淺埋并行大斷面隧道群合理凈距研究

楊 琨， 李 偉， 張 蕉， 高筠涵, 黃 翼

(1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401120； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031; 3. 中鐵二局第五工程有限公司, 四川成都 610091)

山嶺隧道作為一種重要的越嶺方案，其建設(shè)里程隨著山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展而快速增長?，F(xiàn)今高速公路設(shè)計(jì)車道數(shù)日益增多，10車道以上情況屢見不鮮。途徑山嶺時(shí)，一般采用隧道群洞的方式進(jìn)行穿越，且由于地形和設(shè)計(jì)展線等因素使得小凈距隧道群洞由此應(yīng)運(yùn)而生[1]。根據(jù)JTJ 026-90《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，一般可將凈距小于1.5倍洞徑或凈距介于分離式隧道和連拱隧道之間的隧道視為小凈距隧道[2-5]。

相較于分離式隧道，小凈距隧道中巖柱較為薄弱，且相鄰洞室間相互影響較大，選擇合理凈距可確保在不采取過多加固措施的情況確保隧道圍巖的穩(wěn)定性。有鑒于此，國內(nèi)學(xué)者對(duì)不同凈距對(duì)隧道圍巖-支護(hù)體系的影響作了一系列的研究：孫闖等[6]通過FLAC3D軟件分別對(duì)不同施工方案小凈距隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)不同工況中巖柱的塑性區(qū)分布情況進(jìn)行分析，確定了最小合理凈距；趙乙丁等[7]通過數(shù)值模擬對(duì)不同凈距下盾構(gòu)隧道施工相互影響規(guī)律進(jìn)行分析，并得到了凈距與地表沉降槽寬度呈線性正相關(guān),與沉降峰值、管片附加變形、接頭張開量和附加拉應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論；姜汶泉等[8]提通過模型試驗(yàn)?zāi)M了V、IV、III級(jí)圍巖在30 m埋深和不同凈距(2～8 m)隧道的開挖過程,研究了毛洞及不同加固支護(hù)狀態(tài)下的地中位移、洞周位移增量、圍巖壓力隨凈距的變化規(guī)律,對(duì)比分析得到不同圍巖級(jí)別下的小凈距隧道的"合理"凈距；陳秋南等[9]基于FLAC3D軟件,研究了花崗巖殘積土圍巖小凈距隧道施工工法優(yōu)化和不同偏壓率P對(duì)其最小合理間距的影響，并得到了相應(yīng)工況下的最優(yōu)凈距。

目前，一般認(rèn)為小凈距隧道是根據(jù)隧道凈距進(jìn)行來劃分，主要僅針對(duì)圍巖級(jí)別和隧道開挖斷面的寬度來進(jìn)行分類，并沒有結(jié)合各方面因素來綜合確定。對(duì)于目前小凈距隧道合理凈距范圍還不明確，且也只針對(duì)雙洞隧道的最小凈距進(jìn)行劃分，沒有考慮并行多洞分離式隧道的最小凈距及劃分該標(biāo)準(zhǔn)的影響因素，故以龍泉山四洞并行小凈距隧道群工程為依托背景，開展淺埋條件下，四洞并行隧道群洞的合理凈距的研究。

1 工程概況

龍泉山1號(hào)、2號(hào)隧道均為四洞并行小凈距隧道群，從左至右依次為D1線(兩車道)、K線(三車道)、D2線(三車道)和D3線(兩車道)隧道。地勘資料表明，隧道圍巖級(jí)別主要以Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)為主，以1號(hào)隧道中間三車道隧道K線地質(zhì)為例，隧道的縱向剖面圖見圖1。

圖1 龍泉山1號(hào)K線隧道縱剖面

依據(jù)四川省紅層地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，隧道凈距在1.5倍以下隧道開挖寬度(約25 m)時(shí)，需要加強(qiáng)重點(diǎn)環(huán)節(jié)施工控制及監(jiān)控量測(cè)，而對(duì)于隧道凈距在15 m以下，則對(duì)中巖墻進(jìn)行加固。龍泉山1號(hào)和2號(hào)隧道凈距一般在10～40 m之間，而根據(jù)表1對(duì)中巖墻需要加固區(qū)段的統(tǒng)計(jì)可知，隧道凈距較小的部位均集中在1號(hào)隧道進(jìn)出口埋深較小的位置。故圍繞龍泉山一號(hào)隧道進(jìn)出口段Ⅴ級(jí)圍巖埋深較小工況開展隧道的合理凈距研究。

表1 隧道凈距15m以下中巖柱加固區(qū)段統(tǒng)計(jì)

