八達嶺長城站小凈距三洞隧道中巖柱受力特性與支護優(yōu)化研究

耿建儀， 梁志輝， 楊新安, *， 王 斌

(1. 同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804； 2. 同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院， 上海 201804； 3. 同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司， 上海 200092； 4. 中鐵五局集團第四工程有限責(zé)任公司， 廣東 韶關(guān) 512031)

0 引言

深埋小凈距三洞隧道是高速鐵路隧道中出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)形式，由于其中巖柱寬度小且需要承受較大荷載，因此在隧道施工擾動作用下，中巖柱內(nèi)部應(yīng)力極容易達到圍巖強度而屈服。因此，有必要對小凈距三洞隧道的中巖柱受力特性和不同支護參數(shù)對中巖柱的支護效果影響進行研究。

目前，國內(nèi)學(xué)者針對小凈距隧道中巖柱力學(xué)特性等相關(guān)問題進行了一定的研究。應(yīng)國剛等[1]基于預(yù)留支護假設(shè)研究巖柱厚度、隧道半徑對中巖柱豎向應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)巖柱厚度越小、隧道半徑越大，中巖柱內(nèi)的最大豎向應(yīng)力越大，且應(yīng)力分布更加均勻。張亞鵬等[2]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則對小凈距隧道的應(yīng)力特性進行研究，發(fā)現(xiàn)隧道施工時中巖柱側(cè)巖壁出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。張頂立等[3]利用雙極坐標(biāo)法推導(dǎo)雙洞小凈距隧道中央巖墻應(yīng)力分布表達式，并研究不同隧道尺度和中巖柱厚度等對中央巖墻應(yīng)力分布的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道半徑不同時，巖墻內(nèi)應(yīng)力分布偏向小隧道側(cè)，應(yīng)力分布隨著巖墻厚度的增加逐漸呈現(xiàn)均勻分布的規(guī)律。張進[4]研究了隧道凈距對小凈距隧道的應(yīng)力分布影響，發(fā)現(xiàn)隧道開挖后圍巖塑性區(qū)主要集中在中巖柱處，且隧道凈距越大塑性區(qū)面積越小，中間巖柱最大壓應(yīng)力也逐漸減小。姚勇等[5]對不同圍巖等級與隧道凈距下的雙線小凈距隧道中巖柱應(yīng)力變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)中巖柱豎向應(yīng)力隨著隧道凈距的減少而顯著增加，圍巖質(zhì)量越好中巖柱受力越大。巫峰[6]對小凈距隧道的中巖柱豎向應(yīng)力隨施工步的變化情況進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)中巖柱底部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象而承受較大壓力。呂顯福等[7]對中巖柱內(nèi)部塑性區(qū)分布規(guī)律進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著隧道凈距增加，圍巖塑性區(qū)主要集中于中巖柱核心的范圍內(nèi)。朱莉等[8]研究了不同凈距下小凈距隧道塑性區(qū)和圍巖應(yīng)力場的分布特點，得出圍巖應(yīng)力變化較大的地方集中分布在中巖柱核心以及拱腳位置，且該位置最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

以上研究都指出，小凈距隧道施工中，中巖柱承受較大豎向壓力，且穩(wěn)定性較差。因此，也有不少學(xué)者在小凈距隧道支護受力和支護方式比選方面進行了研究。楊凱等[9]對不同圍巖級別和隧道凈距下的并行隧道施工進行模擬，發(fā)現(xiàn)隨著隧道凈距的減小，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖隧道施工時先行洞支護結(jié)構(gòu)承受較大的圍巖壓力且中巖柱的穩(wěn)定性難以保證。龔建伍[10]對小凈距隧道圍巖應(yīng)力變化和中巖柱支護方案進行了分析，發(fā)現(xiàn)中巖柱豎向應(yīng)力隨著隧道凈距減少而顯著增加，對于Ⅴ級圍巖隧道應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)支護的基礎(chǔ)上合理采用超前注漿+拱腰加長錨桿的方式對中巖柱進行支護。孫景鳳等[11]分析了中巖柱加固與否對小凈距大跨隧道中巖墻的穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)采用對拉錨桿+注漿加固的中巖墻比未加固的中巖墻變形減小50%。李志剛等[12]將不同的小凈距隧道超前加固方式對圍巖變形的控制效果進行對比分析，認(rèn)為施作超前小導(dǎo)管有利于保證中巖柱的穩(wěn)定性。謝偉華[13]將不同錨桿長度、錨桿間距和噴射混凝土厚度對淺埋偏壓小凈距隧道的支護效果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)初期支護效果與錨桿長度和噴射混凝土厚度正相關(guān)，與錨桿間距負相關(guān)。陳佳[14]對Ⅴ級圍巖小凈距隧道不同中巖柱加固的效果進行了比較分析，得出小凈距隧道應(yīng)當(dāng)綜合采用雁形部位加長錨桿+注漿對拉錨桿等形式對中巖柱進行加固。

