軟巖大變形隧道小凈距段變形及受力分析

楊加強(qiáng)

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司華東區(qū)域指揮部， 江蘇 南京 210000)

如今國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，社會(huì)各界也越來(lái)越重視道路施工質(zhì)量，再加上隧道項(xiàng)目在道路項(xiàng)目中占據(jù)極其重要的地位，在規(guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)候，就要深入研究其地質(zhì)及地形環(huán)境，進(jìn)而使隧道項(xiàng)目的建設(shè)效果充分體現(xiàn)出來(lái)。鑒于此，研究軟巖大變形隧道小凈距段變形及受力特性尤為重要。文章的主要研究對(duì)象就是軟巖地質(zhì)環(huán)境下的隧道小凈距段的變形與受力特性。

1 小凈距隧道國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

分析國(guó)內(nèi)公路建設(shè)的現(xiàn)狀能夠得出，現(xiàn)今道路項(xiàng)目建設(shè)的主要內(nèi)容就是中西部區(qū)域的道路建設(shè)。而中西部區(qū)域的地形及地質(zhì)環(huán)境具備顯著的復(fù)雜性及特殊性，鑒于此，在隧道項(xiàng)目施工中一定要重視軟巖大變形隧道項(xiàng)目中小凈距隧道施工工藝的實(shí)際運(yùn)用。在軟巖大變形隧道項(xiàng)目的實(shí)際施工中，受力強(qiáng)度、施工材料及支護(hù)架構(gòu)的形式等均會(huì)在很大程度上影響其變形大小。研究軟巖隧道變形的根本機(jī)制之后能夠得出，大變形產(chǎn)生的根本原因涵蓋下面幾點(diǎn)：（1）水洗之后的軟巖隧道出現(xiàn)膨脹變形現(xiàn)象的幾率較大，如果軟化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，就會(huì)顯示出明顯的流變特性，進(jìn)而導(dǎo)致變形愈演愈烈[1]。（2）由于地應(yīng)力場(chǎng)的存在，隧道開(kāi)挖操作完成之后，隧道圍巖所承受的應(yīng)力載荷大于其能夠承受的范圍，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形問(wèn)題。

現(xiàn)今，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，小凈距隧道施工工藝同樣得到突破性的成就，進(jìn)而使隧道項(xiàng)目實(shí)際施工中凈距問(wèn)題能夠得到妥善處理，在現(xiàn)代隧道項(xiàng)目研究領(lǐng)域中這也是一大研究熱點(diǎn)。合適的隧道凈距應(yīng)該能使鄰近隧道間的巖柱能夠符合特定強(qiáng)度及穩(wěn)定程度，進(jìn)而使隧道項(xiàng)目的施工不會(huì)影響或是破壞項(xiàng)目，鑒于此，科學(xué)的凈距研究能夠促進(jìn)隧道項(xiàng)目穩(wěn)定性及安全性的有效提升。

2 軟巖隧道小凈距段數(shù)值分析

2.1 小凈距隧道的概念

在進(jìn)行特殊隧道布局的過(guò)程中，應(yīng)該基于各種圍巖等級(jí)下凈距的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工，并且在實(shí)際操作中，雙洞洞壁凈距非常小，開(kāi)展獨(dú)立的雙洞研究就不具備很好的可行性。各種圍巖等級(jí)下的凈距值和隧道開(kāi)挖斷面的寬度W之間的關(guān)聯(lián)性較好，如果圍巖等級(jí)是一級(jí)，并且凈距是1.0W，那么二級(jí)時(shí)凈距就是1.5W，相應(yīng)的，可以得到三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)時(shí)凈距為分別是2.0W、2.5W、3.5W、4.0W。而臨近隧道凈距的最小值應(yīng)該基于圍巖的 6個(gè)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其實(shí)就是根據(jù)隧道開(kāi)挖斷面寬度進(jìn)行凈距標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)計(jì)，進(jìn)而設(shè)計(jì)雙線隧道最小凈距的取值區(qū)間[2]。

2.2 軟巖擠壓性大變形隨道不同凈距的分析

對(duì)軟巖擠壓性大變形隧道不同凈距背景下的特性進(jìn)行分析，其實(shí)就是要得出科學(xué)的凈距值，進(jìn)而使隧道項(xiàng)目施工中的安全性及質(zhì)量得到保障。比如某一隧道項(xiàng)目為了使項(xiàng)目整體質(zhì)量得到保障，在實(shí)際作業(yè)進(jìn)行之前，有效分析并模擬了各種凈距條件下的隧道項(xiàng)目參數(shù)值，也就是在模擬時(shí)，導(dǎo)入了 7種不同的凈距值（0.67W、1W、1.35W、2W、2.7W、3.33W、4.3W）。該隧道項(xiàng)目的實(shí)際埋深是395m，在模擬的時(shí)候?yàn)榱耸菇ㄔO(shè)過(guò)程得到簡(jiǎn)化，釋放了隧道 65%的應(yīng)力，進(jìn)而將隧道的圍巖控制在塑性狀態(tài)中。模擬時(shí)，采取全斷面開(kāi)挖的方法，并基于此進(jìn)行毛洞開(kāi)挖及支護(hù)，還能夠有效研究隧道的變形特性。

