小净距隧道中夹岩柱应力、应变特性及合理净距数值模拟分析

陈 皓 鲁 聪 李小青

(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051； 2.华中科技大学土木工程与力学学院 武汉 430074)

由于特殊地形地质条件、桥隧衔接方式及工程造价等原因的限制，规范规定的双洞隧道左右线间距已经不能够满足现实的需求，越来越多的公路隧道不得不采用小净距隧道等特殊结构形式。然而影响小净距隧道稳定的因素众多，如工程地质、水文条件、施工方法、开挖顺序，以及加固方式等，为保证其施工质量与安全，合理设计隧道左右线间距，选择小净距隧道的施工方法及控制施工过程中关键点的应力、应变就显得尤为重要，因此有必要研究控制小净距隧道围岩稳定的规律为隧道的设计提供理论基础、隧道的安全施工提供技术支持。本文结合宜都至来凤高速公路某隧道工程项目，采用FLAC3D数值模拟分析不同净距下该隧道中夹岩柱应力、应变特性，探讨小净距隧道加固处理前后合理设计净距。

1 小净距隧道数值模型的建立

1.1 工程概况

隧道位于宣恩县郭间沟，为宜都至来凤高速公路中的一座小净距隧道。左幅长422 m，浅埋偏压段长71 m 左右，最大埋深约100.3 m，最小埋深约5.5 m，围岩所占比例：V级围岩约占18.0%，IV级围岩约占42.7%，III级围岩约占39.3%；右幅长425 m，浅埋偏压段长69 m左右，最大埋深98.5 m，最小埋深约7.0 m，围岩所占比例：V级围岩约占11.1%，IV级围岩约占54.3%，III级围岩约占34.6%。隧道进口为山脊凸形坡与冲沟鸡爪状沟谷相间地形处，出口位于山脊凸形坡与凹形坡交汇处，斜坡陡峭，局部坡体近似直立。隧道区构造为剥蚀溶蚀峰丛低山斜坡沟谷地貌，岩体出露土层主要为第四系坡积物碎块石土，下部岩体主要为二叠系下统栖霞组组中厚层～厚层状灰岩、灰岩夹炭质页岩，泥盆系中上统中厚层状泥岩。复杂地形地质条件使得该分离式小净距隧道左右线之间的净距为7.34～16.14 m。

1.2 模型的建立

根据该隧道工程实际情况，选取数值模拟分析模型尺寸水平宽140 m，垂直高52 m，即左右两侧计算边界为4倍左右隧道总跨度，下部计算边界为2倍左右隧道总高度，三维有限元模型见图1。

图1 隧道三维模型图(单位：m)

模型左右两侧受X方向约束，前后受Y方向约束，底部受Z方向约束，地表为自由面。模型中围岩和加固圈选择用可以模拟土体弹塑性特点的摩尔-库仑模型，初期支护和二次衬砌采用弹性模型来模拟。围岩、加固圈和二次衬砌采用四边形四节点实体单元，初期支护采用壳单元模拟。

隧道衬砌断面内轮廓采用单心圆拱曲边墙结构，半径R=5.5 m，隧道内轮廓拱顶净高为7.0 m，净宽11.0 m。隧道具体尺寸见图2。

图2 隧道内轮廓设计图(尺寸单位：cm)

影响小净距隧道稳定性的因素众多且其中夹岩柱变形和受力极其复杂，为保证小净距隧道施工质量与安全，有必要控制其施工过程中关键点的变形和受力[1]，为此在中夹岩柱上岩盘、中岩墙、下岩盘区域内中线上各设置1个监测点，在隧道拱顶、内外拱脚处各设置2个监测点来观测隧道变形和受力情况，各监测点均位于平面Y=0，具体布置示意见图3。

图3 各区域监测点示意图(单位：cm)

