小凈距隧道中夾巖柱應(yīng)力、應(yīng)變特性及合理凈距數(shù)值模擬分析

陳 皓 魯 聰 李小青

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430051； 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

由于特殊地形地質(zhì)條件、橋隧銜接方式及工程造價(jià)等原因的限制，規(guī)范規(guī)定的雙洞隧道左右線間距已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)實(shí)的需求，越來越多的公路隧道不得不采用小凈距隧道等特殊結(jié)構(gòu)形式。然而影響小凈距隧道穩(wěn)定的因素眾多，如工程地質(zhì)、水文條件、施工方法、開挖順序，以及加固方式等，為保證其施工質(zhì)量與安全，合理設(shè)計(jì)隧道左右線間距，選擇小凈距隧道的施工方法及控制施工過程中關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變就顯得尤為重要，因此有必要研究控制小凈距隧道圍巖穩(wěn)定的規(guī)律為隧道的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)、隧道的安全施工提供技術(shù)支持。本文結(jié)合宜都至來鳳高速公路某隧道工程項(xiàng)目，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析不同凈距下該隧道中夾巖柱應(yīng)力、應(yīng)變特性，探討小凈距隧道加固處理前后合理設(shè)計(jì)凈距。

1 小凈距隧道數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

隧道位于宣恩縣郭間溝，為宜都至來鳳高速公路中的一座小凈距隧道。左幅長(zhǎng)422 m，淺埋偏壓段長(zhǎng)71 m 左右，最大埋深約100.3 m，最小埋深約5.5 m，圍巖所占比例：V級(jí)圍巖約占18.0%，IV級(jí)圍巖約占42.7%，III級(jí)圍巖約占39.3%；右幅長(zhǎng)425 m，淺埋偏壓段長(zhǎng)69 m左右，最大埋深98.5 m，最小埋深約7.0 m，圍巖所占比例：V級(jí)圍巖約占11.1%，IV級(jí)圍巖約占54.3%，III級(jí)圍巖約占34.6%。隧道進(jìn)口為山脊凸形坡與沖溝雞爪狀溝谷相間地形處，出口位于山脊凸形坡與凹形坡交匯處，斜坡陡峭，局部坡體近似直立。隧道區(qū)構(gòu)造為剝蝕溶蝕峰叢低山斜坡溝谷地貌，巖體出露土層主要為第四系坡積物碎塊石土，下部巖體主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組組中厚層～厚層狀灰?guī)r、灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖，泥盆系中上統(tǒng)中厚層狀泥巖。復(fù)雜地形地質(zhì)條件使得該分離式小凈距隧道左右線之間的凈距為7.34～16.14 m。

1.2 模型的建立

根據(jù)該隧道工程實(shí)際情況，選取數(shù)值模擬分析模型尺寸水平寬140 m，垂直高52 m，即左右兩側(cè)計(jì)算邊界為4倍左右隧道總跨度，下部計(jì)算邊界為2倍左右隧道總高度，三維有限元模型見圖1。

圖1 隧道三維模型圖(單位：m)

模型左右兩側(cè)受X方向約束，前后受Y方向約束，底部受Z方向約束，地表為自由面。模型中圍巖和加固圈選擇用可以模擬土體彈塑性特點(diǎn)的摩爾-庫(kù)侖模型，初期支護(hù)和二次襯砌采用彈性模型來模擬。圍巖、加固圈和二次襯砌采用四邊形四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，初期支護(hù)采用殼單元模擬。

隧道襯砌斷面內(nèi)輪廓采用單心圓拱曲邊墻結(jié)構(gòu)，半徑R=5.5 m，隧道內(nèi)輪廓拱頂凈高為7.0 m，凈寬11.0 m。隧道具體尺寸見圖2。

圖2 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖(尺寸單位：cm)

