袁 松,王希寶,陳子全,蔣長(zhǎng)偉

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國“西部大開發(fā)”和“一帶一路”倡議的實(shí)施,交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅猛、規(guī)模逐漸擴(kuò)大,越來越多的高速公路穿過崇山峻嶺,但在公路獨(dú)立雙洞隧道布線時(shí)會(huì)受到地形限制,壓縮雙洞間距有時(shí)不可避免。雖然連拱隧道能解決該問題,但由于其成本較高、工藝要求高,不能廣泛應(yīng)用。于是小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式越來越多地應(yīng)用于隧道工程中[1-3]。不過在高地應(yīng)力硬巖隧道中,存在巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),不同的隧道凈距對(duì)隧道發(fā)生巖爆的劇烈程度有所影響,選擇合理的隧道凈距可有效減緩隧道在開挖過程中產(chǎn)生巖爆的劇烈程度,因此,有必要對(duì)不同隧道凈距下圍巖的變形和力學(xué)特征進(jìn)行研究,再使用巖爆判據(jù)判斷巖爆發(fā)生的劇烈程度,優(yōu)化隧道凈距,這對(duì)推動(dòng)高地應(yīng)力硬巖小凈距隧道的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者主要研究了洞口淺埋隧道的合理凈距選擇、中夾巖加固及穩(wěn)定措施、先行洞開挖及支護(hù)對(duì)后行洞的影響等。Zhang等[4]提出了一種利用非線性破壞準(zhǔn)則極限分析和可靠度理論分析雙淺埋隧道穩(wěn)定性的方法;劉陽[5]從圍巖塑性流變、板梁彎曲、節(jié)理面滑移和壓桿失穩(wěn)等方面分析了軟巖擠壓性大變形隧道在不同凈距下的變形規(guī)律,他認(rèn)為凈距<2D(D為正洞寬度)時(shí),水平收斂及初支受力隨凈距增大而增大,凈距>2D時(shí),隨凈距增大而減小;劉艷青等[6]分析了并行隧道的力學(xué)狀態(tài),他認(rèn)為先開挖較差巖體一側(cè)的隧道,巖體的力學(xué)形態(tài)比先開挖較好側(cè)隧道要好;丁晨曦對(duì)公路隧道后行洞開挖進(jìn)尺進(jìn)行了研究,提出了不同凈距下后行洞所允許的最大開挖進(jìn)尺;賀曉銘[7]分析了隧道兩洞間的縱向空間效應(yīng),提出了合理的縱向施工間距;田志宇等[8]從靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面對(duì)小凈距隧道中夾巖的破壞模式進(jìn)行了研究,得出了隧道中夾巖的破壞始于靠先行洞一側(cè)拱腰位置的結(jié)論。

上述學(xué)者對(duì)隧道合理凈距的選擇進(jìn)行了大量研究,但卻忽視了埋深和高地應(yīng)力對(duì)兩洞的相互影響。吳枋胤等[9]通過數(shù)值模擬對(duì)比不同隧道凈距、順序、縱向步距下洞周變形與塑性破壞規(guī)律,并探討局部擴(kuò)挖洞形的可行性,得出適宜的關(guān)鍵參數(shù);吳開華等[10]指出,中夾巖有效承載寬度及抗壓強(qiáng)度會(huì)影響附加承載拱的形成,伴隨中夾巖有效承載寬度及抗壓強(qiáng)度的增大,圍巖壓力均呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì),增大到一定程度,附加承載拱消失,圍巖壓力穩(wěn)定,為單洞受力狀態(tài);李磊等[11]研究了成蘭鐵路楊家坪隧道受高地應(yīng)力影響的小凈距隧道大變形問題,根據(jù)不同凈距的影響程度,將影響區(qū)段劃分為3個(gè)分區(qū),即I強(qiáng)影響區(qū)0～6m(0～0.6D),II中影響區(qū)6～18m(0.6D～3D),III弱影響區(qū)(>3D);毛永明[12]基于圍巖整體滑移剪切、應(yīng)力解析法建立隧道圍巖應(yīng)力理論計(jì)算分析模型,給出圍巖應(yīng)力計(jì)算表達(dá)式,結(jié)合數(shù)值仿真驗(yàn)證該理論的合理性,研究d或hc變化對(duì)拱頂、拱腳、拱肩和拱腰圍巖應(yīng)力的影響。目前高地應(yīng)力環(huán)境下對(duì)不同凈距及雙正洞隧道中間包含平導(dǎo)的三洞隧道影響程度和可控程度研究較少,尤其對(duì)高地應(yīng)力下硬巖三洞隧道的合理凈距及洞形選擇的相關(guān)研究更少,亟待進(jìn)一步深入研究。

