大斷面小凈距隧道圍巖力學特性分析

戴麗軍

(中鐵建電氣化局集團西安電氣化制品有限公司，陜西西安 710000)

在我國交通路網(wǎng)的大力發(fā)展形勢下，近年來我國隧道工程實踐中開始出現(xiàn)了大斷面小凈距隧道(三車道及三車道以上的小凈距隧道)。對大跨度小凈距隧道的研究目前較少，現(xiàn)結合劉家峪大斷面小凈距隧道對其施工方法及技術進行分析。

1 大斷面小凈距隧道的特點

1)小凈距。大斷面小凈距隧道中，洞室之間的間距小，洞室開挖會相互影響，大斷面小凈距隧道開挖過程中所受到的應力較一般隧道更為復雜。2)大斷面。隧道斷面積增大，扁平率低(隧道開挖高度與其開挖寬度之比)，一般都是三車道及三車道以上的隧道。這種扁平結構隧道開挖后應力重分布，致使圍巖和襯砌結構的力學特性發(fā)生了很大的變化，拱腳處應力集中顯著增大。

2 計算模型的建立

劉家峪隧道為三車道小凈距隧道，設計參數(shù):單洞最大開挖跨度16.7 m，最大開挖高度含仰拱約12.2 m，見圖1。普通兩車道小凈距隧道橫斷面圖及斷面模型見圖2，圖3，大斷面小凈距隧道模型見圖4。取V級圍巖力學參數(shù)，見表1。

表1 圍巖力學參數(shù)

隧道凈距選取如表2所示，計算模型均為無支護的毛洞隧道狀態(tài)，隧道埋深均為15 m，施工方式按上下臺階進行。

表2 計算模型凈距及相對凈距

2.1 地表沉降位移分析

對于淺埋隧道，地表沉降是判定隧道周圍圍巖穩(wěn)定性的一個重要標志，從圖5，圖6中可以看出大斷面小凈距隧道在雙洞開挖后地表沉降值大，圍巖穩(wěn)定性較差。從圖5，圖6以及表3分析得出:右洞開挖時，左洞圍巖穩(wěn)定性變差，且影響效果很大。

2.2 洞周位移分析

圍巖在隧道洞室開挖后的洞周位移情況見圖7，部分特征點位移值見表4，表5。

表3 不同凈距時地表沉降最大值

表4 凈距為6 m時洞周計算點位移值 mm

表5 凈距為10 m時洞周計算點位移值 mm

從圖7中可以看出，當隧道凈距為6 m時，大斷面與普通兩車道雙孔小凈距隧道一樣，洞周位移變化對稱分布，由于前者開挖斷面大于后者，此時洞周位移值前者大于后者。當大斷面小凈距隧道開挖完后，兩洞中夾巖柱在上部巨大豎向松弛荷載作用下其中部和雁形部位有向兩側剪切滑移的趨勢，此時中夾巖柱極易發(fā)生塑性流動，產(chǎn)生剪切破壞，并對左、右兩側邊洞產(chǎn)生擠壓作用，使其受力狀況進一步惡化;左拱頂沉降值最大，且其拱頂上方圍巖豎向位移明顯大于右洞，近似形成一豎直的“塌落漏斗”，并有向地表貫通趨勢，說明左洞拱頂上方圍巖松動嚴重，自穩(wěn)性極差，勢必將產(chǎn)生較大的松弛荷載，故在施工過程中應及時對中夾巖柱進行支護，防止圍巖失穩(wěn)。由于兩種隧道在整體上均屬于扁平結構，故隧道拱頂沉降值遠大于兩側拱腰處水平位移值;大斷面小凈距隧道在左、右開挖后的特征位移值均比普通兩車道小凈距隧道大，就兩種隧道各自左洞與右洞而言，受力形式均為偏壓，但是前者左洞右側拱腰水平位移和右洞左側拱腰水平位移為后者的近3倍，而遠離中夾巖柱側拱腰水平位移相差很小。

2.3 圍巖塑性區(qū)分析

圖8，圖9為圍巖塑性分布圖，從圖中可以看出，大斷面小凈距隧道施工相互影響大，左右洞影響效應十分顯著。從圖9可以看出，當隧道間凈距為10 m時，兩種隧道整體穩(wěn)定性均得到提高。

3 結論及建議

大斷面小凈距隧道中夾巖柱的應力要比兩車道小凈距隧道的大，且分布范圍廣，這說明大斷面小凈距隧道的受力特點要比兩車道的復雜。同時大斷面小凈距隧道拱頂位移均顯著大于兩車道隧道，地表沉降也要大于普通兩車道隧道。通過理論及劉家峪隧道實際施工過程的研究分析表明，大斷面小凈距隧道在施工過程中要遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測、速反饋”的施工原則，嚴格控制先行洞及后行洞之間的距離，避免兩洞應力疊加，相互影響。在軟弱圍巖地段必須加固中夾巖柱，控制圍巖的變形和松弛，以確保施工安全，創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟效益。

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