模擬過(guò)程中要進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)主要有兩種，分別是圍巖參數(shù)及支護(hù)參數(shù)，要想模擬結(jié)果的有效性、可靠性得到極大的提升，在實(shí)際設(shè)置時(shí)，按照下面的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圍巖相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)：P是2000kg/m3， E是0.8GPa，μ是0.4，c是0.2MPa，φ是20度；支護(hù)參數(shù)：P是2500kg/m3，E是20GPa，μ是0.25，厚度是0.2m?；诟鲄^(qū)域位置，進(jìn)一步研究?jī)艟嘀蹈淖兌鸬淖冃维F(xiàn)象，選擇隧道中的 9個(gè)極具代表性的點(diǎn)，位移變化特性詳如圖1所示[3]。

針對(duì)隧道變形特性進(jìn)行深入分析的時(shí)候，對(duì)應(yīng)力釋放率引起的影響一定要重視，并且在實(shí)際模擬時(shí)，設(shè)置了30%、50%、65%的應(yīng)力釋放率值。借助動(dòng)態(tài)檢測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得出下面幾點(diǎn)結(jié)論：（1）拱頂、背向中間巖柱的變形和應(yīng)力釋放率之間基本沒(méi)有關(guān)聯(lián)，并且基于實(shí)際模擬結(jié)果能夠得出，上述區(qū)域的凈距值與位移形變之間呈負(fù)相關(guān)；（2）隧道支護(hù)竣工之后，其變形和隧道的應(yīng)力釋放率之間的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的；（3）應(yīng)力釋放率及凈距均會(huì)在一定程度上影響中間巖柱上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形程度，在各種應(yīng)力釋放率的條件下，會(huì)產(chǎn)生不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移改變，還會(huì)在凈距值上升到特定值的時(shí)候，產(chǎn)生位移變形的最大值，也就是 65%應(yīng)力釋放率所對(duì)應(yīng)的變形峰值；（4）在應(yīng)力釋放率達(dá)到30%、50%、65%的條件下，其凈距值分別是1W、1.35W、2W[4]。

圖1 隧道周邊位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和選取位置示意

另外，借助模擬分析的結(jié)果能夠總結(jié)出不同凈距條件下隧道各個(gè)部位的位移特性，還能夠在中間巖柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化位移的基礎(chǔ)上，能夠開(kāi)展有效的分析。借助模擬試驗(yàn)?zāi)軌虻贸?，在特定凈距值的時(shí)候，中間巖柱的位移變化會(huì)產(chǎn)生改變，也就是凈距值＜2W的時(shí)候，隧道中間巖柱各點(diǎn)的變形與凈距值呈正相關(guān)關(guān)系，如果凈距值的范圍在2W～4W，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移與凈距值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。鑒于此，就隧道中間巖柱位置而言，2W是變形中間值，并且凈距值的范圍在0.67W～4W的時(shí)候，中間巖柱的變形較小。

3 不同凈距下隧道圍巖應(yīng)力分析

在隧道圍巖中，其應(yīng)力分布及受力特性會(huì)在很大程度上影響著其穩(wěn)定性，如果隧道開(kāi)展了開(kāi)挖作業(yè)，圍巖應(yīng)力的分布特性同樣會(huì)出現(xiàn)極大的改變。就軟巖隧道來(lái)說(shuō)，如果在隧道洞周，圍巖應(yīng)力的分布特性及規(guī)律不科學(xué)，就會(huì)導(dǎo)致支護(hù)架構(gòu)的承受荷載改變，進(jìn)而使其穩(wěn)定性與項(xiàng)目施工的整體水平受到很大的影響。鑒于此，在針對(duì)各種凈距系隧道圍巖應(yīng)力特性進(jìn)行分析的時(shí)候，應(yīng)該運(yùn)用最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力發(fā)揮出特征分析值的作用。

分析模擬結(jié)果能夠得到，隧道拱頂上的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力范圍分別是-4～-4.5MPa、-7～-8MPa。并且，凈距值的改變，會(huì)在一定程度上影響隧道各個(gè)區(qū)域的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力，如果凈距值超過(guò)2W，在隧道邊墻中，相較于中間巖柱側(cè)應(yīng)力來(lái)說(shuō)，背向隧道中間巖柱側(cè)應(yīng)力稍微小一些。如果凈距值＞2W，隧道的應(yīng)力場(chǎng)就會(huì)顯示出明顯的分離問(wèn)題，相較于中間巖柱背向中間巖柱來(lái)說(shuō)，中心區(qū)域的應(yīng)力更大[5]。

如果凈距的范圍是 0.67W～1.35W，就會(huì)產(chǎn)生最小的中間巖柱最大主應(yīng)力，如果凈距的范圍是2W～4W，中間巖柱最大主應(yīng)力會(huì)急劇增加，其原因是隧道的凈距范圍是 0.67W～1.35W，隧道開(kāi)挖施工產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)及單洞開(kāi)挖施工產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)具備較大的相似性，換而言之，凈距與中間巖柱變形大小是正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章深入闡述了小凈距隧道研究現(xiàn)狀、軟巖隧道小凈距段變形特性、各凈距下隧道圍巖應(yīng)力特性，最終得出以下結(jié)論：隧道各階段的變形特性由于應(yīng)力釋放率及凈距值的存在，各應(yīng)力釋放率條件下的變形峰值存在較大的差異，并且凈距值也是不同的。隧道中間巖柱各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平收斂值變化特性：如果凈距是0.0672W，變形大小與凈距呈正相關(guān)；如果凈距的范圍是2～4W，變形大小和凈距呈負(fù)相關(guān)。

[1]劉陽(yáng).軟巖大變形隧道小凈距段變形與受力分析[D].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2015.

[2]施玉晶.軟巖大變形小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

[3]任文效.軟巖大變形小凈距隧道施工方案優(yōu)化研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué)，2014.