本研究以高地應(yīng)力條件下硬巖隧道為研究對(duì)象,以理論分析、數(shù)值仿真的方法,針對(duì)不同凈距對(duì)高地應(yīng)力硬巖隧道的影響,同時(shí)對(duì)不同側(cè)壓力系數(shù)下的隧道進(jìn)行了凈距影響分析,最后以彈性應(yīng)變能作為巖爆判據(jù),得到各種工況下的合理凈距,為實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

擬建龍門山隧道地處青藏高原東南緣,屬青藏高原向四川盆地的過渡地帶,川西平原西側(cè),龍門山中段,其總體為構(gòu)造剝蝕和河流侵蝕作用形成的深切割高山區(qū)。隧道走廊帶地處龍門山陸內(nèi)復(fù)合造山帶,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力極大。地下水主要為第四系松散層孔隙潛水、基巖裂隙水2類。龍門山東南側(cè)彭州段屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,西北側(cè)汶川縣屬岷江上游半干旱河谷地區(qū)。成汶高速公路彭州—汶川段隧道工程具有超大埋深、超高地應(yīng)力、穿越活動(dòng)斷裂帶等特點(diǎn)。如圖1所示擬建龍門山隧道全長(zhǎng)約25km,最大埋深為2 474m,隧道最大埋深處最大水平地應(yīng)力值可達(dá)約87MPa,巖體以巖漿巖為主,且位于活動(dòng)斷裂帶附近,深埋段巖漿巖具備發(fā)生巖爆的條件,施工過程中發(fā)生巖爆的可能性較大。

圖1 龍門山隧道縱斷面及巖性分布

2 計(jì)算模型及計(jì)算工況

FLAC3D被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)受力特性模擬,能進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬,滿足本文建模需要。利用FLAC3D軟件建立龍門山隧道實(shí)際的三維數(shù)值模型。在高地應(yīng)力硬巖隧道合理凈距的計(jì)算分析中,主要考慮了(0.5～2.5)D5種不同凈距(變化梯度為0.5D),所以每種工況都有5種計(jì)算模型。其中,凈距為1.5D的模型尺寸為120m(高)×170m(寬)×100m(長(zhǎng)),隧道正洞跨度約9.26m,高約8.26m,隧道平導(dǎo)的跨度約為6.15m,高約7.35m,三維模型共計(jì)368 462個(gè)結(jié)點(diǎn)、322 930個(gè)單元。模型底面及側(cè)面施加法向位移約束,通過對(duì)頂面施加埋深對(duì)應(yīng)的自重荷載,對(duì)4個(gè)側(cè)面施加對(duì)應(yīng)的側(cè)壓力系數(shù),恢復(fù)初始地應(yīng)力狀態(tài)后得到初始的地應(yīng)力模型(見圖2)。

圖2 凈距為1.5D的三維計(jì)算模型(單位:m)

選取地應(yīng)力水平為40MPa做研究,還增加考慮了高地應(yīng)力條件下不同側(cè)壓力系數(shù)對(duì)選擇合理凈距的影響,設(shè)計(jì)了其他側(cè)壓力系數(shù)的計(jì)算工況,其中每種計(jì)算工況的圍巖參數(shù)如表1所示。

表1 各計(jì)算工況圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算分析

運(yùn)用FLAC3D程序模擬隧道開挖,在模擬開挖過程中,荷載釋放過程由FLAC3D程序自動(dòng)完成,圍巖應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。下面將具體針對(duì)工況2左洞的8個(gè)特征點(diǎn)分別從位移、最大主應(yīng)力及最大切向應(yīng)力方面進(jìn)行分析。