影響小凈距隧道穩(wěn)定性的因素眾多且其中夾巖柱變形和受力極其復(fù)雜，為保證小凈距隧道施工質(zhì)量與安全，有必要控制其施工過程中關(guān)鍵點(diǎn)的變形和受力[1]，為此在中夾巖柱上巖盤、中巖墻、下巖盤區(qū)域內(nèi)中線上各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在隧道拱頂、內(nèi)外拱腳處各設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來觀測(cè)隧道變形和受力情況，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于平面Y=0，具體布置示意見圖3。

圖3 各區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖(單位：cm)

1.3 模擬計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，隧道圍巖為III～V級(jí)，洞身段以IV級(jí)圍巖為主，鑒于本文關(guān)于合理凈距分析的研究背景，取埋深15 m典型IV級(jí)圍巖地段來模擬。隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式[2]。初期支護(hù)由系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、鋼拱架等支護(hù)形式單獨(dú)或組合使用。二次襯砌采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土，初期支護(hù)與二次襯砌之間鋪設(shè)單面自黏防水卷材作為防水層。該隧道初期支護(hù)采用22 cm厚的C20噴射混凝土和直徑22 mm的中空注漿早強(qiáng)砂漿錨桿，二次襯砌采用40 cm厚的C25模筑混凝土。數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)選取參考現(xiàn)行JTG 3370.1-2018 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[3]，同時(shí)結(jié)合依托工程的地質(zhì)勘察報(bào)告并類比其他工程實(shí)例，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

1.4 數(shù)值模擬過程

隧道左右線間凈距為7.34～16.14 m，分別取凈距6，8，10，12，14，16 m來探討小凈距隧道合理凈距及控制隧道圍巖穩(wěn)定、施工質(zhì)量，以及安全的措施。該隧道采用上下臺(tái)階法施工，其數(shù)值模擬過程為：模型建立→自重應(yīng)力場(chǎng)施加→左隧道圍巖加固圈加固處理→左隧道上臺(tái)階土體開挖、初期支護(hù)施加→左隧道下臺(tái)階土體開挖、初期支護(hù)施加→左隧道二次襯砌施加→右隧道圍巖加固圈加固處理→右隧道上臺(tái)階土體開挖、初期支護(hù)施加→右隧道下臺(tái)階土體開挖、初期支護(hù)施加→右隧道二次襯砌施加→計(jì)算結(jié)果分析。

2 小凈距隧道中夾巖柱變形特性分析

2.1 豎向變形特性

隧道開挖后拱頂沉降和周邊收斂是判斷圍巖變形發(fā)展及穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[4]。不同凈距下隧道豎向位移變形云圖及各關(guān)鍵點(diǎn)豎向應(yīng)變模擬結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 不同凈距時(shí)隧道總體豎向位移云圖

圖5 不同凈距下隧道中夾巖柱及拱頂處豎向位移圖

由圖4可見：

1) 豎向位移最大值分布在拱頂處，拱頂處位移向下，拱底處位移朝上隆起，且最大豎向位移隨著凈距的不斷增大而逐漸減少。

2) 凈距6, 8 m最大豎向位移在中夾巖柱的上方疊加形成“人”形位移區(qū)；凈距10,12 m最大豎向位移在左右隧道拱頂上方形成“八”形位移區(qū)，次最大豎向位移在中夾巖柱的上方疊加形成“人”形位移區(qū)；凈距14，16 m最大豎向位移在左右隧道拱頂上方形成“八”形位移區(qū)。

對(duì)比分析圖5結(jié)果可知：

1) 隨著凈距的不斷增大，中夾巖柱及拱頂處豎向位移整體上呈逐漸減少的趨勢(shì)，其中凈距10 m時(shí)中夾巖柱及拱頂處豎向變形逐漸趨于穩(wěn)定。

2) 凈距16 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻豎向位移相比凈距10 m時(shí)豎向位移分別減少了21.75%，10.09%，而下巖盤的豎向位移卻增加了76.75%；凈距6 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻豎向位移相比凈距10 m時(shí)豎向位移分別增加了19.79%，14.75%，而下巖盤的豎向位移由向上隆起變?yōu)橄鲁痢?/p>

