凈距變化時的大偏壓隧道施工力學特性研究

(湖南尚上建設開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410001)

0 引言

隨著我國交通基礎建設的不斷發(fā)展，在地形、地貌復雜的西部地區(qū)需修建大量長大隧道[1]。由于長大隧道受地形、地質(zhì)等條件影響較大，為滿足路線線性與分離式隧道的凈距要求，小凈距隧道應運而生并得到廣泛應用[2]。因小凈距隧道結(jié)構(gòu)型式特殊，在偏壓復雜的地形或地質(zhì)條件下施工難度較大[3]?；诖?，筆者運用ABAQUS有限元軟件，對大偏壓小凈距隧道在凈距變化時的受力與變形進行數(shù)值分析，得出結(jié)果可為同類隧道工程的施工提供參考與借鑒。

1 計算模型與工況設計

本文數(shù)值模擬計算采用ABAQUS軟件建立數(shù)值分析模型[4]，圖1為地層模擬范圍，橫向距隧道中心的距離均取為45 m，模型兩側(cè)邊界施加法向約束，模型下邊界施加法向與切向約束[5-8]。圖2為圍巖平面計算模型。

模擬計算過程中隧道僅考慮常規(guī)支護，沒有對中間巖柱進行加固，擬定凈距為 4，6，8，10，12，14，16，18，20 m這9種情況，其中，偏壓角度固定為45°，隧道拱肩覆土厚度固定為8 m，圍巖參數(shù)如表1所示。

圖1 圍巖平面分析影響范圍(單位： m)

圖2 圍巖平面計算模型

表1 圍巖材料模型參數(shù)圍巖級別重度/(kN·m-3)變形模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPaⅣ222 40 33300 3

2 圍巖塑性區(qū)

凈距變化時，隧道塑性區(qū)形狀如圖3所示。

4 m

6 m

8 m

10 m

12 m

14 m

16 m

18 m

20 m

分析以上各圖可知：

1) 當凈距為4 m時，中間巖柱的等效塑性區(qū)面積較大，且中間巖柱塑性區(qū)已出現(xiàn)貫通，塑性區(qū)疊加效應顯著，可見此時雙洞開挖相互影響導致中間巖柱穩(wěn)定性非常差，最大塑性應變出現(xiàn)在中間巖柱核心區(qū)，為18.66×10-3，在凈距為6 m時，中間巖柱塑性區(qū)呈斜條形分布，呈現(xiàn)出明顯的偏壓特征，由于偏壓作用，深、淺埋洞左右兩側(cè)的塑性區(qū)分布不對稱，淺埋洞的左側(cè)塑性區(qū)主要集中在拱肩至拱腰附近，右側(cè)塑性區(qū)主要集中在拱腳附近，深埋洞左側(cè)塑性區(qū)主要集中在拱腰至拱腳附近，右側(cè)塑性區(qū)主要集中在拱腳至墻腳附近。

2) 當凈距為8 m時，中間巖柱塑性區(qū)從連通到不連通，隨著凈距的增加，產(chǎn)生塑性變化的區(qū)域逐漸減小，圍巖穩(wěn)定性逐漸增加。對于深、淺埋洞左右兩側(cè)的塑性應變區(qū)域，當凈距d≥8 m，淺埋洞的塑性區(qū)域基本不再變化，與凈距4～6 m時的分布位置一樣，而深埋洞的塑性區(qū)域隨著凈距的增大，逐漸由以前的左右分布不對稱形式變成對稱分布的形式，在凈距d=18 m時，兩側(cè)塑性區(qū)分布基本對稱，表現(xiàn)出單洞隧道深埋無偏壓的特點。如果把塑性區(qū)是否連通作為選擇小凈距隧道最小合理凈距的原則，那么按照此方法計算出來的最小合理凈距應該是8 m左右。

3) 從表2、圖4可知，當凈距d在8 m左右的時候，中間巖柱中最大塑性應變有突變，當凈距小于8 m時，塑性應變大小迅速增大，表明隧道處于不穩(wěn)定狀態(tài);當凈距大于8 m時，塑性應變大小基本不再變化。從最大塑性應變角度來分析，當凈距d=8 m左右時發(fā)生突變，因此其最小合理凈距應為8 m左右。