1.3 模拟计算参数的选取

根据工程地质勘察报告，隧道围岩为III～V级，洞身段以IV级围岩为主，鉴于本文关于合理净距分析的研究背景，取埋深15 m典型IV级围岩地段来模拟。隧道衬砌结构按新奥法原理，采用复合式衬砌结构形式[2]。初期支护由系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土、钢拱架等支护形式单独或组合使用。二次衬砌采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土，初期支护与二次衬砌之间铺设单面自黏防水卷材作为防水层。该隧道初期支护采用22 cm厚的C20喷射混凝土和直径22 mm的中空注浆早强砂浆锚杆，二次衬砌采用40 cm厚的C25模筑混凝土。数值模拟计算参数选取参考现行JTG 3370.1-2018 《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[3]，同时结合依托工程的地质勘察报告并类比其他工程实例，相关计算参数见表1。

表1 数值模拟计算参数表

1.4 数值模拟过程

隧道左右线间净距为7.34～16.14 m，分别取净距6，8，10，12，14，16 m来探讨小净距隧道合理净距及控制隧道围岩稳定、施工质量，以及安全的措施。该隧道采用上下台阶法施工，其数值模拟过程为：模型建立→自重应力场施加→左隧道围岩加固圈加固处理→左隧道上台阶土体开挖、初期支护施加→左隧道下台阶土体开挖、初期支护施加→左隧道二次衬砌施加→右隧道围岩加固圈加固处理→右隧道上台阶土体开挖、初期支护施加→右隧道下台阶土体开挖、初期支护施加→右隧道二次衬砌施加→计算结果分析。

2 小净距隧道中夹岩柱变形特性分析

2.1 竖向变形特性

隧道开挖后拱顶沉降和周边收敛是判断围岩变形发展及稳定性的重要指标[4]。不同净距下隧道竖向位移变形云图及各关键点竖向应变模拟结果见图4、图5。

图4 不同净距时隧道总体竖向位移云图

图5 不同净距下隧道中夹岩柱及拱顶处竖向位移图

由图4可见：

1) 竖向位移最大值分布在拱顶处，拱顶处位移向下，拱底处位移朝上隆起，且最大竖向位移随着净距的不断增大而逐渐减少。

2) 净距6, 8 m最大竖向位移在中夹岩柱的上方叠加形成“人”形位移区；净距10,12 m最大竖向位移在左右隧道拱顶上方形成“八”形位移区，次最大竖向位移在中夹岩柱的上方叠加形成“人”形位移区；净距14，16 m最大竖向位移在左右隧道拱顶上方形成“八”形位移区。

对比分析图5结果可知：

1) 随着净距的不断增大，中夹岩柱及拱顶处竖向位移整体上呈逐渐减少的趋势，其中净距10 m时中夹岩柱及拱顶处竖向变形逐渐趋于稳定。

2) 净距16 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙竖向位移相比净距10 m时竖向位移分别减少了21.75%，10.09%，而下岩盘的竖向位移却增加了76.75%；净距6 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙竖向位移相比净距10 m时竖向位移分别增加了19.79%，14.75%，而下岩盘的竖向位移由向上隆起变为下沉。

3) 净距16 m时隧道左右拱顶处竖向位移较净距10 m时拱顶处竖向位移减少了3.37%和3.25%，净距6 m时隧道左右拱顶处竖向位移相比净距10 m时拱顶处竖向位移增加了2.33%和1.78%。

2.2 水平变形特性

不同净距下隧道的中夹岩柱水平位移计及周边收敛数值模拟计算结果见图6。

图6 不同净距下隧道中夹岩柱及周边收敛位移图

对比分析图6结果可知：

1) 随着净距的不断增大，隧道的中夹岩柱水平位移整体上呈逐渐减少的趋势，左隧道周边收敛随着净距增大先增大，后逐渐减小趋于稳定，右隧道周边收敛随着净距的增大而增大，其中净距10 m时中夹岩柱水平变形及左右隧道周边收敛逐渐趋于稳定。

2) 净距16 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙、下岩盘水平位移相比净距10 m时水平位移分别减少了50%，60.19%，48.65%；净距6 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙水平位移相比净距10 m时水平位移分别增加了19.79%，14.75%，下岩盘的水平位移反而减少了49.55%。

3) 净距16 m时右隧道周边收敛相比净距10 m时增加了7.67%，左隧道周边收敛减少了0.12%，净距6 m时左右隧道周边收敛相比净距10 m时左右隧道周边收敛分别减少了0.89%，14.39%。

