陡倾结构面下小净距隧道开挖中间岩体受力分析

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

责任编辑/曹晶磊 美术编辑/王德本

在山区公路、铁路隧道工程施工中，由于地形及用地的限制，小净距隧道被采用的越来越多。山区地带在地壳运动及地应力的长期作用下，常存在复杂结构面切割地层的情况，结构面是隧道施工中的难题之一。结构面的存在导致围岩完整性差，影响围岩的工作性能，隧道开挖时还可能出现楔形体，导致严重事故。

目前，在小净距隧道研究中，对存在多组结构面下小净距隧道施工中间岩体受力特性研究的文献尚少。中间岩体在小净距隧道中起着至关重要的作用。因此，对其进行受力分析十分必要。本文依托贵州某隧道工程，采用有限元软件模拟了陡倾结构面存在情况下，小净距隧道施工过程对中间岩体的位移、塑性区等特征，并进行了分析。

一、建立Midas GTS模型

（一）工程概况

隧道位于云贵高原向广西丘陵过度的斜坡地带，地形起伏大，横穿高山，路线沿线海拔565.6m～887.5m，相对高差311.5m，隧道轴线通过段地势较陡，围岩组成为中风化中厚层状泥质灰岩，局部夹有泥质粉砂岩，岩体节理一般发育，岩体完整程度为较破碎、较完整，呈中薄层状结构，围岩自稳能力差。隧道区存在的地下水为溶隙水、基岩裂隙水。隧道发育两组较为明显的节理，其产状分别为315°∠83°、47°∠68°。本文采用Midas GTS有限元软件进行数值模型计算。

（二）材料选取

隧道模拟施工中将右洞设置为先行洞，两洞掌子面之间距离为30m。隧道衬砌工字钢按结构的抗压强度等效原则，将其刚度折算到喷射混凝土的弹性模量中，折算计算公式如下：

其中：E为折算后的喷射混凝土弹性模量；E0为混凝土初始弹性模量；SG为工字钢横截面面积；EG为工字钢弹性模量；SC为单位长度下初期支护的横截面面积。

（三）建立模型

隧道去岩层被节理裂隙切割，建模时将两组主要节理在模型中通过接触面的形式设计。为了研究陡倾结构面存在的隧道中，不同设计净距对隧道中间岩体的影响，设计了三个工况，分别建立了分析模型，对隧道中间岩体的水平位移、塑性区分析。隧道的净距L分别设置成0.5D、D、1.5D（D为隧道宽度），如图1所示。

图1 隧道净距

根据规范及前人的研究，模型的大小应大于隧道施工时的影响范围，隧道的边界到中心距离应为隧道直径的3倍～5倍。因此，将隧道中心到底边的距离设计为3倍直径，将隧道两侧边及顶面至隧道中心的距离设计为隧道直径的4倍。由该隧道的设计图，隧道的直径为12m。因此，隧道模型的尺寸设计为100×30×120m。

二、结果分析

（一）水平位移分析

根据三种工况模拟下计算结果水平位移云图分析可知，三种工况施工中，0.5D净距工况下中间岩体产生的水平位移最大，且产生水平位移的范围最大。1.5D净距中产生的水平位移最小，且分布范围最小。当隧道净距为0.5D时，最大位移在两隧道中间岩体侧拱脚处，为19.6mm；靠近中间岩体侧拱肩位置水平位移也较大，其水平位移值为14.4mm。水平位移关于中间岩体中心线大体对称。隧道净距为D时，隧道的水平位移最大值在中间岩体侧拱肩位置，为13.8mm。隧道净距为1.5D时，其位移值相对于0.5D、D净距要小得多，最大值为10.3mm。0.5D净距最大位移值较1.5D增大了90%，0.5D净距最大位移值较D增大了42%，D净距最大位移值较1.5D增大了33%。

由此可知，在结构面存在的情况下，隧道净距越小，中间岩体所产生的水平位移越大，两洞分别在中间岩体上产生的位移区越可能重合，位移区重合说明中间岩体塑性区贯通，对施工安全会造成极大的威胁。

（二）竖直位移分析

分析结果竖直位移云图可知，各种工况下发生垂直位移最大的区域位于隧道拱顶和隧道底部。在0.5D净距中，隧道顶部位移区域较小，但位移数值大的区域集中；在D净距中，最大沉降也发生在拱顶，拱顶也形成了明显的位移区，但与0.5D净距相比要小很多。在1.5D净距中，位移区较前两种工况又小很多。三种工况下中间岩体竖向位移均较小，因中间岩体受压，而岩石弹性模量大，变形小。

（三）塑性区分析

三种净距工况的塑性区云图分别如图2、图3、图4所示，从塑性区云图可以看出，0.5D净距中两隧道塑性区已经贯通，塑性区的分布在隧道顶部与底部较大，中间岩体部位已全部形成塑性区，隧道周围的塑性区沿洞径呈由大减小的趋势。而在D、1.5D净距中，没有塑性区贯通现象，但同样顶部与底部塑性区分布面积较大。因此，隧道开挖中，净距的大小对塑性区范围的形成有很大的影响。

综上分析可知，在陡倾结构面存在的情况下，小净距施工中，需要采取工程措施控制隧道中间岩体变形，净距越小时，所采取的工程措施强度应越高，以防止隧道围岩变形过大导致围岩失稳。

图2 0.5D净距塑性区

图3 D净距塑性区

图4 1.5D净距塑性区

三、结语

本文采用Midas GTS有限元软件对存在陡倾结构面下小净距隧道的中间岩体在不同净距下进行了模拟分析。总结了中间岩体位移及塑性区随净距的变化规律。中间岩体的水平位移与竖直位移均随净距的减小而增大，在0.5D下产生的水平位移最大，在中间岩体拱脚处，最大值为19.6mm；三种工况下垂直位移最大的区域均位于隧道顶部和底部，0.5D下，隧道顶部和底部的位移均大于D、1.5D的情况；净距越小时，两隧道中间岩体的塑性区越容易出现交汇贯通；陡倾结构存在的地层中小净距隧道位移及塑性区受净距的影响很大，净距越小，中间岩体塑性区越容易发生交汇，从而贯通，将会对隧道的施工安全及后期应为造成严重的威胁。因此，小净距隧道施工时应考虑中间岩体的加固问题。