软岩大变形隧道小净距段变形及受力分析

杨加强

(中铁二十五局集团有限公司华东区域指挥部， 江苏 南京 210000)

如今国民经济水平不断提升，社会各界也越来越重视道路施工质量，再加上隧道项目在道路项目中占据极其重要的地位，在规划设计的时候，就要深入研究其地质及地形环境，进而使隧道项目的建设效果充分体现出来。鉴于此，研究软岩大变形隧道小净距段变形及受力特性尤为重要。文章的主要研究对象就是软岩地质环境下的隧道小净距段的变形与受力特性。

1 小净距隧道国内外研究现状分析

分析国内公路建设的现状能够得出，现今道路项目建设的主要内容就是中西部区域的道路建设。而中西部区域的地形及地质环境具备显著的复杂性及特殊性，鉴于此，在隧道项目施工中一定要重视软岩大变形隧道项目中小净距隧道施工工艺的实际运用。在软岩大变形隧道项目的实际施工中，受力强度、施工材料及支护架构的形式等均会在很大程度上影响其变形大小。研究软岩隧道变形的根本机制之后能够得出，大变形产生的根本原因涵盖下面几点：（1）水洗之后的软岩隧道出现膨胀变形现象的几率较大，如果软化现象更加严重，就会显示出明显的流变特性，进而导致变形愈演愈烈[1]。（2）由于地应力场的存在，隧道开挖操作完成之后，隧道围岩所承受的应力载荷大于其能够承受的范围，就会产生严重的塑性变形问题。

现今，科学技术不断发展，小净距隧道施工工艺同样得到突破性的成就，进而使隧道项目实际施工中净距问题能够得到妥善处理，在现代隧道项目研究领域中这也是一大研究热点。合适的隧道净距应该能使邻近隧道间的岩柱能够符合特定强度及稳定程度，进而使隧道项目的施工不会影响或是破坏项目，鉴于此，科学的净距研究能够促进隧道项目稳定性及安全性的有效提升。

2 软岩隧道小净距段数值分析

2.1 小净距隧道的概念

在进行特殊隧道布局的过程中，应该基于各种围岩等级下净距的实际标准值，进行设计及施工，并且在实际操作中，双洞洞壁净距非常小，开展独立的双洞研究就不具备很好的可行性。各种围岩等级下的净距值和隧道开挖断面的宽度W之间的关联性较好，如果围岩等级是一级，并且净距是1.0W，那么二级时净距就是1.5W，相应的，可以得到三级、四级、五级、六级时净距为分别是2.0W、2.5W、3.5W、4.0W。而临近隧道净距的最小值应该基于围岩的 6个等级进行设计，其实就是根据隧道开挖断面宽度进行净距标准值的设计，进而设计双线隧道最小净距的取值区间[2]。

2.2 软岩挤压性大变形随道不同净距的分析

对软岩挤压性大变形隧道不同净距背景下的特性进行分析，其实就是要得出科学的净距值，进而使隧道项目施工中的安全性及质量得到保障。比如某一隧道项目为了使项目整体质量得到保障，在实际作业进行之前，有效分析并模拟了各种净距条件下的隧道项目参数值，也就是在模拟时，导入了 7种不同的净距值（0.67W、1W、1.35W、2W、2.7W、3.33W、4.3W）。该隧道项目的实际埋深是395m，在模拟的时候为了使建设过程得到简化，释放了隧道 65%的应力，进而将隧道的围岩控制在塑性状态中。模拟时，采取全断面开挖的方法，并基于此进行毛洞开挖及支护，还能够有效研究隧道的变形特性。

模拟过程中要进行设置的参数主要有两种，分别是围岩参数及支护参数，要想模拟结果的有效性、可靠性得到极大的提升，在实际设置时，按照下面的标准进行围岩相关参数的设计：P是2000kg/m3， E是0.8GPa，μ是0.4，c是0.2MPa，φ是20度；支护参数：P是2500kg/m3，E是20GPa，μ是0.25，厚度是0.2m。基于各区域位置，进一步研究净距值改变而引起的变形现象，选择隧道中的 9个极具代表性的点，位移变化特性详如图1所示[3]。

