净距变化时的大偏压隧道施工力学特性研究

(湖南尚上建设开发有限公司，湖南 长沙 410001)

0 引言

随着我国交通基础建设的不断发展，在地形、地貌复杂的西部地区需修建大量长大隧道[1]。由于长大隧道受地形、地质等条件影响较大，为满足路线线性与分离式隧道的净距要求，小净距隧道应运而生并得到广泛应用[2]。因小净距隧道结构型式特殊，在偏压复杂的地形或地质条件下施工难度较大[3]。基于此，笔者运用ABAQUS有限元软件，对大偏压小净距隧道在净距变化时的受力与变形进行数值分析，得出结果可为同类隧道工程的施工提供参考与借鉴。

1 计算模型与工况设计

本文数值模拟计算采用ABAQUS软件建立数值分析模型[4]，图1为地层模拟范围，横向距隧道中心的距离均取为45 m，模型两侧边界施加法向约束，模型下边界施加法向与切向约束[5-8]。图2为围岩平面计算模型。

模拟计算过程中隧道仅考虑常规支护，没有对中间岩柱进行加固，拟定净距为 4，6，8，10，12，14，16，18，20 m这9种情况，其中，偏压角度固定为45°，隧道拱肩覆土厚度固定为8 m，围岩参数如表1所示。

图1 围岩平面分析影响范围(单位： m)

图2 围岩平面计算模型

表1 围岩材料模型参数围岩级别重度/(kN·m-3)变形模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/MPaⅣ222 40 33300 3

2 围岩塑性区

净距变化时，隧道塑性区形状如图3所示。

4 m

6 m

8 m

10 m

12 m

14 m

16 m

18 m

20 m

分析以上各图可知：

1) 当净距为4 m时，中间岩柱的等效塑性区面积较大，且中间岩柱塑性区已出现贯通，塑性区叠加效应显著，可见此时双洞开挖相互影响导致中间岩柱稳定性非常差，最大塑性应变出现在中间岩柱核心区，为18.66×10-3，在净距为6 m时，中间岩柱塑性区呈斜条形分布，呈现出明显的偏压特征，由于偏压作用，深、浅埋洞左右两侧的塑性区分布不对称，浅埋洞的左侧塑性区主要集中在拱肩至拱腰附近，右侧塑性区主要集中在拱脚附近，深埋洞左侧塑性区主要集中在拱腰至拱脚附近，右侧塑性区主要集中在拱脚至墙脚附近。

2) 当净距为8 m时，中间岩柱塑性区从连通到不连通，随着净距的增加，产生塑性变化的区域逐渐减小，围岩稳定性逐渐增加。对于深、浅埋洞左右两侧的塑性应变区域，当净距d≥8 m，浅埋洞的塑性区域基本不再变化，与净距4～6 m时的分布位置一样，而深埋洞的塑性区域随着净距的增大，逐渐由以前的左右分布不对称形式变成对称分布的形式，在净距d=18 m时，两侧塑性区分布基本对称，表现出单洞隧道深埋无偏压的特点。如果把塑性区是否连通作为选择小净距隧道最小合理净距的原则，那么按照此方法计算出来的最小合理净距应该是8 m左右。

3) 从表2、图4可知，当净距d在8 m左右的时候，中间岩柱中最大塑性应变有突变，当净距小于8 m时，塑性应变大小迅速增大，表明隧道处于不稳定状态;当净距大于8 m时，塑性应变大小基本不再变化。从最大塑性应变角度来分析，当净距d=8 m左右时发生突变，因此其最小合理净距应为8 m左右。

表2 不同净距下的围岩最大塑性应变净距/m塑性应变/10-3净距/m塑性应变/10-3418 66144 07666 902163 48183 838183 477103 950204 212123 861

图4 围岩塑性应变图

3 围岩应力分析

围岩应力分析选取的分析点如图5。

图5 中间岩柱特征点布置图

运用岩石抗剪安全系数Kα计算各特征点的抗剪安全系数:

式中：Kα为抗剪安全系数；φ为摩擦角；c为粘聚力；σ1、σ3分别为最大、最小主应力。

图6、图7分别为最小、最大主应力图。

图6 最小主应力图

图7 最大主应力图

1) 由图6、图7可知，随着净距的增大，中夹岩体核心区的最小主应力的绝对值逐渐减小并最终趋于稳定，变化最大的特征点为B2，最大主应力的绝对值逐渐增大并最终趋于稳定，变化最大的特征点为A2，最大与最小主应力之间的差值越来越小，表明特征点的稳定性越来越好。

2) 对于最小主应力，以特征点B2的变化来说明，第1阶段，净距在4～8 m之间，随净距的增大，最小主应力绝对值开始迅速减小，双洞开挖叠加效应明显；第2阶段，净距在8～12 m之间，随净距的增大，最小主应力绝对值减小速度减慢；第3阶段，即当净距大于12 m时，随着净距的增大最小主应力变化不大，推测此时双洞隧道呈相互独立、互不干扰趋势；最大主应力的变化跟最小主应力一样，此处不再赘述。