3.1 位移分析

工況2各凈距下正洞的位移云圖如圖3所示,由于左、右正洞對(duì)稱,即左正洞位移分布規(guī)律與右正洞相同,以下將重點(diǎn)以左洞為參考進(jìn)行分析。在彈性模量為30GPa時(shí),0.5D凈距下的臨空面上位移大小為拱頂>右拱肩>左拱肩>拱底>左拱腰>左拱腳>右拱腳>右拱腰,2.5D凈距下的臨空面上位移大小為拱頂>左拱肩>拱底>右拱肩>左拱腰>右拱腰>左拱腳>右拱腳。5種凈距下的都是拱頂位移最大,在凈距分別為0.5D,D,1.5D,2D,2.5D時(shí),對(duì)應(yīng)的拱頂位移量為14.5,12.8,12.1,11.7,11.4mm,說明此時(shí)拱頂?shù)奈灰屏侩S著凈距的增大而減少,即增大凈距能有效控制拱頂發(fā)生位移。

圖3 各凈距下位移云圖

由圖4可知,工況2各凈距下每個(gè)特征點(diǎn)的位移大小及相互間的規(guī)律。在不同凈距下,拱頂位移始終最大,左特征點(diǎn)的位移均大于對(duì)應(yīng)的右特征點(diǎn)位移。隨著凈距增大,左、右拱肩位移呈下降趨勢(shì),且左、右拱肩位移差值逐漸縮小;拱頂和拱底位移也呈下降趨勢(shì)。

圖4 各凈距下特征點(diǎn)位移

3.2 最大主應(yīng)力分析

根據(jù)圖5所示最大主應(yīng)力圖可得到,右拱腰和右拱腳處的最大主應(yīng)力較大,隨著凈距增大,該處最大主應(yīng)力在逐漸減小。這說明凈距的增加會(huì)使得最大主應(yīng)力較大處的最大主應(yīng)力減小。

圖5 各凈距下最大主應(yīng)力云圖

由圖6可知工況2各凈距下每個(gè)特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力大小及相互間的規(guī)律。在不同凈距下,右拱腳最大主應(yīng)力最大,其次是右拱腰的最大主應(yīng)力較大,且隨著凈距增大,最大主應(yīng)力的減小速率最快。隨著凈距增大,最大主應(yīng)力較大位置的最大主應(yīng)力在逐漸減小,且減小幅度也在減小;最大主應(yīng)力較小位置最大主應(yīng)力變化不大,部分位置會(huì)少量增大。

圖6 各凈距下特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力

3.3 最大切向應(yīng)力分析

由圖7可知工況2各凈距下每個(gè)特征點(diǎn)的最大切向應(yīng)力大小及相互間的規(guī)律。在不同凈距下,右拱腳最大切向應(yīng)力最大,其次是右拱腰的最大切向應(yīng)力較大,且隨著凈距增大,最大切向應(yīng)力的減小速率最快。隨著凈距增大,最大主應(yīng)力較大位置的最大切向應(yīng)力在逐漸減小,且減小幅度也在減小;最大切向應(yīng)力較小位置最大主應(yīng)力變化不大,部分位置會(huì)少量增大。

圖7 各扁平率下各特征點(diǎn)的最大切向應(yīng)力

總的來說,當(dāng)凈距增加時(shí),基本上位移大的地方位移會(huì)降低,最大主應(yīng)力大的地方位移會(huì)降低,最大切向應(yīng)力的變化與最大主應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同,其中無論是位移還是應(yīng)力,左洞的右特征點(diǎn)的量值均大于左特征點(diǎn)的量值,并且左洞的右特征點(diǎn)的變化量值也均大于左特征點(diǎn)的變化量值。

4 側(cè)壓力系數(shù)影響分析

4.1 位移分析

各工況下不同側(cè)壓力系數(shù)下各特征點(diǎn)位移隨凈距變化關(guān)系如圖8所示。拱頂位移隨凈距的增加而減小,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而減小。拱底的位移隨著凈距的增加而減小,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而減小。左拱肩的位移隨著凈距的增加而減小,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大。右拱肩的位移隨著凈距的增加而減小,而體現(xiàn)出側(cè)壓力系數(shù)的影響變化的是在凈距1.5D的前后,小于凈距1.5D時(shí),右拱肩位移隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而減小,大于凈距1.5D之后,可以看出右拱肩位移減小的速率隨著側(cè)壓力系數(shù)增大而減小的。左拱腰的位移隨著凈距的增加而基本不變,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大。右拱腰的位移隨著凈距的增加而增大,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大。左拱腳的位移隨著凈距的增加而基本不變,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大。右拱腳的位移隨著凈距的增加,先減小后增大,在側(cè)壓力系數(shù)為0.8和1.0時(shí),右拱腳位移在凈距為1.5D時(shí)降到最小值,在側(cè)壓力系數(shù)為1.2和1.4時(shí),右拱腳位移在凈距為D時(shí)降到最小值,當(dāng)凈距超過1.5D后,右拱腳位移隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大。

