張維明

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

隨著我國鐵路隧道建設(shè)的迅速發(fā)展，復(fù)雜環(huán)境地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)工程逐漸增多，小凈距隧道相較于連拱隧道在工程造價(jià)及施工難度方面具有優(yōu)勢(shì)，近年來在山區(qū)狹窄地形得到廣泛應(yīng)用[1-2]。而在隧道施工過程中遇到復(fù)雜的地形條件時(shí)，容易出現(xiàn)隧道偏壓現(xiàn)象[3]，因此對(duì)偏壓小凈距隧道設(shè)計(jì)施工及安全穩(wěn)定性的研究，具有十分關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

有關(guān)偏壓小凈距隧道中夾巖柱的研究涉及圍巖參數(shù)的選取、中夾巖柱支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及圍巖穩(wěn)定性分析等。在確定隧道圍巖力學(xué)參數(shù)方面，李耘宇等[5]考慮小凈距隧道先后行洞開挖之間的相互影響效應(yīng)，推導(dǎo)得到淺埋小凈距隧道錨圍巖壓力計(jì)算公式；在小凈距隧道中夾巖柱加固方面，劉蕓等[6]結(jié)合具體工程，采用二維有限元計(jì)算方法提出了不同工程條件下中夾巖柱的加固方式；在偏壓小凈距隧道穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算研究方面，岳旭光[7]通過MIDAS/GTS軟件分析了不同的隧道間距對(duì)既有隧道襯砌振速、位移、應(yīng)力造成的影響。目前，學(xué)者們對(duì)偏壓小凈距隧道的研究逐步取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果，但在選擇合理凈距和巖柱加固支護(hù)等方面仍待完善。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬計(jì)算，確定了偏壓條件下清泉隧道的最小合理凈距，計(jì)算了小凈距隧道的內(nèi)外側(cè)垂直壓力與兩側(cè)水平壓力，分析了不同支護(hù)條件下中夾巖柱的穩(wěn)定性，確定錨噴+中夾巖柱長(zhǎng)錨桿支護(hù)為較合理有效的支護(hù)方案。

2 工程概況

擬建隧道位于甘肅省天水市清水縣紅堡鎮(zhèn)清泉村境內(nèi)，穿行于牛頭河左岸山體。設(shè)計(jì)為左右行分離式的雙洞短隧道。隧道左線進(jìn)口樁號(hào)ZK134+993，出口樁號(hào)ZK135+283，隧道長(zhǎng)290 m。右線進(jìn)口樁號(hào)YK135+002.7，出口樁號(hào)YK135+270，隧道長(zhǎng)267.3 m。

隧道地處構(gòu)造剝蝕低中山地貌，地勢(shì)起伏較大，隧道路線經(jīng)過高程約為1 246～1 352 m。隧道莊浪端進(jìn)口處位于山體斜坡坡腳與牛頭河河谷交匯地帶，自然坡度約47°，上緩下陡，隧道中部山坡坡度較緩，約18°。天水端出口位于山體斜坡坡腳及牛頭河河谷交匯地帶，自然坡度約43°。

在勘察深度范圍內(nèi)，隧址區(qū)地層上覆地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，下伏基巖為下古生界黑云母石英片巖及華力西期二云母花崗巖，巖體較破碎，裂隙發(fā)育，屬較堅(jiān)硬巖-堅(jiān)硬巖，分布于隧址區(qū)基巖山梁下部，巖體中多分布石英片巖捕虜體，片理發(fā)育。

擬建隧道段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，地面橫向偏壓角度為43°，隧道左右兩隧洞上覆土厚度相差較大，隧道偏壓現(xiàn)象明顯。

3 偏壓條件下清泉隧道合理凈距選擇

3.1 清泉隧道數(shù)值計(jì)算模型

清泉雙洞小凈距隧道建筑限界寬16.10 m，凈高10.78 m。隧道主洞內(nèi)輪廓寬12.75 m，高9.58 m。

由于清泉隧道的橫斷面與縱向長(zhǎng)度相比很小，可假定隧道只有橫向位移而縱向位移可忽略不計(jì)[8]，故可采用二維平面模型對(duì)清泉隧道的力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬分析，在縱向取0.1 m。數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算邊界范圍的選取，以在開挖對(duì)隧道圍巖影響范圍內(nèi)[9]可以反映計(jì)算結(jié)果并能縮短計(jì)算時(shí)間為原則，選取x方向上左右模型邊界為左右洞的隧道中心線并施加P2，z方向上的上、下模型邊界取110 m。因清泉隧道左右兩隧洞上覆土厚度相差較大，隧道偏壓現(xiàn)象明顯，因此在模型上邊界施加P1荷載模擬上覆土層壓力，底部邊界取固定邊界。圖1為數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件，其中P1＝4 MPa，P2＝2 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為0.5。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件

