深埋小净距隧道中夹岩承载性状研究

邱 威

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

0 引言

小净距隧道是介于分离式双洞隧道和连拱隧道之间的隧道结构型式，具有以下优点：同普通分离式双洞隧道和连拱隧道相比更有经济优势且易于控制；于施工工艺而言，小净距隧道相对简单。小净距隧道的中夹岩在施工过程中会产生应力重分布及二次应力场的叠加，从而出现应力集中。因此，清楚地了解中夹岩的应力变化规律，是科学评估中夹岩的承载性能的基础，对中夹岩承载性状及稳定性的评价都是十分必要的。

我国对小净距隧道中夹岩的研究主要集中在两个方面：一是对中夹岩合理厚度即小净距隧道合理净距的研究；二是对中夹岩不同加固措施的研究。刘芸等［1］将中夹岩进行区域划分，并且对中夹岩的不同加固组合方式进行了研究，研究表明各种加固方法对于不同级别的围岩效果不同。张桂生等［2］则建立了小净距隧道围岩的各项指标与净距敏感度之间的关系，提出了把敏感度突变阶段出现之前的净距作为合理净距。夏梦然［3］通过理论推导研究了浅埋超小净距隧道中夹岩柱的失稳机理，计算得到中夹岩柱上覆压力，结合土体极限应力公式分析了中夹岩柱失稳破坏特征。晏启祥等［4］通过对软岩隧道下不同净距对中夹岩塑性区影响的分析研究得出，中夹岩塑性区的大小与净距密切相关，与此同时，隧道埋深及围岩级别也是影响中夹岩柱塑性区的重要因素。李享松等［5］建立了中夹岩的力学分析模型，推导出中夹岩破裂面的下滑力、抗滑力计算公式，最终采用安全系数作为中夹岩稳定的判据。Lim 等［6］通过数值分析方法，根据地基强度的变化来评估中间岩柱对整个隧道的稳定性的影响程度，并对地表沉降率、平均应力强度以及适用于实际工程的公式进行了综合分析，采用基于Hoek-Brown的破坏准则来评估超小间距的平行隧道中间岩柱的安全率，从而确定中间岩柱的最小宽度。

因此，针对小净距隧道中夹岩稳定性的研究意义重大。笔者建立小净距隧道中夹岩数值计算模型，结合中夹岩承载模式在不同条件下的受力特征进行分析。

1 中夹岩力学特性研究

1.1 中夹岩承载模式分析

小净距隧道中夹岩的承载性能与中夹岩厚度和加固方式息息相关，中夹岩厚度的增加，加固手段的增强，都是中夹岩影响小净距隧道的整体稳定和功能的重要因素。从力学角度分析，中夹岩应包含以下两个方面的性能［7］。

1.1.1 承载能力。中夹岩承担上方土体压力，以及两侧隧洞开挖而形成的两侧楔形土体的侧向压力和压力拱范围内的松散围岩压力；在开挖中表现为洞周应力释放，转变为以中夹岩为支撑结构的切应力状态。其承载力由土层承载压力R1、松散围岩压力R2、支护压力R3来表征，即式（1）。

式中：ξi为i型承载力所对应的影响系数；Ri为对应的i型承载力。

1.1.2 抑制围岩自由变形。为充分发挥中夹岩的承载能力，通过加固、支护等手段，来抑制围岩自由变形，提高中夹岩的承载能力以提高稳定性。

考虑影响中夹岩的承载能力的因素有很多，本研究通过正交试验分析中夹岩的各种影响因素对中夹岩承载性状的影响及规律性进行探讨。

2 正交试验设计

2.1 影响因素及水平的选定

根据已有的实践经验及研究成果，小净距隧道的净距、隧道埋深、所在区域围岩级别、隧道掌子面错距以及中夹岩区域的物理力学参数对小净距隧道的稳定性都具有重要的影响，故选择以下因素做正交试验研究，其变化水平选择如下。