表2 不同凈距下的圍巖最大塑性應變凈距/m塑性應變/10-3凈距/m塑性應變/10-3418 66144 07666 902163 48183 838183 477103 950204 212123 861

圖4 圍巖塑性應變圖

3 圍巖應力分析

圍巖應力分析選取的分析點如圖5。

圖5 中間巖柱特征點布置圖

運用巖石抗剪安全系數(shù)Kα計算各特征點的抗剪安全系數(shù):

式中：Kα為抗剪安全系數(shù)；φ為摩擦角；c為粘聚力；σ1、σ3分別為最大、最小主應力。

圖6、圖7分別為最小、最大主應力圖。

圖6 最小主應力圖

圖7 最大主應力圖

1) 由圖6、圖7可知，隨著凈距的增大，中夾巖體核心區(qū)的最小主應力的絕對值逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定，變化最大的特征點為B2，最大主應力的絕對值逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定，變化最大的特征點為A2，最大與最小主應力之間的差值越來越小，表明特征點的穩(wěn)定性越來越好。

2) 對于最小主應力，以特征點B2的變化來說明，第1階段，凈距在4～8 m之間，隨凈距的增大，最小主應力絕對值開始迅速減小，雙洞開挖疊加效應明顯；第2階段，凈距在8～12 m之間，隨凈距的增大，最小主應力絕對值減小速度減慢；第3階段，即當凈距大于12 m時，隨著凈距的增大最小主應力變化不大，推測此時雙洞隧道呈相互獨立、互不干擾趨勢；最大主應力的變化跟最小主應力一樣，此處不再贅述。

3) 從圖8圍巖抗剪安全系數(shù)隨凈距變化的曲線可知，各特征點的變化規(guī)律基本一致，但存在數(shù)值上的差別，各特征點的安全系數(shù)隨著凈距的增大逐漸增大，且增大速度越來越小，最終將趨于穩(wěn)定。以圍巖抗剪安全系數(shù)允許值[K]≥1.2為判別條件，達到這一條件，A2、B2、C2所對應的凈距分別為13.1、8.4、6.8 m，中間巖柱的上部抗剪安全性小于下部。隨著凈距的增大，圍巖抗剪安全系數(shù)變化最大的點為B2，且該點最終的安全系數(shù)也最大，說明凈距越大，中間巖柱中心處越穩(wěn)定，抗剪安全系數(shù)最先達到穩(wěn)定的特征點為C2，最后達到穩(wěn)定的特征點為A2。在凈距為4～6 m的時候，各特征點抗剪安全系數(shù)基本保持不變，且均小于安全系數(shù)允許值，說明在凈距過小時，如不采取適當?shù)募庸檀胧?，中間巖柱極有可能已發(fā)生剪切破壞。

圖8 特征點圍巖抗剪安全系數(shù)變化曲線

4 圍巖位移分析

布置如圖9所示監(jiān)測點。

圖9 中間巖柱監(jiān)測點布置圖

通過數(shù)值計算得到各監(jiān)測點位移隨凈距的變化如圖10所示。

圖10 中間巖柱特征點位移變化曲線

由圖可知：

1) 中間巖柱各監(jiān)測點豎向位移呈自下而上逐漸增大的分布規(guī)律，同時由于深埋側(cè)埋深較大，使得中間巖柱深埋側(cè)特征點豎向位移大于淺埋側(cè)。

2) 各特征點豎向位移隨著凈距的增大呈非線性的遞減變化，除了中間巖柱下部的C1、C2、C3以及B3豎向位移為正(即隆起)之外，其余各點豎向位移均為負(即沉降)，豎向位移受凈距影響較小的點為B3和C3，均在中間巖柱深埋側(cè)，位移曲線保持為一條近似的水平線，其余各點的豎向位移受凈距的影響較大，變化基本分為以下幾個階段：第1階段，凈距在4～8 m之間，隨凈距的增大，特征點豎向位移開始迅速減小，雙洞開挖疊加效應明顯；第2階段，凈距在8～12 m之間，隨凈距的增大，特征點豎向位移減小速度減慢；第3階段，即當凈距大于12 m時，特征點豎向位移變化不大，近似一條水平直線，推測此時雙洞隧道呈相互獨立、互不干擾趨勢，這與前面圍巖應力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律基本一致。