结合图4～图6不同净距时隧道变形特性可知：

1) 中夹岩柱的上岩盘、下岩盘的竖向变形，以及上岩盘、中岩墙、下岩盘处水平变形随净距的变化波动幅度较大，隧道拱顶处竖向变形和中夹岩柱中岩墙竖向变形及左右隧道周边收敛随净距的变化波动幅度相对较小，说明净距变化会对隧道开挖后中夹岩柱的上岩盘、下岩盘稳定产生明显不利影响。

2) 随着净距的不断增大，中夹岩柱的竖向位移和水平位移整体呈逐渐减少趋势。净距10～12 m最大竖向位移由“人”形位移区变成“八”形位移区时的过渡区，净距10 m时竖向水平变形和拱顶处竖向变形及左右隧道周边收敛较净距6，8，12，14，16 m逐渐趋于稳定，可取净距10 m作为该IV级浅埋偏压小净距隧道的最佳合理净距来指导隧道设计。

3 小净距隧道中夹岩柱应力特性分析

隧道开挖中夹岩柱受力特性对于判断围岩变形发展及稳定性具有重要意义[5-6]，不同净距下隧道的中夹岩柱竖向应力和水平应力模拟计算结果见图7、图8。

图7 不同净距下隧道中夹岩柱竖向应力图

图8 不同净距下隧道中夹岩柱水平应力图

对比分析图7、图8可知：

1) 净距16 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙、下岩盘竖向应力相比净距10 m时竖向应力分别减少了8.68%，13.92%，13.25%；净距6 m时中夹岩柱上岩盘、下岩盘竖向应力相比净距10 m时竖向应力分别增加了55.23%，18.15%，39.49%。

2) 净距16 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙、下岩盘水平应力相比净距10 m时水平应力分别减少了93.75%，64.15%，96.95%；净距6 m时中夹岩柱上岩盘、下岩盘水平应力相比净距10 m时水平应力分别相对增加了1.12倍，2.53倍，而中岩墙水平应力反而减少了5.49%。

3) 随着净距的不断增大，中夹岩柱竖向应力和水平应力整体上呈逐渐减少趋势，其中净距10 m时中夹岩柱竖向应力和水平应力变形逐渐趋于稳定，可取净距10 m作为该小净距隧道的最佳合理净距。

4) 净距的变化对中夹岩柱的上岩盘的竖向应力和上岩盘、中岩墙、下岩盘的水平应力影响较大，为保证小净距隧道施工质量与安全，需对中夹岩柱采取相应的加固处理措施。

4 小净距隧道中夹岩柱加固措施

在实际工程中，岩体质量会受到地下水、节理裂隙等软弱结构面、初始应力等因素的影响，且在隧道开挖过程中，应力场重分布、中夹岩柱二次应力场的叠加、拱脚应力集中等都会影响小净距隧道稳定性，为了保证隧道施工质量与安全，可对其施工过程中关键部位进行加固处理[7]。

由前述数值模拟分析可知，隧道加固处理前其最佳合理净距10 m，由此可取净距6，8，10 m来探讨小净距隧道加固处理后合理净距。

净距6 m时隧道中夹岩柱采用横纵间距60 cm×120 cm，长4.0 m的直径42 mm超前注浆小导管进行加固处理。

净距8 m时中夹岩柱采用横纵间距80 cm×120 cm，长4.0 m的直径42 mm超前注浆小导管进行加固处理。

净距10 m时中夹岩柱采用横纵间距100 cm×120 cm，长4.0 m的直径42 mm超前注浆小导管进行加固处理。

围岩的加固处理可通过提高中夹岩柱的围岩参数来进行模拟，数值模拟计算参数选取参考现行《工程地质手册第五版》[8]，同时结合依托工程的地质勘察报告并类比其他工程实例，其相关计算参数见表2。

表2 加固处理后隧道中夹岩柱数值模拟计算参数

通过数值模拟计算可得，加固处理后净距6，8，10 m下隧道竖向位移云图见图9。

图9 加固处理后不同净距下隧道总体竖向位移云图

由图9可知，隧道位移最大值主要分布在拱顶处，最大竖向位移随着净距不断增大而逐渐减少，拱顶处位移向下，拱底处位移朝上隆起。其中净距6 m时最大竖向位移在中夹岩柱的上方叠加形成了“人”形位移区；净距8 m最大竖向位移在左右隧道的拱顶上方形成了“八”形位移区，次最大竖向位移在中夹岩柱的上方叠加形成了“人”形位移区；净距10 m最大竖向位移在左右隧道拱顶上方形成了“八”形位移区。