綜上，目前的研究多針對小凈距雙洞隧道，而深埋小凈距三洞隧道作為一種近年來才出現(xiàn)的鐵路隧道結(jié)構(gòu)形式，對其中巖柱受力特性與支護參數(shù)優(yōu)化研究較為少見。本文基于京張高鐵八達嶺長城站小凈距三洞隧道工程，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的方法，研究不同凈距下中巖柱受力特性，并據(jù)此將不同初期支護參數(shù)對中巖柱支護效果的影響進行對比分析，以期得到適用于該隧道的中巖柱支護方案。

1 依托工程簡介

1.1 工程概況

八達嶺長城站是新京張鐵路控制工程，車站施工范圍里程標(biāo)號為DK67+786.6～DK68+281.6,全長495 m(包括398 m小凈距三洞隧洞道段)，車站最大埋深102 m。車站主體部分采用如圖1所示的小凈距三洞隧道形式，左、右兩側(cè)邊洞隧道(到發(fā)線)毛洞尺寸為15.9 m×12.4 m，中洞隧道(正線)毛洞尺寸為14.3 m×12.2 m，邊洞與中洞的凈距約為2.33～5.88 m，根據(jù)我國《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[15]，其屬于小凈距隧道的范疇。

圖1 八達嶺長城站三洞隧道平面示意圖(陰影部分為中巖柱)[16] (單位： m)

新八達嶺長城站里程范圍內(nèi)的地質(zhì)剖面圖如圖2所示，主要地層自上而下為素填土、全風(fēng)化斑狀二長花崗巖、強風(fēng)化斑狀二長花崗巖和微風(fēng)化斑狀二長花崗巖。圍巖條件復(fù)雜，在隧道掘進方向上圍巖級別在Ⅲ級到Ⅴ級之間不斷變換，其中Ⅲ級圍巖約占63%，Ⅴ級圍巖約占37%，施工風(fēng)險較高。

圖2 八達嶺長城站隧道地質(zhì)剖面圖

1.2 小凈距三洞隧道施工方案

Ⅴ級圍巖段小凈距三洞隧道的施工方案如圖3所示。小凈距三洞隧道采用先開挖邊洞，再開挖中洞的施工順序，先行洞室與后行洞室的凈距為40～60 m。其中，左、右兩側(cè)邊洞施工采用上下臺階法施工，中洞采用三臺階法施工，各洞室開挖進尺為2.0 m，臺階長度為30 m。對拉錨桿設(shè)計預(yù)應(yīng)力為60～90 kN，在邊洞施工完成后先張拉至預(yù)應(yīng)力設(shè)計值的50%～60%，當(dāng)中洞施工至指定里程后將中洞側(cè)的對拉錨桿張拉至設(shè)計值，并將邊洞側(cè)對拉錨桿進行補拉。隧道初期支護采用錨桿+鋼架+噴射混凝土的形式，初期支護施工參數(shù)如表1所示。

由于隧道凈距極小，為避免施工爆破對二次襯砌的擾動，故該工程計劃當(dāng)長398 m的三洞隧道均貫穿后，再統(tǒng)一澆筑二次襯砌，即隧道施工后的圍巖荷載基本由中巖柱和初期支護結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此本文后續(xù)分析均不考慮二次襯砌。

