軟巖地段正洞、平導(dǎo)開挖擾動(dòng)效應(yīng)及之間合理距離研究*

彭學(xué)軍，鄧皇適，龍勇平，李一萍

（1.中鐵五局集團(tuán)第一工程處有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410031；2.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

導(dǎo)洞與正洞的凈距影響導(dǎo)洞與正洞的安全和穩(wěn)定。而導(dǎo)洞與正洞的距離越遠(yuǎn)，卸荷作用效果越低，且大大增加了工程造價(jià)。因此，確定導(dǎo)洞與正洞的合理距離十分重要。

1 大坪山隧道鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

成昆鐵路大坪山隧道起訖里程為DK217+560～DK228+904，正線長(zhǎng)11344m，進(jìn)口緊鄰白沙河雙線大橋，出口緊鄰新林官料河雙線大橋，鐵路級(jí)別及具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。全隧共設(shè)1座平導(dǎo)、2座橫洞，全長(zhǎng)依次為5345.404m、930m、510m。隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，山體坡度陡，巖層陡傾，進(jìn)口段為低瓦斯隧道工區(qū)，隧道洞身局部段落巖溶發(fā)育、節(jié)理裂隙發(fā)育，施工過程中易發(fā)生涌水、突泥、坍塌掉塊現(xiàn)象。該隧道發(fā)育紅花溪向斜及5條斷裂構(gòu)造。隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，其中正洞Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)4185m、Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)6365m、Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)766m，分別占隧道總長(zhǎng)的36.9%、56.1%、6.8%；輔助導(dǎo)坑Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)2438.404m、Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)3645m、Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)702m，分別占隧道總長(zhǎng)的35.9%、53.7%、10.3%。平導(dǎo)開挖資料如表2、表3所示。大坪山隧道導(dǎo)洞與正洞之間的橫通道呈45°斜交，橫通道的長(zhǎng)度可以根據(jù)導(dǎo)洞與正洞之間的距離得到，約為導(dǎo)洞與正洞距離的1.8倍；橫通道的造價(jià)與導(dǎo)洞的造價(jià)基本相同。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

根據(jù)上節(jié)所述，研究導(dǎo)洞與正洞之間最合理凈距應(yīng)從隧道受力變形以及工程造價(jià)兩個(gè)方面進(jìn)行。平行導(dǎo)洞的作用主要是改善正洞受力，為此，上述指標(biāo)因素受力情況的數(shù)據(jù)值主要針對(duì)正洞的受力情況。根據(jù)大坪山隧道設(shè)計(jì)，平行導(dǎo)洞采用臺(tái)階法開挖，正洞采用三臺(tái)階法開挖，平行導(dǎo)洞與正洞間距為30m，平行導(dǎo)洞開挖超前正洞開挖40m。通過已計(jì)算所得的地應(yīng)力場(chǎng)，構(gòu)建了平行導(dǎo)洞與正洞同時(shí)存在的數(shù)值計(jì)算模型。模型通過外部建模軟件Rhino 6進(jìn)行建模，再轉(zhuǎn)化為FLAC3D 6.0網(wǎng)格文件，共有193860個(gè)節(jié)點(diǎn)、1140910個(gè)單元體、276個(gè)單元組，如圖1所示。

表1 大坪山隧道鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)值計(jì)算模型大?。核介L(zhǎng)度為80m，高度為50m，隧道頂部為30m，隧道底部為20m，沿隧道開挖方向取75m。模型邊界條件：約束前后左右及底面5個(gè)面的法向位移，上表面取為自由表面，同時(shí)在兩側(cè)施加原始地應(yīng)力。數(shù)值模擬計(jì)算步驟：（1）對(duì)模型材料賦予約束數(shù)值計(jì)算模型的邊界條件。（2）在初始地應(yīng)力條件下對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡。（3）采用兩臺(tái)階法開挖導(dǎo)洞。數(shù)值模擬中，每開挖步的步長(zhǎng)取10000s，約3h；初期支護(hù)及襯砌施作時(shí)長(zhǎng)取6000s，約2h。導(dǎo)洞先超前開挖40m，隨后導(dǎo)洞與正洞同時(shí)開挖，開挖時(shí)長(zhǎng)與導(dǎo)洞開挖時(shí)長(zhǎng)一致。（4）結(jié)果分析。為了得到不同情況下平行導(dǎo)洞開挖對(duì)正洞的影響，構(gòu)建了不同工況下的對(duì)比分析表，如表4所示。

表2 大坪山隧道開挖長(zhǎng)度及支護(hù)材料統(tǒng)計(jì)表

分別對(duì)上述六種工況進(jìn)行計(jì)算，得到工況一～工況四應(yīng)力結(jié)果如圖2～圖5所示。工況五及工況六得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與工況三的差別較小，因此不放入數(shù)值計(jì)算云圖，其計(jì)算結(jié)果將在后續(xù)曲線圖中進(jìn)行對(duì)比和分析。

表3 大坪山隧道開挖及支護(hù)每延米價(jià)格統(tǒng)計(jì)表

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

表4 工況對(duì)比分析表 單位：m

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

從上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)比無導(dǎo)洞段，正洞拱頂沉降明顯減小，且隨著導(dǎo)洞與正洞之間的距離逐漸減小，拱頂沉降下降幅度逐漸增大。這同時(shí)也證明了導(dǎo)洞對(duì)正洞的卸荷效應(yīng)隨著距離的縮短而增強(qiáng)的機(jī)理。