圖8 不同側(cè)壓力系數(shù)下各特征點(diǎn)位移

4.2 最大主應(yīng)力分析

各工況下不同側(cè)壓力系數(shù)下各特征點(diǎn)最大主應(yīng)力隨凈距變化關(guān)系如圖9所示。拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力隨凈距增加而少量增加,隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大。拱底的最大主應(yīng)力隨凈距增加而少量增加,隨側(cè)壓力系數(shù)增大而增大。左拱肩的最大主應(yīng)力隨凈距增加而逐漸減小,隨側(cè)壓力系數(shù)增大而增大。右拱肩的最大主應(yīng)力在凈距≤D時(shí),隨凈距增加而減小,在凈距>D時(shí),隨凈距增加而增大,右拱肩最大主應(yīng)力隨側(cè)壓力系數(shù)增大而增大。左拱腰的最大主應(yīng)力隨凈距增加而逐漸減小,隨側(cè)壓力系數(shù)增大而減小。右拱腰的最大主應(yīng)力隨凈距增加而逐漸減小,隨側(cè)壓力系數(shù)增大而減小。左拱腳的最大主應(yīng)力隨凈距增加而逐漸減小,隨側(cè)壓力系數(shù)增大而增大。右拱腳的最大主應(yīng)力隨凈距增加而逐漸減小,隨側(cè)壓力系數(shù)增大而增大。

圖9 不同側(cè)壓力系數(shù)下各特征點(diǎn)最大主應(yīng)力

綜上所述,特征點(diǎn)的位移變化基本規(guī)律是,隨著側(cè)壓力系數(shù)增大,拱頂和拱底位移逐漸減小,而其余特征點(diǎn)的位移基本上逐漸增大。特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力變化基本規(guī)律是,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大,左、右拱腰的最大主應(yīng)力逐漸減小,其余特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力逐漸增大。

5 巖爆傾向分析

隧道掘進(jìn)開挖過程中會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生卸荷作用,使圍巖內(nèi)儲(chǔ)存的能量瞬間釋放,導(dǎo)致部分巖體突然脫離圍巖,并產(chǎn)生聲音和彈射巖體等現(xiàn)象,該現(xiàn)象就被稱為巖爆。巖爆是能量驅(qū)動(dòng)下巖體由靜態(tài)平衡轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)失穩(wěn)的過程,從能量角度分析,未經(jīng)開挖擾動(dòng)的巖體儲(chǔ)存一定能量,當(dāng)在巖體中進(jìn)行掘進(jìn),從而產(chǎn)生臨空面,導(dǎo)致巖體的損傷不斷加劇,進(jìn)而引起巖體中積聚的應(yīng)變能進(jìn)一步加大,當(dāng)積聚的能量超過巖體極限能量時(shí),引起巖體破裂,從而發(fā)生巖爆。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖體單元的能量滿足以下關(guān)系[13]:

U=Ud+Ue

(1)

2v(σ1σ2+σ1σ3+σ2σ3)]

(2)