2 小凈距三洞隧道中巖柱應(yīng)力分布特性

2.1 數(shù)值計算模型

為了解不同凈距下中巖柱的豎向應(yīng)力分布特性，驗證中巖柱支護的必要性并指導(dǎo)小凈距隧道中巖柱支護的優(yōu)化，采用Midas GTS有限元分析軟件，對1、2.33、3.88、5.44、7、8.5 m共6種不同的隧道凈距分別建立三維分析模型，其中2.33、3.88、5.44 m為工程中實際存在的隧道凈距。為減小邊界效應(yīng)的影響，模型的長、寬、高分別取為200、50、200 m，建立的計算分析模型如圖4所示。在數(shù)值模擬中，隧道單次進尺長度取為2 m，臺階長度取為8 m，對拉錨桿預(yù)應(yīng)力直接施加至設(shè)計值。由于先行洞室掌子面超前后行洞室40～60 m，因此模擬中采用左洞貫通后施工右洞，右洞貫通后施工中洞的施工步序。

(a) 三洞隧道施工工法與步序示意圖 (單位： mm)

(b) 左、右邊洞臺階法施工示意 (單位： m)

(c) 中洞三臺階法施工示意 (單位： m)

(d) 三洞隧道施工時機示意 (單位： m)

Fig. 3 Construction cross-section and profile of small clear spacing three-tube tunnel of Badaling Great Wall Station

表1 優(yōu)化前隧道初期支護施工參數(shù)

圖4 數(shù)值計算模型(以凈距5.44 m為例)

Fig. 4 Numerical calculation model (taking 5.44 m clear spacing as an example)

2.2 計算參數(shù)的確定

巖體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，錨桿采用1D植入式桁架單元模擬，噴射混凝土采用2D板單元模擬，對于超前小導(dǎo)管采用提高注漿區(qū)圍巖參數(shù)的方式模擬，隧道施工工法如圖3所示。對于系統(tǒng)錨桿、加長錨桿和初期支護噴射混凝土3項待優(yōu)化支護參數(shù)，暫選取所有錨桿環(huán)向間距和縱向間距均為1.0 m，初期支護噴射混凝土厚度為28 cm，格構(gòu)鋼架的剛度采用“代換剛度法”換算入噴射混凝土的剛度進行考慮。圍巖與支護結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)參數(shù)取自八達嶺長城站地質(zhì)勘探資料，具體參數(shù)如表2所示。

表2計算模型中所用材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)

Table 2 Mechanical parameters of materials used in numerical models

材料重度/(kN/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)素填土17.80.080.40.1520.0 全風(fēng)化斑狀二長花崗巖20.40.60.350.1825.0 強風(fēng)化斑狀二長花崗巖21.62.10.330.2824.0 微風(fēng)化斑狀二長花崗巖24.03.60.30.4028.0超前加固區(qū)23.96.00.280.6031.0噴射混凝土24.533.90.25錨桿78.5210.00.2

2.3 小凈距三洞隧道中巖柱豎向應(yīng)力分布特性

數(shù)值計算得到的不同隧道凈距下中巖柱最大豎向應(yīng)力變化關(guān)系曲線見圖5。如圖5所示，不同隧道凈距下中巖柱的最大豎向應(yīng)力大小不同，且在隧道凈距小于3.88 m(即中巖柱最大豎向應(yīng)力為5.06 MPa)時，中巖柱最大豎向內(nèi)力發(fā)生較大變化。隨著隧道凈距的增大，中巖柱內(nèi)最大豎向應(yīng)力隨之減小，且隧道凈距越大，最大豎向應(yīng)力的減小幅度越小。這主要是由于當(dāng)隧道凈距較小時，中巖柱寬度較小，由于三洞隧道施工壓力拱的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致中巖柱內(nèi)部豎向應(yīng)力往往較大。但隨著隧道凈距的增加，隧道施工的疊加影響減小且中巖柱受力的寬度增加，導(dǎo)致中巖柱內(nèi)應(yīng)力減少。

圖5 中巖柱最大豎向應(yīng)力與隧道凈距的關(guān)系

Fig. 5 Relationship between maximum vertical stress of middle rock pillar and clear spacing of tunnel

現(xiàn)場試驗獲得的Ⅴ級圍巖段的圍巖試塊單軸抗壓強度為18.3～61.8 MPa，雖然其強度屬于Ⅳ級圍巖范圍，但考慮隧道施工區(qū)間深埋巖體存在發(fā)育節(jié)理和斷層破碎帶，且由于隧道凈距小易受施工擾動影響，為避免中巖柱承受較大壓應(yīng)力而產(chǎn)生較大的擠出變形，在本隧道工程條件下?、跫墖鷰r強度5 MPa為界對中巖柱的加固需求進行分析。如圖5所示，當(dāng)隧道凈距小于3.88 m時，數(shù)值模擬得到的中巖柱最大豎向應(yīng)力發(fā)生突變且數(shù)值開始大于5 MPa，因此需要對隧道中巖柱進行強加固； 而當(dāng)隧道凈距大于3.88 m時，需根據(jù)規(guī)范要求對中巖柱進行合理加固。