2 數(shù)值模型及參數(shù)選取

模型采用MidasGTSNX建模后導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，左右邊界距兩車道隧道5倍洞徑以消除邊界效應(yīng)，計(jì)算中隧道埋分別取20 m和40 m(即上邊界距隧道頂部20 m和40 m)，并取W/B(W為隧道凈距，B為三車道隧道最大開挖寬度)為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50等六種不同凈距共計(jì)12種工況進(jìn)行模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，具體建模情況如圖2、圖3所示。

圖2 隧道群三維模型網(wǎng)格劃分

圖3 小凈距隧道群不同凈距模型網(wǎng)格劃分

為保證研究影響因素的單一變量原則，在研究隧道群合理凈距上，在每種計(jì)算工況下只改變隧道凈距的變化，其它參數(shù)均保持一致，具體滿足以下原則：

(1)各隧道開挖工法均采用臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長度6 m，開挖循環(huán)進(jìn)尺1 m，且開挖順序采用并行同步開挖，不考慮隧道開挖掌子面錯(cuò)距(雖然不采用同步開挖已是基本共識(shí)，而本文內(nèi)容為凸顯隧道凈距影響，采用同步并行開挖)。

(2)各隧道均采用相同支護(hù)參數(shù)，具體圍巖和支護(hù)體現(xiàn)物理力學(xué)參數(shù)見表2、表3。

表2 圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)

表3 Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

從兩方面分析和研究兩種埋深條件下隧道不同凈距的影響：

(1)從隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形入手，把兩車道和三車道隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降和收斂位移作為其中一個(gè)判別指標(biāo)，由于隧道群呈對(duì)稱分布且同步開挖，故對(duì)中軸左側(cè)兩車道和三車道隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析研究。

(2)小凈距隧道圍巖的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在隧道中間巖柱的受力狀態(tài)上，故另通過分析中間巖柱的豎向位移和受力情況，進(jìn)一步輔助研究分析隧道凈距的影響。

3.1 初期支護(hù)、中巖柱變形結(jié)果

圖4為初支結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果，圖4(a)、圖4(b)分別為埋深20 m和40 m時(shí)豎向位移隨W/B變化情況，圖4(c)、圖4(d)分別為埋深20 m和40 m水平收斂位移隨W/B變化情況，從中可以看出，兩種埋深條件下，兩車道、三車道隧道初期支護(hù)沉降和水平收斂位移均隨著隧道凈距的增大而逐漸減小且當(dāng)凈距小于某值時(shí)，豎向、水平位移陡增，不同在于，埋深20 m情況下，W/B≤0.50陡增；埋深40 m情況下，W/B≤0.75陡增，即埋深越大，圍巖變形對(duì)凈距變化的反映越敏感。

圖4 初支結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

圖5為中巖柱變形計(jì)算結(jié)果，圖5(a)、圖5(b)分別為埋深20 m時(shí)兩車道-三車道、三車道-三車道中巖柱豎向位移隨W/B變化情況，圖5(c)、圖5(d)分別為埋深40 m時(shí)兩車道-三車道、三車道-三車道中巖柱豎向位移隨W/B變化情況。由圖可以推出如下規(guī)律：

圖5 中巖柱變形計(jì)算結(jié)果

(1)兩種埋深條件下，兩處中巖柱的豎向位移曲線均呈“類拋物線”分布，各工況下中巖柱正中位置測(cè)點(diǎn)位移值均最小，隨測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離正中位置，位移值逐漸增大；

(2)三車道-三車道中巖柱各測(cè)點(diǎn)豎向位移以中巖柱中線為軸對(duì)稱分布，而兩車道-三車道計(jì)算結(jié)果中靠三車道隧道一側(cè)，沉降更大；

(3)隨W/B減小，各測(cè)點(diǎn)位移值均逐漸增大，埋深20 m條件下，W/B≤0.5時(shí)，測(cè)點(diǎn)沉降陡增，埋深40 m條件下W/B≤0.75時(shí)，測(cè)點(diǎn)沉降陡增，且距離正中位置越遠(yuǎn)(距離洞壁越近)，沉降變化幅度越大。

3.2 中間巖柱受力結(jié)果

圖6為20 m埋深時(shí)圍巖主應(yīng)力云圖(W/B=0.50、1.00和1.50三組工況)，可以看出，小凈距隧道群開挖后，圍巖最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力較大者主要集中分布在隧道中間巖柱區(qū)域，而K、D2線隧道之間中巖柱尤為明顯，說明中間兩三車道隧道之間圍巖受力最為不利；另外，隨著隧道凈距的不斷增大，圍巖內(nèi)部最大(最小)主應(yīng)力的最大絕對(duì)量值均隨著凈距的增大在不斷的減小，而且不再向隧道中間巖柱集中分布，說明小凈距隧道中間巖柱的圍巖的穩(wěn)定性隨著凈距的增大有所改善。40 m埋深云圖規(guī)律基本一致，此處不再贅述。