拱頂沉降曲線圖如圖6所示。從圖6可以看出，工況一～工況四中，距離增加相同幅度，但沉降上升幅度越來越大，說明平行導(dǎo)洞的卸荷效應(yīng)下降幅度遠(yuǎn)超距離增加的程度。對(duì)比工況三、工況五和工況六可以看出，隨著平行導(dǎo)洞超前掘進(jìn)距離增加，其拱頂沉降越小，導(dǎo)致這一規(guī)律產(chǎn)生的主要原因是平行導(dǎo)洞超前開挖將進(jìn)一步降低隧道正洞開挖前方的荷載，從而引起更小的沉降，說明平行導(dǎo)洞超前掘進(jìn)距離對(duì)平行導(dǎo)洞的卸荷效應(yīng)影響較小。

側(cè)收斂規(guī)律與拱頂沉降規(guī)律基本一致，不同工況下拱側(cè)收斂圖如圖7所示。拱側(cè)收斂值大小與平行導(dǎo)洞和正洞之間的距離有密切的關(guān)系，且從云圖中可以看出，拱側(cè)收斂值不是對(duì)稱分布的，在靠近平行導(dǎo)洞的一側(cè)，其水平收斂值明顯小于遠(yuǎn)離平行導(dǎo)洞的一側(cè)。這說明平行導(dǎo)洞一側(cè)對(duì)近側(cè)的卸荷效應(yīng)更加明顯。同樣，平行導(dǎo)洞超前開挖距離對(duì)拱側(cè)收斂值的影響較小。

不同工況下初支最大剪力和最大應(yīng)力圖分別如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，初支的最大應(yīng)力變化規(guī)律與拱頂沉降和拱側(cè)收斂的變化規(guī)律也大致相同，但最大應(yīng)力受到平行導(dǎo)洞超前開挖距離的影響較大，變化幅度較大。在以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的高地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境下，由于導(dǎo)洞的開挖，使得水平方向較豎直方向釋放了更多的應(yīng)力，直觀地體現(xiàn)在導(dǎo)洞周圍水平方向應(yīng)力降低；而豎直方向，在圍巖附近應(yīng)力是先增大后減?。ㄕw上表現(xiàn)為應(yīng)力的降低）。隨著遠(yuǎn)離導(dǎo)洞的豎直方向上相繼出現(xiàn)了應(yīng)力增加區(qū)和應(yīng)力遞減區(qū)，這表明了圍巖應(yīng)力向巖體深部進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，這在水平方向上也有所體現(xiàn)，但相比豎直方向并不明顯。

圖2 工況一應(yīng)力結(jié)果

圖3 工況二應(yīng)力結(jié)果

圖4 工況三應(yīng)力結(jié)果

圖5 工況四應(yīng)力結(jié)果圖

圖6 拱頂沉降曲線圖

圖7 不同工況拱側(cè)收斂圖

從拱頂沉降、拱側(cè)收斂以及初支應(yīng)力情況來看，平行導(dǎo)洞與正洞的距離越小，其卸荷效果對(duì)正洞開挖的保護(hù)作用越明顯。但是從數(shù)值分析的云圖中可以看到，雖然兩者越近卸壓效果越好，但當(dāng)平行導(dǎo)洞與正洞距離d=10m時(shí)，中夾巖柱塑性區(qū)連通，幾乎布滿整個(gè)巖柱，表明中夾巖柱已基本上沒有發(fā)揮任何作用，土體完全被破壞，也就說明導(dǎo)洞的開挖將會(huì)嚴(yán)重影響正洞開挖時(shí)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其難以成洞；當(dāng)凈距d=20m時(shí)，中夾巖柱的塑性區(qū)已經(jīng)明顯減少，但存在的連通區(qū)域?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定性還是存在一定的危險(xiǎn)性；當(dāng)凈距d=30m時(shí)，可看出塑性破壞區(qū)域不再相交，說明導(dǎo)洞與正洞的隧道圍巖較為穩(wěn)定。如果把塑性區(qū)是否連通作為選擇凈距的原則，那么平行導(dǎo)洞與正洞之間的距離必須大于20m，才能保持平行導(dǎo)洞與正洞之間巖柱不被破壞，不會(huì)引起隧道正洞開挖時(shí)不穩(wěn)定。

4 正、導(dǎo)洞間距合理性分析

數(shù)值模擬計(jì)算得到正洞變形及受力數(shù)據(jù)如表5所示。

基于表5，在不考慮巖柱塑性區(qū)的連通情況下，平行導(dǎo)洞與正洞的距離越近，其綜合權(quán)重越大，說明此時(shí)的經(jīng)濟(jì)和受力性越好；在考慮了巖柱塑性區(qū)連通情況下，平行導(dǎo)洞與正洞的距離大于30m且小于40m的距離為最優(yōu)距離。

圖8 不同工況最大剪力圖

圖9 不同工況最大應(yīng)力圖

表5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)束語

文章基于FLAC3D 6.0，建立了大坪山平行導(dǎo)洞與正洞開挖的數(shù)值計(jì)算模型，分析了平行導(dǎo)洞開挖對(duì)正洞的影響。研究表明，平行導(dǎo)洞與正洞距離越近，平行導(dǎo)洞的卸荷效應(yīng)越明顯，正洞拱頂沉降、拱側(cè)收斂以及初支受力都大幅度減小。在考慮巖柱塑性區(qū)連通情況下，平行導(dǎo)洞與正洞的距離大于30m且小于40m的距離為最優(yōu)距離。