不同凈距下的中巖柱主要承載范圍和塑性區(qū)分布規(guī)律以3.88 m為界，在不同凈距區(qū)間內(nèi)的中巖柱承載范圍和塑性區(qū)分布存在一定差異，而在同一凈距區(qū)間內(nèi)其規(guī)律基本相同，因此選取2.33 m、3.88 m和5.44 m 3種隧道凈距進行詳細分析，如圖6所示。當(dāng)隧道凈距大于5.44 m時，中巖柱最大豎向應(yīng)力尚未達到5 MPa，中巖柱承載范圍主要為巖柱中間的核心區(qū)域，圍巖塑性區(qū)主要集中在隧道邊墻處且邊洞與中洞的塑性區(qū)并未發(fā)生連接。當(dāng)隧道凈距為3.88 m時，中巖柱所受到的最大豎向應(yīng)力為5.062 MPa，應(yīng)力逐漸超過5 MPa，由于中巖柱承載能力有限，上部圍巖荷載開始再向下傳遞再向隧道邊墻角處集中，中巖柱的承載范圍為巖柱中部小凈距處和隧道邊墻角處的巖柱處，邊洞與中洞的圍巖塑性區(qū)開始發(fā)生連接。當(dāng)隧道凈距小于2.33 m時，中巖柱所受到的最大壓應(yīng)力已超過5 MPa，中巖柱承載能力不足，應(yīng)力向下傳遞，在隧道邊墻角處的巖柱范圍內(nèi)集中，此時中巖柱的承載范圍為隧道邊墻角處的巖柱處，邊洞與中洞的圍巖塑性區(qū)已經(jīng)完全連接。中巖柱的承載范圍和塑性區(qū)分布以5 MPa的中巖柱最大豎向應(yīng)力為界表現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，印證了將中巖柱最大壓應(yīng)力5 MPa作為本隧道工程強加固與合理加固界線的可取性。此外，當(dāng)凈距小于3.88 m時，邊洞靠近中巖柱側(cè)的仰拱下方均出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，這主要與小凈距隧道施工對圍巖的疊加影響導(dǎo)致仰拱發(fā)生較大隆起有關(guān)。

(a) 5.44 m凈距圍巖豎向應(yīng)力分布 (單位： MPa) (b) 5.44 m凈距圍巖塑性應(yīng)變分布

(c) 3.88 m凈距圍巖豎向應(yīng)力分布 (單位： MPa) (d) 3.88 m凈距圍巖塑性應(yīng)變分布

(e) 2.33 m凈距圍巖豎向應(yīng)力分布 (單位： MPa) (f) 2.33 m凈距圍巖塑性應(yīng)變分布

圖6不同凈距下三洞隧道中巖柱應(yīng)力與塑性區(qū)分布云圖

Fig. 6 Nephograms of stress and plastic zone distribution of middle rock pillar in three-tube tunnel with different clear spacing

綜上所述，深埋小凈距三洞隧道中巖柱在施工過程中會承受較大的豎向荷載，并可能貫穿塑性區(qū)，因此需要對工程中的中巖柱支護方案進行優(yōu)化設(shè)計，保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3 小凈距三洞隧道中巖柱支護參數(shù)優(yōu)化

3.1 中巖柱支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型建立

按照原有施工方案，針對中巖柱的加固措施主要有對拉錨桿、拱腰側(cè)的系統(tǒng)錨桿等，但在實際施工中既定方案對圍巖變形控制效果差，中巖柱處多次發(fā)生初期支護結(jié)構(gòu)變形過大的情況。因此，結(jié)合2.3節(jié)數(shù)值模擬得到的圍巖豎向應(yīng)力分布特性，為保證小凈距三洞隧道的順利施工，應(yīng)對原有的支護方案進行變更，計劃用加長錨桿替換雁形部位系統(tǒng)錨桿，并對雁形部位加長錨桿長度和對拉錨桿預(yù)應(yīng)力及其環(huán)、縱向間距這4個支護參數(shù)進行優(yōu)化分析，對不同支護參數(shù)在控制中巖柱的水平變形、拱頂沉降和中巖柱側(cè)初期支護噴射混凝土應(yīng)力的效果進行對比，得到適用于八達嶺長城站小凈距隧道施工的支護方案。