针对隧道变形特性进行深入分析的时候，对应力释放率引起的影响一定要重视，并且在实际模拟时，设置了30%、50%、65%的应力释放率值。借助动态检测各监测点，得出下面几点结论：（1）拱顶、背向中间岩柱的变形和应力释放率之间基本没有关联，并且基于实际模拟结果能够得出，上述区域的净距值与位移形变之间呈负相关；（2）隧道支护竣工之后，其变形和隧道的应力释放率之间的关系是负相关的；（3）应力释放率及净距均会在一定程度上影响中间岩柱上监测点的位移变形程度，在各种应力释放率的条件下，会产生不同的监测点位移改变，还会在净距值上升到特定值的时候，产生位移变形的最大值，也就是 65%应力释放率所对应的变形峰值；（4）在应力释放率达到30%、50%、65%的条件下，其净距值分别是1W、1.35W、2W[4]。

图1 隧道周边位移监测点和选取位置示意

另外，借助模拟分析的结果能够总结出不同净距条件下隧道各个部位的位移特性，还能够在中间岩柱监测点位移变化位移的基础上，能够开展有效的分析。借助模拟试验能够得出，在特定净距值的时候，中间岩柱的位移变化会产生改变，也就是净距值＜2W的时候，隧道中间岩柱各点的变形与净距值呈正相关关系，如果净距值的范围在2W～4W，各个监测点的位移与净距值呈负相关关系。鉴于此，就隧道中间岩柱位置而言，2W是变形中间值，并且净距值的范围在0.67W～4W的时候，中间岩柱的变形较小。

3 不同净距下隧道围岩应力分析

在隧道围岩中，其应力分布及受力特性会在很大程度上影响着其稳定性，如果隧道开展了开挖作业，围岩应力的分布特性同样会出现极大的改变。就软岩隧道来说，如果在隧道洞周，围岩应力的分布特性及规律不科学，就会导致支护架构的承受荷载改变，进而使其稳定性与项目施工的整体水平受到很大的影响。鉴于此，在针对各种净距系隧道围岩应力特性进行分析的时候，应该运用最大主应力及最小主应力发挥出特征分析值的作用。

分析模拟结果能够得到，隧道拱顶上的最大主应力及最小主应力范围分别是-4～-4.5MPa、-7～-8MPa。并且，净距值的改变，会在一定程度上影响隧道各个区域的最大主应力及最小主应力，如果净距值超过2W，在隧道边墙中，相较于中间岩柱侧应力来说，背向隧道中间岩柱侧应力稍微小一些。如果净距值＞2W，隧道的应力场就会显示出明显的分离问题，相较于中间岩柱背向中间岩柱来说，中心区域的应力更大[5]。

如果净距的范围是 0.67W～1.35W，就会产生最小的中间岩柱最大主应力，如果净距的范围是2W～4W，中间岩柱最大主应力会急剧增加，其原因是隧道的净距范围是 0.67W～1.35W，隧道开挖施工产生的应力场及单洞开挖施工产生的应力场具备较大的相似性，换而言之，净距与中间岩柱变形大小是正相关关系。

4 结束语

综上所述，文章深入阐述了小净距隧道研究现状、软岩隧道小净距段变形特性、各净距下隧道围岩应力特性，最终得出以下结论：隧道各阶段的变形特性由于应力释放率及净距值的存在，各应力释放率条件下的变形峰值存在较大的差异，并且净距值也是不同的。隧道中间岩柱各监测点的水平收敛值变化特性：如果净距是0.0672W，变形大小与净距呈正相关；如果净距的范围是2～4W，变形大小和净距呈负相关。

[1]刘阳.软岩大变形隧道小净距段变形与受力分析[D].北京：中国铁道科学研究院，2015.

[2]施玉晶.软岩大变形小净距隧道支护结构研究[D].兰州：兰州交通大学，2014.

[3]任文效.软岩大变形小净距隧道施工方案优化研究[D].兰州:兰州交通大学，2014.