3) 當凈距較小時，中間巖柱水平位移最大的點為B1和B3，且兩者水平位移方向剛好相反，該區(qū)域在圍巖塑性區(qū)分布圖中正為中間塑性區(qū)貫通區(qū)域，當凈距較大時，中間巖柱水平位移最大的點為A1和C1，方向也相反。

5 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

將襯砌輪廓按角度分割，如圖11所示。

圖11 襯砌輪廓分割圖

襯砌結(jié)構(gòu)不同角度處軸力分布如圖12。

圖12 不同凈距下襯砌軸力分布圖

1) 從圖12襯砌結(jié)構(gòu)軸力分布的變化規(guī)律可知，在隧道凈距從4 m增至8 m過程中，靠近中間巖柱側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)軸力值變化幅度較大且減小，當凈距大于8 m之后，隨著凈距的增加，襯砌結(jié)構(gòu)軸力基本不再發(fā)生變化，分析原因是因為隨著兩洞凈距增大，應力重分布區(qū)域有所減小或者疊加影響較小，導致襯砌軸力值減??；同時從上圖也可以看出，不同凈距下襯砌軸力沿隧道輪廓的分布形狀基本不發(fā)生改變，說明凈距對于隧道偏壓的影響不大。

2) 從圖13隧道各控制點襯砌軸力變化曲線可知，對于淺埋洞，襯砌結(jié)構(gòu)下部軸力大于上部，拱底和拱頂處的軸力較小，各控制點軸力隨著凈距的增加均逐漸減小，當凈距在4～8 m范圍內(nèi)時，軸力變化較快，雙洞開挖疊加效應明顯，當凈距在8～12 m范圍內(nèi)時，軸力變化減慢，當凈距大于12 m時，軸力基本保持不變。對于深埋洞，襯砌結(jié)構(gòu)中部軸力大于上部和下部，同樣也是拱底和拱頂處的軸力較小，隨著凈距的增加，拱頂、外拱肩以及外墻腳的軸力逐漸增加，其余特征點軸力逐漸減小，當凈距大于10～12 m后，軸力基本保持不變，與淺埋洞變化規(guī)律基本一致。

圖13 隧道各控制點襯砌軸力變化曲線

6 結(jié)論

1) 凈距的變化對中間巖柱的影響最為顯著，對隧道偏壓效應的影響不大。

2) 隨著隧道凈距的變化，靠近中間巖柱側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)軸力值調(diào)整幅度大于遠離中間巖柱側(cè)，且靠近中間巖柱處襯砌各控制點軸力隨著凈距的增加逐漸減小。

3) 圍巖、中間巖柱及支護結(jié)構(gòu)的各項指標隨凈距的變化大致經(jīng)歷了3個不同的階段，第1階段為雙洞疊加效應明顯階段(4～8 m，凈距約小于0.6B，B為洞跨，下同)，該階段雙洞疊加效應明顯，各項指標受凈距變化的影響較大；第2階段為雙洞疊加效應減弱階段(8～12 m，約為0.6B～1B)，該階段雙洞疊加效應減弱，各項指標隨凈距的改變會有變化，但變化趨勢減弱；第3階段為雙洞相互獨立階段(大于12 m，約為1B)，該階段雙洞隧道呈相互獨立、互不干擾趨勢，各項指標不再隨凈距改變而發(fā)生明顯的變化。

4) 從圍巖、中間巖柱及支護結(jié)構(gòu)的受力和變形特性隨隧道凈距的變化情況來看，在具體地形及地質(zhì)條件限制地段，陡坡偏壓隧道最小安全凈距以不小于8 m(0.6B)為宜，可以使得雙洞相互影響適中，且深埋洞埋置深度不至于過大，在具體地形及地質(zhì)條件不受限制地段，陡坡偏壓隧道最小安全凈距以不小于12 m(1B)為宜。

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