待優(yōu)化的小凈距隧道支護結(jié)構(gòu)如圖7所示，地層與支護相關(guān)參數(shù)見表2。當(dāng)對某一支護參數(shù)進行優(yōu)化分析時，其余支護參數(shù)按照表1中優(yōu)化前的參數(shù)進行取值。

(a) 待優(yōu)化支護體系正面圖

(b) 待優(yōu)化支護體系軸測圖

3.2 加長錨桿對比分析

由于Ⅴ級圍巖自身穩(wěn)定性較差，因此考慮將雁形部位的系統(tǒng)錨桿替換為加長錨桿，加強中巖柱上方圍巖的強度與穩(wěn)定性，以對中巖柱進行支護。選取4.5 m(即不采用加長錨桿)、5.0 m、5.5 m和6.0 m 4種不同長度的加長錨桿將其對中巖柱的支護效果進行對比優(yōu)化分析。

不同加長錨桿長度下的中巖柱支護效果如圖8所示。當(dāng)隧道凈距為2.33 m時，中巖柱內(nèi)最大水平位移、最大沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力均隨著加長錨桿長度的增加而減少；當(dāng)加長錨桿長度達到6.0 m時，3項支護評價指標(biāo)均基本穩(wěn)定，能夠有效限制中巖柱的變形并保障巖柱和支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而當(dāng)隧道凈距為3.88 m和5.44 m時，3項支護評價指標(biāo)隨著加長錨桿長度的增加均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，但區(qū)別不大。這主要是由于中巖柱寬度增加后，中巖柱及其上方部分區(qū)域內(nèi)的圍巖所受應(yīng)力不大，自身能保持穩(wěn)定，故其支護效果并不明顯，而加長錨桿的質(zhì)量反而增加了支護結(jié)構(gòu)和圍巖的承載，導(dǎo)致變形和結(jié)構(gòu)受力有輕微的增加。因此，對于2.33 m、3.88 m和5.44 m的隧道凈距情況，僅需要在2.33 m凈距下采用6.0 m長的加長錨桿替代中巖柱側(cè)拱腰位置的系統(tǒng)錨桿，而3.88 m和5.44 m凈距則仍沿用4.5 m的系統(tǒng)錨桿即可。

3.3 對拉錨桿預(yù)應(yīng)力對比分析

如1.2節(jié)所述，選取60、70、80、90 kN 4種不同對拉錨桿預(yù)應(yīng)力值，將其對中巖柱的支護效果進行對比分析。

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

圖8不同加長錨桿長度下中巖柱支護效果(水平位移以向右移動為正方向)

Fig. 8 Support effect of middle rock pillar under different lengths of lengthened bolts

不同對拉錨桿預(yù)應(yīng)力下的中巖柱支護效果如圖9所示。中巖柱內(nèi)最大水平位移、沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力隨著預(yù)應(yīng)力的增加而減少，且減少的幅度與隧道凈距正相關(guān)。隧道凈距為2.33 m和3.88 m的情況下，當(dāng)對拉錨桿預(yù)應(yīng)力大于90 kN時，中巖柱內(nèi)部最大水平位移、拱頂沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力減少幅度變緩，即該預(yù)應(yīng)力下中巖柱即可得到有效支護。隧道凈距為5.44 m時，當(dāng)預(yù)應(yīng)力分別大于60 kN時，3項中巖柱支護評價指標(biāo)變化幅度較小，說明中巖柱的穩(wěn)定性已滿足要求。因此，對于2.33 m、3.88 m和5.44 m的隧道凈距情況，應(yīng)當(dāng)分別選擇90、90、60 kN的對拉錨桿預(yù)應(yīng)力對中巖柱進行支護。

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

Fig. 9 Support effect of middle rock pillar under different prestress of counter-pulled bolts