加固处理前后隧道的中夹岩柱中线部位及拱顶处应变见图10、图11。

图10 加固前后不同净距下隧道中夹岩柱竖向位移图

图11 加固前后不同净距下隧道拱顶处竖向位移图

对比分析图10、图11可知：

加固处理后随着净距不断增大，中夹岩柱竖向位移及拱顶处竖向位移整体上呈逐渐减少趋势。其中加固处理后净距6，8，10 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙竖向位移相比加固处理前竖向位移分别减少了8.76%，1.72%；14.02%，11.25%；20.68%，11.01%。加固处理后净距6 m时中夹岩柱下岩盘竖向位移相比加固处理前减少了30.09%，而加固处理后8，10 m时中夹岩柱下岩盘竖向位移相比加固处理前反而增加了107%、54.66%。加固处理后净距6，8，10 m时隧道左右拱顶处竖向位移相比加固处理前竖向位移分别减少了11.45%，15.87%；2.08%，8.73%；7.06%，8.32%。

加固处理前、后隧道的中夹岩柱中线部位处应力见图12。

图12 加固前后不同净距下隧道中夹岩柱竖向应力图

对比分析图12可知，加固处理后随着净距不断增大中夹岩柱竖向应力整体上呈逐渐增加趋势。其中加固处理后净距6，8，10 m时中夹岩柱上岩盘、中岩墙、下岩盘竖向应力相比加固处理前竖向应力分别增加了3.13%，0.77%，0.22%；59.91%，18.23%，22.92%；42.41%，22.12%，13.71%。

结合图9加固处理后不同净距时竖向位移云图可知，加固处理后随着净距不断增大，中夹岩柱竖向位移及拱顶处竖向位移整体上呈逐渐减少趋势，中夹岩柱竖向应力整体上呈逐渐增加趋势。说明进行加固处理后，中夹岩柱承受附加压力能力得到了提升，从而抑制隧道中夹岩柱及拱顶处的变形。其中加固处理后净距8 m时隧道最大总体竖向位移是“人”形位移区变成“八”形位移区时的过渡区，且其中夹岩柱及拱顶处的竖向变形较净距6，10 m趋于稳定，故可取净距8 m作为该IV级浅埋偏压小净距隧道加固处理后的最佳合理净距。

5 结论

1) 中夹岩柱的上岩盘、下岩盘竖向应力、应变及上岩盘、中岩墙、下岩盘处水平应力应变随净距的变化波动幅度较大，隧道拱顶处竖向变形和中夹岩柱中岩墙竖向变形及左右隧道周边收敛随净距变化波动幅度相对较小。说明净距变化会对中夹岩柱稳定性会产生不利影响，为保证隧道施工质量与安全，需对中夹岩柱采取相应的加固处理措施。

2) 随着净距的不断增大，中夹岩柱水平和竖向应力应变及拱顶处竖向位移整体呈逐渐减少趋势，左隧道周边收敛随着净距的增大先增大，后逐渐减小趋于稳定，右隧道周边收敛随着净距的增大而增大。其中净距10 m时水平和竖向应力应变及左右隧道拱顶处竖向变形和周边收敛较净距6，8，12，14，16 m时逐渐趋于稳定，可取净距10 m作为该小净距隧道加固处理前的最佳合理净距来指导隧道设计与施工。

3) 加固处理后随着净距的不断增大，中夹岩柱竖向位移及拱顶处竖向位移整体上呈逐渐减少趋势，中夹岩柱竖向应力整体上呈逐渐增加趋势，中夹岩柱承受附加应力能力得到了提升，抑制隧道的中夹岩柱及拱顶处的变形。其中净距8 m时隧道中夹岩柱竖向应力应变及拱顶处的竖向变形较净距6，10 m趋于稳定，故可取净距8 m作为该IV级浅埋偏压小净距隧道加固处理后的最佳合理净距。