陡傾結(jié)構(gòu)面下小凈距隧道開挖中間巖體受力分析

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

責(zé)任編輯/曹晶磊 美術(shù)編輯/王德本

在山區(qū)公路、鐵路隧道工程施工中，由于地形及用地的限制，小凈距隧道被采用的越來越多。山區(qū)地帶在地殼運(yùn)動(dòng)及地應(yīng)力的長期作用下，常存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)面切割地層的情況，結(jié)構(gòu)面是隧道施工中的難題之一。結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致圍巖完整性差，影響圍巖的工作性能，隧道開挖時(shí)還可能出現(xiàn)楔形體，導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

目前，在小凈距隧道研究中，對(duì)存在多組結(jié)構(gòu)面下小凈距隧道施工中間巖體受力特性研究的文獻(xiàn)尚少。中間巖體在小凈距隧道中起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)其進(jìn)行受力分析十分必要。本文依托貴州某隧道工程，采用有限元軟件模擬了陡傾結(jié)構(gòu)面存在情況下，小凈距隧道施工過程對(duì)中間巖體的位移、塑性區(qū)等特征，并進(jìn)行了分析。

一、建立Midas GTS模型

（一）工程概況

隧道位于云貴高原向廣西丘陵過度的斜坡地帶，地形起伏大，橫穿高山，路線沿線海拔565.6m～887.5m，相對(duì)高差311.5m，隧道軸線通過段地勢(shì)較陡，圍巖組成為中風(fēng)化中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，局部夾有泥質(zhì)粉砂巖，巖體節(jié)理一般發(fā)育，巖體完整程度為較破碎、較完整，呈中薄層狀結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)能力差。隧道區(qū)存在的地下水為溶隙水、基巖裂隙水。隧道發(fā)育兩組較為明顯的節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為315°∠83°、47°∠68°。本文采用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模型計(jì)算。

（二）材料選取

隧道模擬施工中將右洞設(shè)置為先行洞，兩洞掌子面之間距離為30m。隧道襯砌工字鋼按結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度等效原則，將其剛度折算到噴射混凝土的彈性模量中，折算計(jì)算公式如下：

其中：E為折算后的噴射混凝土彈性模量；E0為混凝土初始彈性模量；SG為工字鋼橫截面面積；EG為工字鋼彈性模量；SC為單位長度下初期支護(hù)的橫截面面積。

（三）建立模型

隧道去巖層被節(jié)理裂隙切割，建模時(shí)將兩組主要節(jié)理在模型中通過接觸面的形式設(shè)計(jì)。為了研究陡傾結(jié)構(gòu)面存在的隧道中，不同設(shè)計(jì)凈距對(duì)隧道中間巖體的影響，設(shè)計(jì)了三個(gè)工況，分別建立了分析模型，對(duì)隧道中間巖體的水平位移、塑性區(qū)分析。隧道的凈距L分別設(shè)置成0.5D、D、1.5D（D為隧道寬度），如圖1所示。

圖1 隧道凈距

根據(jù)規(guī)范及前人的研究，模型的大小應(yīng)大于隧道施工時(shí)的影響范圍，隧道的邊界到中心距離應(yīng)為隧道直徑的3倍～5倍。因此，將隧道中心到底邊的距離設(shè)計(jì)為3倍直徑，將隧道兩側(cè)邊及頂面至隧道中心的距離設(shè)計(jì)為隧道直徑的4倍。由該隧道的設(shè)計(jì)圖，隧道的直徑為12m。因此，隧道模型的尺寸設(shè)計(jì)為100×30×120m。