3.2 數(shù)值計(jì)算確定合理凈距

以清泉隧道Ⅴ級(jí)圍巖為載體，基于Hoek-Brown應(yīng)變軟化模型[10]，對(duì)D＝(0.2～2.1)B條件下的偏壓清泉隧道進(jìn)行雙洞模擬開挖，D為小凈距隧道的凈距，B為隧道開挖寬度。通過觀察不同小凈距隧道開挖后中夾巖柱位置的塑性區(qū)貫通情況，來判斷合理凈距的取值，0.2～2.1倍凈距隧道開挖后中夾巖柱位置的塑性區(qū)分布如圖2所示。

圖2 0.2～2.1倍凈距條件下開挖后中夾巖柱的塑性區(qū)分布

小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)判依據(jù)主要是中夾巖柱上部不出現(xiàn)拱形貫通區(qū)域[11]，由數(shù)值計(jì)算模擬雙洞開挖結(jié)果可知，當(dāng)D＝(0.2～1.1)B時(shí)，中夾巖柱位置的塑性區(qū)的貫通狀態(tài)較為明顯；當(dāng)D＝(1.2～1.4)B時(shí)，雙洞上部有接近塑性區(qū)的較大范圍，中間巖柱上部出現(xiàn)了潛在的拱形貫通區(qū)域；當(dāng)D≥1.5B時(shí)，雙洞塑性區(qū)處于分離狀態(tài)。根據(jù)不同凈距隧道開挖后中夾巖柱位置的塑性區(qū)分布的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將清泉隧道合理凈距取值確定為D＝1.5B＝19.13 m比較合適。

4 清泉隧道中夾巖柱支護(hù)穩(wěn)定性分析

4.1 理論計(jì)算圍巖壓力

小凈距隧道的中夾巖柱的厚度小，因此計(jì)算圍巖壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜。本文采用普氏理論的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)偏壓條件下清泉隧道的內(nèi)外側(cè)垂直壓力與兩側(cè)水平壓力進(jìn)行計(jì)算[12]。

圖3中，Bt為隧道單洞的開挖寬度(m)；q1和q2分別為小凈距隧道的基本垂直壓力荷載和附加垂直壓力荷載(kPa)。

圖3 小凈距隧道荷載分布示意

外側(cè)垂直壓力q外與內(nèi)側(cè)垂直壓力q內(nèi)由公式計(jì)算可得:

式中，hq1、hq2、h′q2分別為基本垂直壓力，外側(cè)附加垂直壓力和內(nèi)側(cè)附加垂直壓力的荷載等效高度(m)。

兩側(cè)水平壓力，由公式計(jì)算可得:

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 錨桿支護(hù)

使用φ22鎖腳錨桿L＝3 m，間排距為1.2 m，HRB235鋼墊。

4.2.2 噴射混凝土支護(hù)

選取C30普通硅酸鹽水泥，混凝土所能提供的最大承載力Pmax，shot按下式計(jì)算:

式中，σc＝30 MPa，為噴射混凝土的強(qiáng)度；tshot＝0.2 m，為噴射混凝土的厚度；R為隧洞的開挖半徑。

4.2.3 錨噴支護(hù)

結(jié)合錨桿支護(hù)與噴射混凝土支護(hù)，形成了錨桿、混凝土噴層和圍巖共同作用的體系，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)面穩(wěn)固性，減少變形的產(chǎn)生與發(fā)展。

4.2.4 錨噴+中夾巖柱長(zhǎng)錨桿支護(hù)

本隧道凈距為D＝19.13 m，參照規(guī)范，在錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，使用HRB400直徑為25 mm的長(zhǎng)錨桿對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固。

4.3 中夾巖柱支護(hù)穩(wěn)定性分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算分析清泉隧道Ⅴ級(jí)圍巖中夾巖柱在不同支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案作用下的穩(wěn)定性；通過分析小凈距隧道在支護(hù)后的塑性區(qū)分布及變形規(guī)律來評(píng)價(jià)小凈距隧道Ⅴ級(jí)圍巖中夾巖柱的穩(wěn)定性。

4.3.1 錨桿支護(hù)后的穩(wěn)定性分析

圖4為錨桿支護(hù)前后的塑性區(qū)分布及位移變化規(guī)律，由圖4a、4b可知，在無支護(hù)的條件下，在中夾巖柱的兩側(cè)出現(xiàn)明顯塑性區(qū)，擴(kuò)展范圍較大，說明該區(qū)域是重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域。由圖4c、4d可知，與無支護(hù)作用條件下相比，錨桿支護(hù)作用下圍巖垂直方向位移變化不大。通過采用錨桿進(jìn)行支護(hù)后，塑性區(qū)的范圍得到一定的控制，但是效果并不明顯，只是在塑性區(qū)范圍內(nèi)的剪切破壞范圍得到一定的控制。可見，僅選用錨桿支護(hù)不能有效地改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，需進(jìn)一步選擇更合理有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖4 塑性區(qū)分布及位移變化

