guī)律，建議小凈距隧道施工應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道凈距的不同對(duì)中巖柱進(jìn)行不同程度的加固。

2)隨著隧道凈距的逐漸減小，中巖柱的主要承載區(qū)域由其寬度最小處的核心區(qū)域逐步向洞室墻腳附近的圍巖轉(zhuǎn)移，中巖柱兩側(cè)的塑性區(qū)域逐漸貫通，其自身穩(wěn)定性逐漸降低。

3)將對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力、加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度和對(duì)拉錨桿環(huán)向與縱向間距4項(xiàng)主要支護(hù)參數(shù)對(duì)中巖柱的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，得出初期支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果隨著對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力的增加而增強(qiáng)，隨著對(duì)拉錨桿環(huán)向、縱向間距的增加而減弱，當(dāng)隧道凈距為2.33 m時(shí)，支護(hù)效果隨著加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)； 當(dāng)隧道凈距為3.88 m和5.44 m時(shí)，支護(hù)效果隨著加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。

4)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證，小凈距三洞隧道中巖柱處的穩(wěn)定性較好，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合性好，證明了數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性，可為類似工程提供參考。

本文對(duì)小凈距三洞隧道中巖柱豎向應(yīng)力分布特性的研究主要采用數(shù)值模擬的方法，后續(xù)可采用理論推導(dǎo)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，對(duì)小凈距三洞隧道的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行深入研究。