3.4 對拉錨桿間距對比分析

《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，錨桿的間距應(yīng)當(dāng)與圍巖等級和施工工法相適應(yīng)，且不宜大于錨桿長度的一半?？紤]到Ⅴ級圍巖段圍巖強度差，小凈距三洞隧道間凈距小且施工擾動大等因素，擬將環(huán)、縱向間距采用0.6、0.8、1.0、1.2 m時的對拉錨桿支護效果進行對比優(yōu)化分析。

不同對拉錨桿環(huán)向凈距下的中巖柱支護效果如圖10所示。中巖柱內(nèi)最大水平位移、最大沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力均隨著對拉錨桿間距的增加而增加，且增加的幅度與隧道凈距正相關(guān)。2.33 m和3.88 m的隧道凈距下，當(dāng)錨桿環(huán)向間距大于0.8 m時，各洞室拱頂沉降和中巖柱內(nèi)的最大水平位移變化較大，且伴隨著中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力的顯著增加。因此，對于這2種凈距下的隧道，對拉錨桿環(huán)向間距大于0.8 m不利于圍巖的支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。而當(dāng)隧道凈距為5.44 m時，由于中巖柱寬度較大，其自身能夠穩(wěn)定承載，表現(xiàn)為3項支護效果評價指標(biāo)并不隨著環(huán)向間距的增加而穩(wěn)步增加。因此，對于2.33 m、3.88 m和5.44 m的隧道凈距情況，應(yīng)當(dāng)分別選擇0.8、0.8、1.0 m的對拉錨桿環(huán)向間距對中巖柱進行支護。

不同對拉錨桿縱向間距下的中巖柱支護效果如圖11所示。相較于其環(huán)相間距，中巖柱支護效果對對拉錨桿縱向間距的敏感性更強。中巖柱內(nèi)最大水平位移、拱頂沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力均隨著對拉錨桿間距的增加而增加。凈距為2.33、3.88、5.44 m的隧道，當(dāng)錨桿縱向間距分別大于0.6、0.8、1.0 m時，3項中巖柱支護效果評價指標(biāo)開始出現(xiàn)突變，說明當(dāng)超過這一縱向間距時，支護體系對中巖柱的支護效果開始顯著減弱，中巖柱開始呈現(xiàn)失穩(wěn)的趨勢。因此，對于2.33、3.88、5.44 m的隧道凈距情況，應(yīng)當(dāng)分別選擇0.6、0.8、1.0 m的對拉錨桿縱向間距對中巖柱進行支護。

綜上所述，經(jīng)優(yōu)化后的不同隧道凈距下中巖柱相關(guān)的初期支護參數(shù)如表3所示，采用優(yōu)化后的加固參數(shù)經(jīng)數(shù)值模擬得到的中巖柱內(nèi)最大水平位移、拱頂沉降和中巖柱側(cè)噴射混凝土內(nèi)力3項評價指標(biāo)的計算結(jié)果如表4所示?？梢?，優(yōu)化后的初期支護參數(shù)能有效控制中巖柱變形，并保證巖柱和支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

Fig. 10 Support effect of middle rock pillars under different circumferential distances of counter-pulled bolts

(a) 巖柱內(nèi)最大水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力

Fig. 11 Support effect of middle rock pillars under different vertical distances of counter-pulled bolts

表3優(yōu)化后不同凈距隧道下中巖柱支護參數(shù)

Table 3 Optimized support parameters of middle rock pillar of tunnel under different clear spacing

隧道凈距/m雁形部錨桿長度/m對拉錨桿預(yù)應(yīng)力/kN環(huán)相間距/m縱向間距/m2.336.0 900.80.63.884.5(不加長)900.80.85.444.5(不加長)601.01.0

表4參數(shù)優(yōu)化后中巖柱支護效果評價指標(biāo)數(shù)值模擬結(jié)果

Table 4 Numerical simulation results of evaluation index for support effect of middle rock pillar after parameter optimization

隧道凈距/m中巖柱最大水平位移/mm拱頂沉降/mm左洞中洞右洞中巖柱側(cè)噴射混凝土最大內(nèi)力/MPa2.3311.689.3210.389.839.873.8810.957.149.447.968.765.449.875.939.016.377.16

