破碎岩层浅埋偏压双线隧道最优净距研究

王有旗

（中铁二十五局集团第五工程有限公司，山东 青岛 266100）

引言

在山区隧道进行施工时，小净距隧道合理净距的取值在综合考虑地形地质状况、隧道断面情况以及具体隧道施工方案等影响因素情况下，按照所处围岩等级进行合理取值，总的原则是避免两洞结构彼此之间产生不利影响。

何珺[1]针对于小净距隧道在结构非对称情况下，对隧道围岩的计算理论、近接施工的影响区范围等方面进行研究分析。Sweeney 等[2]探究了处在不同位置的两条隧道之间的互相影响，分析得出施工的先后顺序会对隧道的力学特性产生的影响。王起才[3]等对临近既有隧道处新建隧道开挖运用有限元法模拟，分析隧道净距对衬砌的影响。袁树成[4]探究了新建隧道临近既有隧道施工时对既有隧道的变形规律，分析新建隧道与既有隧道的距离对既有隧道的影响。张如等[5]通过对采用钻爆法对近距离上跨既有隧道结构的影响进行分析，并提出相应的隧道结构优化措施。杜德持等[6]通过对不同施工顺序条件下的小净距隧道群围岩稳定性因素进行分析，确定最优施工方案。依托四川峨汉高速公路1-6 分部林家埂隧道进口处围岩复杂偏压段工程实例，对复杂偏压条件下双线隧道在不同净距条件下施工时的力学效应进行分析，针对隧道所处V 级围岩下的不同隧道净距的优化研究，确保隧道围岩的稳定性，同时为类似条件下的山区大断面浅埋偏压双线隧道工程提供有益借鉴和参考。

1 工程概况及模型建立

拟建林家埂隧道位于峨边县新场乡长虹村，该隧道为双线穿山隧道，洞轴线均为弧线形，隧道长度为1 526 m，隧址区地貌上属构造剥蚀低中山地貌，进口端位于低中山陡坡地段横坡50～60°，局部陡坎状，出口端位于低中山斜坡地段，横坡20～30°。林家埂隧道地形极为复杂，并且隧道出口段为松散堆积层，堆积层松散，自稳力差，厚度大，且存在较大偏压现象，两隧道间距离极其小，施工过程中容易互相影响，施工过程中容易产生塌方、冒顶风险。

根据现场获取林家梗隧道施工资料，采用有限元软件Midas 对不同净距条件下艰险山区“V”形沟谷复杂偏压双线隧道进行建模分析，拟通过设置不同的隧道净距，来模拟偏压情况下隧道施工时围岩变化规律，部分隧道模型见图1。隧道断面宽度为12.3 m，隧道实际净距为9 m，由于偏压作用，隧道埋深为16 m，模型尺寸长100 m，宽30 m。

图1 不同净距条件下部分数值分析模型

林家埂隧道洞口段围岩岩性以中风化灰岩为主，围岩等级为V 级。围岩材料参数依据地质报告选取。喷混标号采用C25，厚度为35 cm，二次衬砌采用标号为C30 钢筋砼拱墙和仰拱，厚度为50 cm，具体力学参数见表1。

表1 围岩及支护结构材料参数

数值分析采用摩尔-库伦本构模型，初支采用实体单元进行分析，通过采用同一断面形式对0.2B、0.4B、0.6B、0.8B、1.0B（B 为隧道净距）五种工况进行模拟，施工工法为上下台阶施工，按照工程实际施工顺序采用右洞先行、左洞后行的方式进行开挖。为了研究不同工况条件下隧道施工过程中围岩稳定性，同时为了便于隧道各部位进行分析，对左右两线隧道各设置27个监测点进行监测。

2 不同净距条件下围岩塑性应变特征

围岩塑性区发展情况是衡量围岩是否处于稳定状态的重要指标之一[3]，隧道间距较小，施工时相互影响就较大，隧道的开挖不可避免会使围岩出现塑性区，围岩承载能力及稳定性明显下降，其中隧道中间岩层是否稳定是隧道安全的关键，因此开展艰险山区沟谷处复杂偏压双线隧道围岩塑性应变的研究极为重要。

为了进一步研究确定隧道合理净距范围，对不同净距下隧道围岩塑性区分布情况进行对比，分析得出净距大小与围岩塑性区分布的变化关系[4]。从图2 中可以看出，当隧道净距D＜0.6 B 时，随着净距的不断减小，艰险山区沟谷复杂偏压双线隧道的最大塑性应变值斜率变化最大，数值增大非常迅速，在该净距区间内中夹岩塑性区贯通，此时该区间内净距对塑性发展影响比较大；当隧道净距D≥0.6 B 时，随着净距的不断增大，艰险山区沟谷复杂偏压双线隧道的最大塑性应变值斜率变化平缓，此时该区间内净距对塑性区发展影响逐渐减弱。从以上对艰险山区沟谷复杂偏压双线隧道塑性区分布中可以看出，隧道仅在常规支护情况下，要保证隧道的安全，则隧道合理净距应取D≥0.6 B，若隧道净距D 小于0.6 B 则隧道开挖后中间岩柱将会处于不稳定的状态，考虑实际情况当净距D=0.8 B 及以后取值时，塑性应变值趋于稳定，故隧道最小合理净距应取D=0.8 B。