式中:Ud為耗散能;Ue為可釋放彈性應(yīng)變能;E0為彈性模量;v為泊松比;σi為第i主應(yīng)力。

根據(jù)上述彈性應(yīng)變能計(jì)算公式,可計(jì)算出各特征點(diǎn)的彈性應(yīng)變能。各種工況下各特征點(diǎn)的彈性應(yīng)變能如圖10所示。工況1中綜合彈性應(yīng)變能較大的3個(gè)位置是右拱腳、右拱腰和左拱腰,這3個(gè)點(diǎn)的彈性應(yīng)變能隨著凈距的增加而減小。工況2中綜合彈性應(yīng)變能較大的3個(gè)位置是右拱腳、右拱腰和左拱腳,這3個(gè)點(diǎn)的彈性應(yīng)變能隨凈距增加而減小。工況3中綜合彈性應(yīng)變能較大的3個(gè)位置是右拱腳、右拱腰和左拱腳,這3個(gè)點(diǎn)的彈性應(yīng)變能隨凈距增加而減小,且右拱腰的彈性應(yīng)變能相對(duì)于其他位置下降較快,當(dāng)凈距達(dá)到2.5D時(shí),右拱腰的彈性應(yīng)變能與拱頂?shù)膹椥詰?yīng)變能相當(dāng)。工況4中綜合彈性應(yīng)變能較大的3個(gè)位置是右拱腳、拱頂和左拱腳,右拱腳和左拱腳的彈性應(yīng)變能隨凈距增加而減小,拱頂?shù)膹椥詰?yīng)變能隨凈距增加而緩慢增加,且右拱腰的彈性應(yīng)變能相對(duì)于其他位置下降很快,當(dāng)凈距在0.5D時(shí),右拱腰的彈性應(yīng)變能比拱頂和右拱腳都高,隨后快速下降,小于拱頂和右拱腳的彈性應(yīng)變能。

圖10 各工況下各特征點(diǎn)的彈性應(yīng)變能

彈性應(yīng)變能大的地方易發(fā)生巖爆,減小洞周圍巖的彈性應(yīng)變能可減緩巖爆劇烈程度。根據(jù)上述對(duì)彈性應(yīng)變能的分析,隨著凈距增加,彈性應(yīng)變能大的地方基本上呈現(xiàn)下降趨勢(shì),故增大凈距可減緩巖爆發(fā)生。由于考慮到增加凈距會(huì)增加橫洞的開挖長(zhǎng)度和成本,所以需找到合理的開挖凈距。工況1,2中,右拱腳和右拱腰的彈性應(yīng)變能較大,且在凈距>1.5D后彈性應(yīng)變能下降變得平緩,工況1,2的合理凈距為1.5D。工況3中,右拱腳、右拱腰和左拱腳的彈性應(yīng)變能較大,其中右拱腰的彈性應(yīng)變能下降最快,在凈距>D時(shí),右拱腰的彈性應(yīng)變能開始小于左拱腳的彈性應(yīng)變能,而左拱腳的彈性應(yīng)變能在凈距>D時(shí)基本不會(huì)發(fā)生變化,所以工況3的合理凈距為D。工況4中,右拱腳、右拱腰、拱頂和左拱腳的彈性應(yīng)變能較大,在凈距>D時(shí),右拱腰的彈性應(yīng)變能開始小于左拱腳和拱頂?shù)膹椥詰?yīng)變能,并且拱頂?shù)膹椥詰?yīng)變能超過左拱腳的彈性應(yīng)變能,且隨著凈距的增加,拱頂?shù)膹椥詰?yīng)變能在增加,所以工況4的合理凈距為D。

6 結(jié)語

1)隧道開挖后,左洞左側(cè)特征點(diǎn)的位移基本大于右側(cè)特征點(diǎn)的位移,而左側(cè)特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力和最大切應(yīng)力基本小于右側(cè)特征點(diǎn),所以根據(jù)最大主應(yīng)力大小來判斷,左洞右側(cè)比左側(cè)更易發(fā)生巖爆。

2)左洞左側(cè)與右側(cè)對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的位移差值與應(yīng)力差值大小隨凈距增大而減小,凈距增加會(huì)使得隧道洞群間的影響減小。靠近中夾巖一側(cè)的位移與應(yīng)力隨凈距增加變化較明顯。

3)當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)增大,拱頂和拱底位移逐漸減小,而其余特征點(diǎn)的位移基本上逐漸增大;左拱腰和右拱腰的最大主應(yīng)力逐漸減小,其余特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力逐漸增大。

4)隨著凈距增加,彈性應(yīng)變能大的地方基本上呈下降趨勢(shì),同時(shí)考慮到增加凈距會(huì)增加橫洞的開挖長(zhǎng)度和成本,得到工況1,2的合理凈距為1.5D,工況3,4的合理凈距為D。

5)本文所選取合理凈距是針對(duì)易發(fā)生巖爆的硬巖隧道,對(duì)于其他地質(zhì)條件及其他工程問題,合理凈距可能會(huì)發(fā)生變化。