圖6 20 m埋深時(shí)圍巖主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

為分析隧道中間巖柱的受力變化情況，分別對(duì)兩車道隧道D1線和三車道隧道K線、三車道K線和三車道D2線的中間巖柱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括中間巖柱中心線上的上、中、下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖7。

圖7 中間巖柱監(jiān)測(cè)選取位置示意

通過對(duì)小凈距隧道中間巖柱不同部位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制了隧道群埋深分別為20 m、40 m時(shí)隧道中間巖柱受力隨凈距變化曲線圖，而中巖柱各測(cè)點(diǎn)均不存在拉應(yīng)力，故僅對(duì)其最小主應(yīng)力變化曲線圖進(jìn)行分析，圖8(a)為20 m埋深，圖8(b)為40 m埋深。

圖8 中間巖柱最小主應(yīng)力隨隧道凈距變化

從趨勢(shì)上來說，總體上上測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力值小于其他區(qū)域，各工況下三車道—三車道中巖柱測(cè)點(diǎn)與兩車道—三車道中巖柱同水平線上測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力變化規(guī)律相似，量值相當(dāng)。而隨各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線主要分為兩種變化規(guī)律：一種為兩階段曲線，即最小主應(yīng)力值隨凈距增大而減小，而前期減小幅度較大，W/B增至某值后曲線趨于平緩，數(shù)值趨于穩(wěn)定，如埋深20 m時(shí)中、下部測(cè)點(diǎn)以及埋深40 m時(shí)各巖柱中部測(cè)點(diǎn)；另一種為三階段曲線，即最大主應(yīng)力值先隨W/B增大而增大，增至某值后開始減小，而后曲線逐漸平緩趨于穩(wěn)定，如埋深20 m時(shí)各巖柱上測(cè)點(diǎn)、埋深40 m時(shí)各巖柱上、下測(cè)點(diǎn)，且隨凈距增大，巖柱中線各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值趨近于原巖應(yīng)力。

而對(duì)比20 m與40 m埋深條件下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀況發(fā)現(xiàn)，埋深增加對(duì)壓應(yīng)力曲線前期斜率有較大影響，即當(dāng)0.25≤W/B≤0.75時(shí)，隨埋深增加，壓應(yīng)力曲線斜率有“由負(fù)變正”趨勢(shì)，即上測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增大區(qū)間增大幅度更大，中測(cè)點(diǎn)曲線減小幅度放緩，下測(cè)點(diǎn)曲線甚至出現(xiàn)反彎現(xiàn)象(壓應(yīng)力曲線由減變?cè)?。

4 結(jié)論

通過對(duì)龍泉山1號(hào)隧道20 m、40 m埋深條件下W/B=0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50共計(jì)12種工況進(jìn)行的數(shù)值模擬得出如下結(jié)論：

(1)隨凈距減小，隧道初支、各隧道之間中巖柱變形均增大，且減小至某一凈距后，數(shù)值開始陡增；

(2)埋深越大，隧道、圍巖變形對(duì)凈距變化的反映越敏感。如初支和中巖柱位移變化情況，當(dāng)埋深從20 m增至40 m后，隨W/B減小各項(xiàng)位移的陡增點(diǎn)均由0.5前移至0.75；

(3)就中巖柱壓應(yīng)力而言，不同于初支和中巖柱位移趨勢(shì)，隨著埋深的增大，各側(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力不是一味隨凈距變大而下降且出現(xiàn)陡降，而是放緩了這種趨勢(shì)，即當(dāng)0.25≤W/B≤0.75時(shí)，隨埋深增加，壓應(yīng)力曲線斜率有“由負(fù)變正”趨勢(shì)，應(yīng)力下降曲線越發(fā)平緩，甚至曲線前段出現(xiàn)壓應(yīng)力隨凈距增加反而上升的情況。

結(jié)合上述結(jié)論，埋深不大于40 m時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中應(yīng)關(guān)注W/B≤0.5區(qū)段的初支變形和中巖柱加固情況；埋深大于40 m時(shí)，應(yīng)關(guān)注W/B≤0.75區(qū)段的初支變形和中巖柱情況，特別是W/B離0.5很近時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中巖柱中下部圍巖，防止應(yīng)力反增帶來的危害。即埋深在40 m以下時(shí)，凈距宜大于0.5B，埋深在40 m以上時(shí)，凈距宜大于0.75B，否則應(yīng)對(duì)中巖柱進(jìn)行適當(dāng)加固。