二、結(jié)果分析

（一）水平位移分析

根據(jù)三種工況模擬下計(jì)算結(jié)果水平位移云圖分析可知，三種工況施工中，0.5D凈距工況下中間巖體產(chǎn)生的水平位移最大，且產(chǎn)生水平位移的范圍最大。1.5D凈距中產(chǎn)生的水平位移最小，且分布范圍最小。當(dāng)隧道凈距為0.5D時(shí)，最大位移在兩隧道中間巖體側(cè)拱腳處，為19.6mm；靠近中間巖體側(cè)拱肩位置水平位移也較大，其水平位移值為14.4mm。水平位移關(guān)于中間巖體中心線大體對(duì)稱。隧道凈距為D時(shí)，隧道的水平位移最大值在中間巖體側(cè)拱肩位置，為13.8mm。隧道凈距為1.5D時(shí)，其位移值相對(duì)于0.5D、D凈距要小得多，最大值為10.3mm。0.5D凈距最大位移值較1.5D增大了90%，0.5D凈距最大位移值較D增大了42%，D凈距最大位移值較1.5D增大了33%。

由此可知，在結(jié)構(gòu)面存在的情況下，隧道凈距越小，中間巖體所產(chǎn)生的水平位移越大，兩洞分別在中間巖體上產(chǎn)生的位移區(qū)越可能重合，位移區(qū)重合說明中間巖體塑性區(qū)貫通，對(duì)施工安全會(huì)造成極大的威脅。

（二）豎直位移分析

分析結(jié)果豎直位移云圖可知，各種工況下發(fā)生垂直位移最大的區(qū)域位于隧道拱頂和隧道底部。在0.5D凈距中，隧道頂部位移區(qū)域較小，但位移數(shù)值大的區(qū)域集中；在D凈距中，最大沉降也發(fā)生在拱頂，拱頂也形成了明顯的位移區(qū)，但與0.5D凈距相比要小很多。在1.5D凈距中，位移區(qū)較前兩種工況又小很多。三種工況下中間巖體豎向位移均較小，因中間巖體受壓，而巖石彈性模量大，變形小。

（三）塑性區(qū)分析

三種凈距工況的塑性區(qū)云圖分別如圖2、圖3、圖4所示，從塑性區(qū)云圖可以看出，0.5D凈距中兩隧道塑性區(qū)已經(jīng)貫通，塑性區(qū)的分布在隧道頂部與底部較大，中間巖體部位已全部形成塑性區(qū)，隧道周圍的塑性區(qū)沿洞徑呈由大減小的趨勢(shì)。而在D、1.5D凈距中，沒有塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，但同樣頂部與底部塑性區(qū)分布面積較大。因此，隧道開挖中，凈距的大小對(duì)塑性區(qū)范圍的形成有很大的影響。

綜上分析可知，在陡傾結(jié)構(gòu)面存在的情況下，小凈距施工中，需要采取工程措施控制隧道中間巖體變形，凈距越小時(shí)，所采取的工程措施強(qiáng)度應(yīng)越高，以防止隧道圍巖變形過大導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。

圖2 0.5D凈距塑性區(qū)

圖3 D凈距塑性區(qū)

圖4 1.5D凈距塑性區(qū)

三、結(jié)語

本文采用Midas GTS有限元軟件對(duì)存在陡傾結(jié)構(gòu)面下小凈距隧道的中間巖體在不同凈距下進(jìn)行了模擬分析。總結(jié)了中間巖體位移及塑性區(qū)隨凈距的變化規(guī)律。中間巖體的水平位移與豎直位移均隨凈距的減小而增大，在0.5D下產(chǎn)生的水平位移最大，在中間巖體拱腳處，最大值為19.6mm；三種工況下垂直位移最大的區(qū)域均位于隧道頂部和底部，0.5D下，隧道頂部和底部的位移均大于D、1.5D的情況；凈距越小時(shí)，兩隧道中間巖體的塑性區(qū)越容易出現(xiàn)交匯貫通；陡傾結(jié)構(gòu)存在的地層中小凈距隧道位移及塑性區(qū)受凈距的影響很大，凈距越小，中間巖體塑性區(qū)越容易發(fā)生交匯，從而貫通，將會(huì)對(duì)隧道的施工安全及后期應(yīng)為造成嚴(yán)重的威脅。因此，小凈距隧道施工時(shí)應(yīng)考慮中間巖體的加固問題。