图2 最大塑性应变值随净距的变化曲线

3 围岩位移与关键点应力分析

3.1 竖向位移

根据不同的隧道净距，绘制了净距D=0.2 B、D=0.4 B、D=0.6 B、D=0.8 B、D=1.0 B、D=1.5 B、D=2.0B共7 种工况下隧道左右洞周控制点竖向位移曲线，图3 为林家埂隧道在净距D=0.6 B 条件下，后行洞（左洞）施工对先行洞（右洞）在水平位移方面的影响曲线图。

图3 净距0.6 B 下后行洞对先行洞竖向位移影响曲线

由图3 分析可知，在实际右洞先行、左洞后行的工况下，1 号和15 号洞周控制点附近竖向位移最大，8号控制点和21 号控制点附近的竖向位移最小且接近零，由此可以看出，在隧道开挖过程中，最大沉降值的位置发生在拱顶附近，最大隆起值的位置发生在拱底附近；左洞右侧拱顶处控制点竖向位移大于左侧拱顶处控制点竖向位移，右洞左侧拱顶处控制点竖向位移大于右侧拱顶处控制点竖向位移，拱腰处的竖向位移与先行单洞开挖时拱腰处的竖向位移差距较小，综合来看小净距隧道开挖竖向位移主要在拱顶和拱底处发生叠加。

由图4 可知，当净距D＜0.2 B 时，中夹岩竖向位移较大且增幅较大，此时中夹岩容易发生破坏；当净距0.2 B≤D＜0.6 B 时，随着净距不断变小，隧道拱顶和拱底附近竖向位移不断变大，特别是左侧后行洞右部拱顶和右侧后行洞左部拱顶附近的竖向位移斜率变化较大，增大比较明显，此时净距因素对其影响较大；当净距D≥0.6 B 时，随着净距的不断变大，中夹岩上部竖向位移变化比较平稳，且接近右侧先行洞开挖时的拱顶竖向位移，此时净距对其影响变小，净距D=0.8 B 及以后取值时，竖向位移变化趋于稳定，所以认为净距D=0.8 B 为该条件下的合理净距。

图4 不同净距下隧道控制点竖向位移变化曲线

综上所述，通过分析艰险山区沟谷偏压双线隧道开挖过程中洞周控制点水平、竖向位移，该条件下的小净距隧道开挖的合理净距为净距D=0.8 B。

3.2 围岩特征点应力分析

根据上述结果分析，中夹岩处在隧道开挖时会产生应力集中现象，因此在中夹岩中轴线的不同深度处设置了11 个应力监测点，对比分析中夹岩处隧道位移影响，见图5。通过分析不同净距下中夹岩控制点应力变化曲线可以看出，随着净距不断增大，中夹岩控制点应力不断减小；由曲线可以直观的看出控制点4～8，即拱腰至拱脚的位置中夹岩应力增大显著，特别是当净距D＜0.8 B 时，应力变化率最大，控制点6 为最大应力出现的位置，即拱腰处最为薄弱。不同净距下中夹岩控制点最大等效应力值分别为1.48、0.62、0.41、0.36、0.33。可以看出，随着净距不断增大，中夹岩控制点最大等效应力不断减小，当净距当净距D＜0.2 B 时，中夹岩附近应力较为集中且数值偏大，将会导致中夹岩发生破坏；当净距0.2 B≤D＜0.6 B 时，最大等效应力变化率最大，所以此时净距对其影响也非常大；当净距D≥0.6 B 时，中夹岩控制点最大等效应力值随净距变化较为平缓，此时净距因素对其影响减小。

图5 不同净距下中夹岩控制点应力变化曲线

4 结论

以林家梗隧道为工程背景，通过数值模拟分析艰险山区复杂偏压条件下不同净距双线隧道的施工过程，通过对V 级围岩条件下的隧道洞周关键点位移、应力以及塑性区分布进行对比分析，得到以下结论。

（1） 隧道开挖后洞周围岩的竖向位移随着净距的减小而不断增大，位移在拱腰位置处最大，拱顶和拱底的竖向位移最大，且最大值都出现在中岩墙处。

（2） 根据对不同净距条件下隧道围岩竖向位移的分析可以看出，位移值在净距为0.6 B 时发生突变，洞周围岩的应力随着净距的减小而不断增大，最大值出现在中岩墙拱脚位置处，两隧道间应力随净距的不断增大二增大，在净距为0.6 B 时发生突变。

（3） 围岩的最大塑性应变随着净距的减小而不断增大，最大塑性应变随着净距的变化，在净距D=0.6 B 时最大塑性应变值发生突变。综合以上角度分析，最终认为净距D=0.6 B 为艰险山区复杂偏压双线隧道合理净距值。