2.1.1 隧道净距。净距变化从根本上是中夹岩的宽度变化，是小净距隧道构造型式中承担载荷的主要结构。

2.1.2 隧道埋深。隧道埋深变化决定着基础围岩压力的大小，深埋隧道的埋深根据工况选取40∼100 m。

2.1.3 围岩级别。隧道围岩级别是反映围岩质量的重要参数，影响着隧道的承载能力。因此选取Ⅴ级与Ⅳ级围岩作为两种变化水平。

2.1.4 中夹岩区域的物理力学性质。中夹岩为小净距隧道整体结构中起主要支撑作用的构造。具体的水平变化指标见表1，其中有四项影响因素：A代表隧道净距，B代表隧道埋深，C代表围岩级别，D代表中夹岩区域的物理力学性质，具体见表1。

表1 开挖影响因素及水平

2.2 正交试验具体模拟概况

采用FLAC3D进行模型建立及数值模拟计算，模型纵向长120 m，对于埋深40 m 和60 m 的工况，模型上边界采用隧道埋深，即隧道拱顶距上边界40 m和60 m；对于埋深80 m 和100 m 的工况，在模型上边界施加竖直向下的均布荷载取代埋深，其值对应剩下埋深相对应的重力荷载。模型下边界从隧道底部向下取40 m，计算模型如图1所示。

图1 各埋深情况下的数值计算模型（0.50B）

为消除边界影响，模型左右侧边界应在左右双洞的边墙向外各取50 m。在开挖工法上，隧道双洞采取全断面开挖，暂不考虑先行与后行洞的区别。数值计算中各项材料的物理力学参数见表2。

表2 围岩基本物理力学参数

3 中夹岩承载性状的应变规律分析

小净距隧道中存在的位移从变形角度说明由净距、埋深、围岩级别以及中夹岩区域围岩的物理力学性质对小净距隧道的整体承载能力进行体现；同时，由于隧道开挖而产生的应力重分布对小净距隧道的承载能力也有影响。

3.1 净距对中夹岩承载性状的影响

随净距的扩大，中夹岩区域的应力不断扩散，减少了拱顶拱脚区域的应力集中现象，具体如图2所示。由于净距的扩大使中夹岩承载宽度增大，从而缩小了应力集中区域，因此净距的扩大是导致隧道应力变化的直接因素。

图2 小净距隧道竖向应力随净距变化

3.2 埋深对中夹岩承载性状的影响

小净距隧道竖向应力随埋深变化如图3 所示。由图3 可知，固定净距情况下，隧道应力随埋深的变化是应力均衡的过程，即埋深的增大使小净距隧道周边围岩的应力重分布更均衡。随埋深的增加，松散围岩的应力不断扩散，使小净距隧道更具有整体性。

图3 小净距隧道竖向应力随埋深变化

3.3 围岩级别对中夹岩承载性状的影响

小净距隧道竖向应力图对比如图4 所示。从图4 可知，提高小净距隧道的围岩级别，在净距较小时，表现为中夹岩区域的围岩应力下降，而在净距提升至一定程度时，松散应力的扩散效应将不明显。即由于开挖产生的应力重分布和松散应力随净距的增大而发生扩张。

图4 小净距隧道竖向应力图对比

小净距隧道竖向应力图对比如图5 所示。由图5 可知，提高中夹岩区域的物理力学性质，能够提高中夹岩区域的承载能力。从应力角度上看，中夹岩区域的应力从临空面上的松散应力受围岩之外的土层的影响降低，使小净距由开挖产生的应力重分布现象减退。因此，提高中夹岩区域的物理力学性质能够使中夹岩的承载性能大幅提高，同时使开挖对围岩所产生的扰动降低。

图5 小净距隧道竖向应力图对比

4 结论

①中夹岩承载模型中，中夹岩受竖向应力、横向约束及抗剪能力的影响。分析小净距隧道围岩应力分布，从埋深、净距、围岩级别以及中夹区域的物理力学特性四个角度得到小净距隧道的应力特征。

②通过分析净距得到不同埋深情况下存在的合理净距值；通过埋深、围岩级别以及中夹岩区域的物理力学性质对小净距隧道的影响进行研究得到不同情况下对于小净距隧道开挖所产生应力的判定，以此为小净距隧道埋深、净距等的选取提供判断依据。

③对于在围岩级别高的小净距隧道，能够很好地减少由于开挖所产生的位移和松散应力的扩散，以及提升中夹岩区域的物理力学性质能够加强中夹岩的承载能力，从而减少由于开挖而造成的土层扰动问题。因此，可以通过加固手段改变中夹岩区域的物理力学性质，从而改善小净距隧道整体的受力特性。