4.3.2 噴射混凝土支護(hù)后的穩(wěn)定性分析

圖5為噴射混凝土支護(hù)后的塑性區(qū)分布及位移變化規(guī)律，由圖5a可知，通過單獨(dú)采用噴射混凝土作為支護(hù)結(jié)構(gòu)控制圍巖的塑性區(qū)，得到了較好的控制，對(duì)比支護(hù)前后的塑性區(qū)范圍，噴射混凝土后的塑性區(qū)范圍明顯減小，噴射混凝土支護(hù)能有效控制圍巖的塑性區(qū)發(fā)展。由圖5b可知，與無支護(hù)作用條件下相比，混凝土襯砌作用下圍巖垂直方向位移相對(duì)減小，與僅選用錨桿支護(hù)相比能夠有效地改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。但是噴射混凝土支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)，特點(diǎn)是剛度大，并不能允許圍巖產(chǎn)生較大的變形，在新奧法中適宜與錨桿組合支護(hù)起到先柔后剛的支護(hù)效果。

圖5 噴射混凝土支護(hù)塑性區(qū)分布及位移變化

4.3.3 錨噴支護(hù)后的穩(wěn)定性分析

圖6為錨噴支護(hù)后的塑性區(qū)分布及位移變化規(guī)律，由圖6a可知，通過采用錨桿與混凝土襯砌聯(lián)合作為支護(hù)結(jié)構(gòu)控制圍巖的塑性區(qū)，得到了較好的效果，對(duì)比支護(hù)前后的塑性區(qū)范圍，聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)很好地控制了圍巖的破壞。由圖6b可知，與無支護(hù)作用條件下相比，錨桿與混凝土襯砌共同作用下圍巖垂直方向位移相對(duì)減小?？梢?，采用錨噴支護(hù)可以使圍巖的自承能力得到充分發(fā)揮，能夠在一定程度上控制小凈距隧道兩洞開挖后中夾巖柱中的塑性區(qū)發(fā)展，與僅選用錨桿支護(hù)或僅在襯砌作用下相比能夠有效地改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖6 錨噴支護(hù)塑性區(qū)分布及位移變化

4.3.4 錨噴支護(hù)與中夾巖柱長(zhǎng)錨桿共同作用下的穩(wěn)定性分析

圖7為錨噴支護(hù)與中夾巖柱長(zhǎng)錨桿支護(hù)后的塑性區(qū)分布及位移變化規(guī)律，由圖7a可知，與無支護(hù)作用條件下相比，通過長(zhǎng)錨桿加固中夾巖柱與錨噴支護(hù)后，中夾巖柱位置的塑性區(qū)范圍顯著減小，采用錨噴+中夾巖柱長(zhǎng)錨桿支護(hù)，中夾巖柱的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的優(yōu)化。由圖7b可知，與無支護(hù)作用條件下相比，通過長(zhǎng)錨桿加固中夾巖柱后，垂直方向位移比錨噴支護(hù)的垂直方向位移小，錨桿、噴射混凝土以及中夾巖柱長(zhǎng)錨桿共同作用下，隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)得到進(jìn)一步的改善。由于小凈距隧道雙洞的凈間距較小，中夾巖柱的加固措施對(duì)小凈距隧道的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力十分關(guān)鍵，錨噴+中夾巖柱長(zhǎng)錨桿支護(hù)針對(duì)清泉隧道Ⅴ級(jí)圍巖能夠取得較好的支護(hù)效果。

圖7 錨噴+長(zhǎng)錨桿支護(hù)塑性區(qū)分布及位移變化

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果分析

清泉偏壓隧道洞口及洞身采用小凈距施工方法，現(xiàn)場(chǎng)采用錨噴+中夾巖柱長(zhǎng)錨桿支護(hù)方法有效控制了中夾巖柱的變形，提高了隧道圍巖的穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)采用合理的小凈距參數(shù)及支護(hù)方法，提高了施工速度，減少了隧道支護(hù)成本及返修等工程費(fèi)用，研究成果為工程創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)束語

(1)通過數(shù)值模擬計(jì)算得到0.2～2.1倍凈距條件下兩洞開挖后中夾巖柱位置的塑性區(qū)分布情況，通過觀察不同小凈距隧道中夾巖柱位置的塑性區(qū)貫通情況分析其凈距的合理取值，選取偏壓條件下清泉隧道合理凈距為D＝1.5B。

(2)按規(guī)范計(jì)算小凈距隧道的圍巖壓力后，對(duì)不同支護(hù)方式進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出錨噴+中夾巖柱長(zhǎng)錨桿支護(hù)清泉隧道Ⅴ級(jí)圍巖為較合理有效的支護(hù)方案，研究成果在清泉小凈距隧道Ⅴ級(jí)圍巖施工中成功應(yīng)用，并可為類似工程提供參考。