3) 凈距16 m時(shí)隧道左右拱頂處豎向位移較凈距10 m時(shí)拱頂處豎向位移減少了3.37%和3.25%，凈距6 m時(shí)隧道左右拱頂處豎向位移相比凈距10 m時(shí)拱頂處豎向位移增加了2.33%和1.78%。

2.2 水平變形特性

不同凈距下隧道的中夾巖柱水平位移計(jì)及周邊收斂數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 不同凈距下隧道中夾巖柱及周邊收斂位移圖

對(duì)比分析圖6結(jié)果可知：

1) 隨著凈距的不斷增大，隧道的中夾巖柱水平位移整體上呈逐漸減少的趨勢(shì)，左隧道周邊收斂隨著凈距增大先增大，后逐漸減小趨于穩(wěn)定，右隧道周邊收斂隨著凈距的增大而增大，其中凈距10 m時(shí)中夾巖柱水平變形及左右隧道周邊收斂逐漸趨于穩(wěn)定。

2) 凈距16 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻、下巖盤水平位移相比凈距10 m時(shí)水平位移分別減少了50%，60.19%，48.65%；凈距6 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻水平位移相比凈距10 m時(shí)水平位移分別增加了19.79%，14.75%，下巖盤的水平位移反而減少了49.55%。

3) 凈距16 m時(shí)右隧道周邊收斂相比凈距10 m時(shí)增加了7.67%，左隧道周邊收斂減少了0.12%，凈距6 m時(shí)左右隧道周邊收斂相比凈距10 m時(shí)左右隧道周邊收斂分別減少了0.89%，14.39%。

結(jié)合圖4～圖6不同凈距時(shí)隧道變形特性可知：

1) 中夾巖柱的上巖盤、下巖盤的豎向變形，以及上巖盤、中巖墻、下巖盤處水平變形隨凈距的變化波動(dòng)幅度較大，隧道拱頂處豎向變形和中夾巖柱中巖墻豎向變形及左右隧道周邊收斂隨凈距的變化波動(dòng)幅度相對(duì)較小，說明凈距變化會(huì)對(duì)隧道開挖后中夾巖柱的上巖盤、下巖盤穩(wěn)定產(chǎn)生明顯不利影響。

2) 隨著凈距的不斷增大，中夾巖柱的豎向位移和水平位移整體呈逐漸減少趨勢(shì)。凈距10～12 m最大豎向位移由“人”形位移區(qū)變成“八”形位移區(qū)時(shí)的過渡區(qū)，凈距10 m時(shí)豎向水平變形和拱頂處豎向變形及左右隧道周邊收斂較凈距6，8，12，14，16 m逐漸趨于穩(wěn)定，可取凈距10 m作為該IV級(jí)淺埋偏壓小凈距隧道的最佳合理凈距來指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)。

3 小凈距隧道中夾巖柱應(yīng)力特性分析

隧道開挖中夾巖柱受力特性對(duì)于判斷圍巖變形發(fā)展及穩(wěn)定性具有重要意義[5-6]，不同凈距下隧道的中夾巖柱豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力模擬計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 不同凈距下隧道中夾巖柱豎向應(yīng)力圖

圖8 不同凈距下隧道中夾巖柱水平應(yīng)力圖

對(duì)比分析圖7、圖8可知：

1) 凈距16 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻、下巖盤豎向應(yīng)力相比凈距10 m時(shí)豎向應(yīng)力分別減少了8.68%，13.92%，13.25%；凈距6 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、下巖盤豎向應(yīng)力相比凈距10 m時(shí)豎向應(yīng)力分別增加了55.23%，18.15%，39.49%。

2) 凈距16 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻、下巖盤水平應(yīng)力相比凈距10 m時(shí)水平應(yīng)力分別減少了93.75%，64.15%，96.95%；凈距6 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、下巖盤水平應(yīng)力相比凈距10 m時(shí)水平應(yīng)力分別相對(duì)增加了1.12倍，2.53倍，而中巖墻水平應(yīng)力反而減少了5.49%。