3) 从图8围岩抗剪安全系数随净距变化的曲线可知，各特征点的变化规律基本一致，但存在数值上的差别，各特征点的安全系数随着净距的增大逐渐增大，且增大速度越来越小，最终将趋于稳定。以围岩抗剪安全系数允许值[K]≥1.2为判别条件，达到这一条件，A2、B2、C2所对应的净距分别为13.1、8.4、6.8 m，中间岩柱的上部抗剪安全性小于下部。随着净距的增大，围岩抗剪安全系数变化最大的点为B2，且该点最终的安全系数也最大，说明净距越大，中间岩柱中心处越稳定，抗剪安全系数最先达到稳定的特征点为C2，最后达到稳定的特征点为A2。在净距为4～6 m的时候，各特征点抗剪安全系数基本保持不变，且均小于安全系数允许值，说明在净距过小时，如不采取适当的加固措施，中间岩柱极有可能已发生剪切破坏。

图8 特征点围岩抗剪安全系数变化曲线

4 围岩位移分析

布置如图9所示监测点。

图9 中间岩柱监测点布置图

通过数值计算得到各监测点位移随净距的变化如图10所示。

图10 中间岩柱特征点位移变化曲线

由图可知：

1) 中间岩柱各监测点竖向位移呈自下而上逐渐增大的分布规律，同时由于深埋侧埋深较大，使得中间岩柱深埋侧特征点竖向位移大于浅埋侧。

2) 各特征点竖向位移随着净距的增大呈非线性的递减变化，除了中间岩柱下部的C1、C2、C3以及B3竖向位移为正(即隆起)之外，其余各点竖向位移均为负(即沉降)，竖向位移受净距影响较小的点为B3和C3，均在中间岩柱深埋侧，位移曲线保持为一条近似的水平线，其余各点的竖向位移受净距的影响较大，变化基本分为以下几个阶段：第1阶段，净距在4～8 m之间，随净距的增大，特征点竖向位移开始迅速减小，双洞开挖叠加效应明显；第2阶段，净距在8～12 m之间，随净距的增大，特征点竖向位移减小速度减慢；第3阶段，即当净距大于12 m时，特征点竖向位移变化不大，近似一条水平直线，推测此时双洞隧道呈相互独立、互不干扰趋势，这与前面围岩应力和支护结构内力的变化规律基本一致。

3) 当净距较小时，中间岩柱水平位移最大的点为B1和B3，且两者水平位移方向刚好相反，该区域在围岩塑性区分布图中正为中间塑性区贯通区域，当净距较大时，中间岩柱水平位移最大的点为A1和C1，方向也相反。

5 支护结构内力分析

将衬砌轮廓按角度分割，如图11所示。

图11 衬砌轮廓分割图

衬砌结构不同角度处轴力分布如图12。

图12 不同净距下衬砌轴力分布图

1) 从图12衬砌结构轴力分布的变化规律可知，在隧道净距从4 m增至8 m过程中，靠近中间岩柱侧衬砌结构轴力值变化幅度较大且减小，当净距大于8 m之后，随着净距的增加，衬砌结构轴力基本不再发生变化，分析原因是因为随着两洞净距增大，应力重分布区域有所减小或者叠加影响较小，导致衬砌轴力值减小；同时从上图也可以看出，不同净距下衬砌轴力沿隧道轮廓的分布形状基本不发生改变，说明净距对于隧道偏压的影响不大。

2) 从图13隧道各控制点衬砌轴力变化曲线可知，对于浅埋洞，衬砌结构下部轴力大于上部，拱底和拱顶处的轴力较小，各控制点轴力随着净距的增加均逐渐减小，当净距在4～8 m范围内时，轴力变化较快，双洞开挖叠加效应明显，当净距在8～12 m范围内时，轴力变化减慢，当净距大于12 m时，轴力基本保持不变。对于深埋洞，衬砌结构中部轴力大于上部和下部，同样也是拱底和拱顶处的轴力较小，随着净距的增加，拱顶、外拱肩以及外墙脚的轴力逐渐增加，其余特征点轴力逐渐减小，当净距大于10～12 m后，轴力基本保持不变，与浅埋洞变化规律基本一致。

图13 隧道各控制点衬砌轴力变化曲线

6 结论

1) 净距的变化对中间岩柱的影响最为显著，对隧道偏压效应的影响不大。

2) 随着隧道净距的变化，靠近中间岩柱侧衬砌结构轴力值调整幅度大于远离中间岩柱侧，且靠近中间岩柱处衬砌各控制点轴力随着净距的增加逐渐减小。

3) 围岩、中间岩柱及支护结构的各项指标随净距的变化大致经历了3个不同的阶段，第1阶段为双洞叠加效应明显阶段(4～8 m，净距约小于0.6B，B为洞跨，下同)，该阶段双洞叠加效应明显，各项指标受净距变化的影响较大；第2阶段为双洞叠加效应减弱阶段(8～12 m，约为0.6B～1B)，该阶段双洞叠加效应减弱，各项指标随净距的改变会有变化，但变化趋势减弱；第3阶段为双洞相互独立阶段(大于12 m，约为1B)，该阶段双洞隧道呈相互独立、互不干扰趋势，各项指标不再随净距改变而发生明显的变化。

4) 从围岩、中间岩柱及支护结构的受力和变形特性随隧道净距的变化情况来看，在具体地形及地质条件限制地段，陡坡偏压隧道最小安全净距以不小于8 m(0.6B)为宜，可以使得双洞相互影响适中，且深埋洞埋置深度不至于过大，在具体地形及地质条件不受限制地段，陡坡偏压隧道最小安全净距以不小于12 m(1B)为宜。

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