4 支護參數(shù)優(yōu)化后中巖柱監(jiān)測分析

在小凈距三洞隧道施工中，進行了圍巖變形、噴射混凝土內(nèi)力等多項監(jiān)測工作，現(xiàn)場測點布置如圖12所示。受限于篇幅，故本文僅選擇與中巖柱和隧道穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)緊密的測點。且經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)測，左、右側(cè)中巖柱的噴射混凝土內(nèi)力數(shù)值分布基本相似，故僅對左側(cè)中巖柱噴射混凝土內(nèi)力相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析(即測點1-4)。現(xiàn)場監(jiān)測元件與元件布置如圖13所示。

圖12 現(xiàn)場測點布置示意

選取不同凈距的典型隧道斷面進行監(jiān)控量測分析，當(dāng)圍巖水平變形、拱頂沉降和噴射混凝土內(nèi)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)達到穩(wěn)定后，3個斷面的監(jiān)測結(jié)果如圖14所示。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比情況如表5所示，個別斷面監(jiān)測量的最大值出現(xiàn)位置不同主要是由小凈距段隧道現(xiàn)場施工擾動造成。從表5可以發(fā)現(xiàn)，小凈距三洞隧道施工中，邊洞拱頂沉降小于中洞但邊洞中巖柱側(cè)水平位移大于中洞，各洞室拱腰處的噴射混凝土內(nèi)力大于邊墻處的噴射混凝土內(nèi)力，在實際施工中應(yīng)當(dāng)有針對性的進行監(jiān)測。

(a) 反射片

(b) 反射片布置 (單位： cm)

(c) 混凝土應(yīng)變計

(d) 混凝土應(yīng)變計布置

綜上，按照優(yōu)化后的支護參數(shù)，八達嶺站三洞隧道已順利完成施工，現(xiàn)場監(jiān)測的圍巖最大水平變形量和拱頂沉降量均小于設(shè)計要求，且噴射混凝土內(nèi)力遠低于規(guī)范要求，驗證了優(yōu)化后的支護參數(shù)的合理性。

(a) 水平位移

(b) 拱頂沉降

(c) 噴射混凝土內(nèi)力

Fig. 14 Statistical analysis of rock pillar deformation in site monitoring

表5不同測點的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

Table 5 Comparison between field monitoring results and numerical simulation results

5 結(jié)論與建議

采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，研究不同凈距下深埋小凈距三洞隧道中巖柱的受力特性，結(jié)合現(xiàn)場施工反應(yīng)的中巖柱側(cè)局部變形超限問題，對中巖柱側(cè)初期支護涉及的加長錨桿長度、對拉錨桿預(yù)應(yīng)力及其環(huán)、縱向間距等參數(shù)進行對比研究，對原先支護方案進行優(yōu)化并對其在實際工程中的運用效果進行監(jiān)測，得到了如下結(jié)論：

1)基于數(shù)值模擬，計算不同隧道凈距下小凈距三洞隧道中巖柱所受最大豎向應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合不同凈距下中巖柱承載范圍和塑性區(qū)的變化規(guī)律，建議小凈距隧道施工應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道凈距的不同對中巖柱進行不同程度的加固。

2)隨著隧道凈距的逐漸減小，中巖柱的主要承載區(qū)域由其寬度最小處的核心區(qū)域逐步向洞室墻腳附近的圍巖轉(zhuǎn)移，中巖柱兩側(cè)的塑性區(qū)域逐漸貫通，其自身穩(wěn)定性逐漸降低。

3)將對拉錨桿預(yù)應(yīng)力、加長錨桿長度和對拉錨桿環(huán)向與縱向間距4項主要支護參數(shù)對中巖柱的支護效果進行對比分析，得出初期支護結(jié)構(gòu)支護效果隨著對拉錨桿預(yù)應(yīng)力的增加而增強，隨著對拉錨桿環(huán)向、縱向間距的增加而減弱，當(dāng)隧道凈距為2.33 m時，支護效果隨著加長錨桿長度的增加而增強； 當(dāng)隧道凈距為3.88 m和5.44 m時，支護效果隨著加長錨桿長度的增加呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢。

4)經(jīng)現(xiàn)場施工驗證，小凈距三洞隧道中巖柱處的穩(wěn)定性較好，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合性好，證明了數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性，可為類似工程提供參考。

本文對小凈距三洞隧道中巖柱豎向應(yīng)力分布特性的研究主要采用數(shù)值模擬的方法，后續(xù)可采用理論推導(dǎo)結(jié)合現(xiàn)場實測的方式，對小凈距三洞隧道的應(yīng)力分布規(guī)律進行深入研究。