3) 隨著凈距的不斷增大，中夾巖柱豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力整體上呈逐漸減少趨勢(shì)，其中凈距10 m時(shí)中夾巖柱豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力變形逐漸趨于穩(wěn)定，可取凈距10 m作為該小凈距隧道的最佳合理凈距。

4) 凈距的變化對(duì)中夾巖柱的上巖盤的豎向應(yīng)力和上巖盤、中巖墻、下巖盤的水平應(yīng)力影響較大，為保證小凈距隧道施工質(zhì)量與安全，需對(duì)中夾巖柱采取相應(yīng)的加固處理措施。

4 小凈距隧道中夾巖柱加固措施

在實(shí)際工程中，巖體質(zhì)量會(huì)受到地下水、節(jié)理裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面、初始應(yīng)力等因素的影響，且在隧道開挖過程中，應(yīng)力場(chǎng)重分布、中夾巖柱二次應(yīng)力場(chǎng)的疊加、拱腳應(yīng)力集中等都會(huì)影響小凈距隧道穩(wěn)定性，為了保證隧道施工質(zhì)量與安全，可對(duì)其施工過程中關(guān)鍵部位進(jìn)行加固處理[7]。

由前述數(shù)值模擬分析可知，隧道加固處理前其最佳合理凈距10 m，由此可取凈距6，8，10 m來探討小凈距隧道加固處理后合理凈距。

凈距6 m時(shí)隧道中夾巖柱采用橫縱間距60 cm×120 cm，長(zhǎng)4.0 m的直徑42 mm超前注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固處理。

凈距8 m時(shí)中夾巖柱采用橫縱間距80 cm×120 cm，長(zhǎng)4.0 m的直徑42 mm超前注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固處理。

凈距10 m時(shí)中夾巖柱采用橫縱間距100 cm×120 cm，長(zhǎng)4.0 m的直徑42 mm超前注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固處理。

圍巖的加固處理可通過提高中夾巖柱的圍巖參數(shù)來進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)選取參考現(xiàn)行《工程地質(zhì)手冊(cè)第五版》[8]，同時(shí)結(jié)合依托工程的地質(zhì)勘察報(bào)告并類比其他工程實(shí)例，其相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 加固處理后隧道中夾巖柱數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

通過數(shù)值模擬計(jì)算可得，加固處理后凈距6，8，10 m下隧道豎向位移云圖見圖9。

圖9 加固處理后不同凈距下隧道總體豎向位移云圖

由圖9可知，隧道位移最大值主要分布在拱頂處，最大豎向位移隨著凈距不斷增大而逐漸減少，拱頂處位移向下，拱底處位移朝上隆起。其中凈距6 m時(shí)最大豎向位移在中夾巖柱的上方疊加形成了“人”形位移區(qū)；凈距8 m最大豎向位移在左右隧道的拱頂上方形成了“八”形位移區(qū)，次最大豎向位移在中夾巖柱的上方疊加形成了“人”形位移區(qū)；凈距10 m最大豎向位移在左右隧道拱頂上方形成了“八”形位移區(qū)。

加固處理前后隧道的中夾巖柱中線部位及拱頂處應(yīng)變見圖10、圖11。

圖10 加固前后不同凈距下隧道中夾巖柱豎向位移圖

圖11 加固前后不同凈距下隧道拱頂處豎向位移圖

對(duì)比分析圖10、圖11可知：

加固處理后隨著凈距不斷增大，中夾巖柱豎向位移及拱頂處豎向位移整體上呈逐漸減少趨勢(shì)。其中加固處理后凈距6，8，10 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻豎向位移相比加固處理前豎向位移分別減少了8.76%，1.72%；14.02%，11.25%；20.68%，11.01%。加固處理后凈距6 m時(shí)中夾巖柱下巖盤豎向位移相比加固處理前減少了30.09%，而加固處理后8，10 m時(shí)中夾巖柱下巖盤豎向位移相比加固處理前反而增加了107%、54.66%。加固處理后凈距6，8，10 m時(shí)隧道左右拱頂處豎向位移相比加固處理前豎向位移分別減少了11.45%，15.87%；2.08%，8.73%；7.06%，8.32%。

加固處理前、后隧道的中夾巖柱中線部位處應(yīng)力見圖12。

圖12 加固前后不同凈距下隧道中夾巖柱豎向應(yīng)力圖

對(duì)比分析圖12可知，加固處理后隨著凈距不斷增大中夾巖柱豎向應(yīng)力整體上呈逐漸增加趨勢(shì)。其中加固處理后凈距6，8，10 m時(shí)中夾巖柱上巖盤、中巖墻、下巖盤豎向應(yīng)力相比加固處理前豎向應(yīng)力分別增加了3.13%，0.77%，0.22%；59.91%，18.23%，22.92%；42.41%，22.12%，13.71%。

結(jié)合圖9加固處理后不同凈距時(shí)豎向位移云圖可知，加固處理后隨著凈距不斷增大，中夾巖柱豎向位移及拱頂處豎向位移整體上呈逐漸減少趨勢(shì)，中夾巖柱豎向應(yīng)力整體上呈逐漸增加趨勢(shì)。說明進(jìn)行加固處理后，中夾巖柱承受附加壓力能力得到了提升，從而抑制隧道中夾巖柱及拱頂處的變形。其中加固處理后凈距8 m時(shí)隧道最大總體豎向位移是“人”形位移區(qū)變成“八”形位移區(qū)時(shí)的過渡區(qū)，且其中夾巖柱及拱頂處的豎向變形較凈距6，10 m趨于穩(wěn)定，故可取凈距8 m作為該IV級(jí)淺埋偏壓小凈距隧道加固處理后的最佳合理凈距。

5 結(jié)論

1) 中夾巖柱的上巖盤、下巖盤豎向應(yīng)力、應(yīng)變及上巖盤、中巖墻、下巖盤處水平應(yīng)力應(yīng)變隨凈距的變化波動(dòng)幅度較大，隧道拱頂處豎向變形和中夾巖柱中巖墻豎向變形及左右隧道周邊收斂隨凈距變化波動(dòng)幅度相對(duì)較小。說明凈距變化會(huì)對(duì)中夾巖柱穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不利影響，為保證隧道施工質(zhì)量與安全，需對(duì)中夾巖柱采取相應(yīng)的加固處理措施。

2) 隨著凈距的不斷增大，中夾巖柱水平和豎向應(yīng)力應(yīng)變及拱頂處豎向位移整體呈逐漸減少趨勢(shì)，左隧道周邊收斂隨著凈距的增大先增大，后逐漸減小趨于穩(wěn)定，右隧道周邊收斂隨著凈距的增大而增大。其中凈距10 m時(shí)水平和豎向應(yīng)力應(yīng)變及左右隧道拱頂處豎向變形和周邊收斂較凈距6，8，12，14，16 m時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，可取凈距10 m作為該小凈距隧道加固處理前的最佳合理凈距來指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)與施工。

3) 加固處理后隨著凈距的不斷增大，中夾巖柱豎向位移及拱頂處豎向位移整體上呈逐漸減少趨勢(shì)，中夾巖柱豎向應(yīng)力整體上呈逐漸增加趨勢(shì)，中夾巖柱承受附加應(yīng)力能力得到了提升，抑制隧道的中夾巖柱及拱頂處的變形。其中凈距8 m時(shí)隧道中夾巖柱豎向應(yīng)力應(yīng)變及拱頂處的豎向變形較凈距6，10 m趨于穩(wěn)定，故可取凈距8 m作為該IV級(jí)淺埋偏壓小凈距隧道加固處理后的最佳合理凈距。