小凈距隧道圍巖變形機(jī)制分析

郝永明

摘? 要：為了更好的研究小凈距隧道圍巖的變形機(jī)制，從而能夠在隧道合適的位置采取合適的措施，降低隧道建設(shè)的成本，提高隧道建設(shè)的效率。本文采用有限元軟件模擬了在陡傾結(jié)構(gòu)面存在的情況下，掌子面間隔距離的差異、隧道凈距以及開挖方式對小凈距隧道圍巖的變形影響。主要分析了在不同工況條件下，小凈距隧道的水平位移、豎直位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)分布，進(jìn)而確定掌子面間隔距離、隧道凈距以及施工方式對小凈距隧道圍巖變形的不同影響。

關(guān)鍵詞：小凈距隧道? 掌子面間距? 隧道凈距? 開挖方式? 塑性區(qū)

中圖分類號(hào)：TU744? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（b）-0001-05

Analysis of Deformation Mechanism of Surrounding Rock of Small Clear Distance Tunnel

HAO Yongming1，2

（1.China Communication Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Beijing， 100027 China; 2. China Communication South Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Beijing， 100027 China）

Abstract： In order to better study of small clear distance tunnel surrounding rock deformation mechanism， so that they can in the right place to take appropriate measures to reduce the cost of tunnel construction， improve the efficiency of the tunnel construction， the article USES the finite element software to simulate the in steep dip of the presence of structural plane， the constraints of the distance between differences， tunnel clear distance and excavation method of small clear distance tunnel surrounding rock deformation effect. This paper mainly analyzes the horizontal displacement， vertical displacement， stress and plastic zone distribution of the tunnel under different working conditions， and then determines the different influences of the distance between the palm-face， the tunnel distance and the construction method on the surrounding rock deformation of the tunnel with small clear distance.

Key Words： Small clear distance tunnel; Palmface spacing; Clear tunnel spacing; Excavation mode; Plastic zone

隨著我國交通工程的蓬勃發(fā)展，山區(qū)在交通建設(shè)過程中的隧道選線時(shí)往往受地形約束，故減小隧道雙洞最小凈距的要求極為迫切。山嶺地區(qū)在修建交通隧道時(shí)，由于受到展線及隧道線位區(qū)域地形和地質(zhì)等多種因素的限制，常采用小凈距隧道的布置形式[1]。小凈距隧道中起著支撐作用的隔墻位于雙拱結(jié)構(gòu)中部，隔墻主要是由圍巖組成的[2]。由于小凈距隧道沒有地形條件的約束，并且施工工藝造價(jià)成本較低，更容易被接受，所以小凈距隧道在交通規(guī)劃過程中的運(yùn)用越來越廣泛[3]。

靳曉光等[4]使用結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值分析軟件模擬了京福高速公路建設(shè)過程中的小凈距隧道開挖過程，參考圍巖相關(guān)變形特征，總結(jié)并提出了小凈距隧道臺(tái)階法施工的合理開挖順序。沈習(xí)文等[5]分析了京福高速公路建設(shè)過程中的小凈距隧道，從隧道凈距、隧道進(jìn)口處斜坡坡度、隧道埋深等方面對圍巖應(yīng)力進(jìn)行了相關(guān)分析。郭立軍[6]對不同隧道凈距的雙線隧道施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，探討了小凈距隧道圍巖變形特征。張勵(lì)等[7]通過有限元分析對比的方法提出了小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)應(yīng)從以下三個(gè)方面進(jìn)行考慮：充分利用圍巖的自身承載能力、改進(jìn)中夾巖墻加固措施以及減少圍巖擾動(dòng)。徐世祥等[8]提出距離爆源最近的振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)各方向振速最大，監(jiān)測點(diǎn)振速隨掌子面距離逐漸減小。本文研究陡傾結(jié)構(gòu)面存在時(shí)小凈距隧道圍巖的變形機(jī)制，對掌子面間隔距離為2m、3m、5m，隧道的凈距分別為0.5D、D、1.5D以及采用全斷面開挖和分兩臺(tái)階開挖兩種施工方法共11種工況下采用數(shù)值分析軟件對小凈距隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變采取了數(shù)值分析的方式，探究小凈距隧道開挖過程中橫斷面水平位移、豎向位移、應(yīng)力變化和塑性區(qū)分部規(guī)律。

1? 不同掌子面間隔距離的圍巖變形

為了研究陡傾結(jié)構(gòu)面存在的情況下掌子面之間的間距大小對隧道的影響，同樣建立了三個(gè)分析模型，分別對隧道的水平位移、豎直位移、塑性區(qū)進(jìn)行分析。工況一中的結(jié)構(gòu)面組合對圍巖的影響是最大的，因此，在模型中，將結(jié)構(gòu)面傾角設(shè)置成工況一中結(jié)構(gòu)面組合，即產(chǎn)狀為316°∠75°、58°∠70°的兩組結(jié)構(gòu)面。掌子面的間隔距離設(shè)置成2m、3m、5m三種工況，分別為工況四、工況五、工況六。

（1）水平位移分析。

圖1為三種模型分別計(jì)算后的位移結(jié)果云圖，由圖可知，三種工況中小凈距隧道在中間巖體拱肩位置形成的水平位移均為最大。同時(shí)，在隧道的四個(gè)拱腳位置處均存在有不同程度的位移區(qū)。兩隧道變形區(qū)在整體上呈對稱趨勢。

在數(shù)值上，三種工況中產(chǎn)生的水平位移分別為9.4908mm、9.4901mm、9.48mm，其中5m開挖距離工況所產(chǎn)生的水平位移最小，所呈現(xiàn)的趨勢為小凈距隧道中兩掌子面相隔距離越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的水平位移越小。

（2）豎直位移分析。

圖2為三種開挖不同開挖掌子面距離下，各自的模擬結(jié)果豎直位移云圖。從圖2可以得出，以上工況所造成的最大沉降都位于掌子面的拱頂。通過比較，三種工況下左洞拱頂發(fā)生的沉降均大于右洞，而三種工況的左洞中，工況一產(chǎn)生的豎直位移最大，而工況三種產(chǎn)生的豎直位移相對于工況一來說少了24%的拱頂豎直沉降。在施工開挖中，將左洞設(shè)置為先行洞，左洞先進(jìn)行開挖后，進(jìn)行右洞的開挖[9]，工況一中兩隧洞的掌子面相距最短，為2 m。由于掌子面之間相距較近，進(jìn)行施工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互影響，即左洞在開挖過程中，受到左、右兩洞開挖的同時(shí)擾動(dòng)。而在工況三中，由于相距距離較長，所以相互之間的影響比工況一小。

（3）塑性區(qū)分析。

圖3是三種隧道施工工況下的塑性區(qū)云圖，從圖中可以看出，三種隧道施工工況下，隧道的塑性區(qū)分布的區(qū)域及形狀大小大致相同，但是也存在細(xì)微的區(qū)別。這表明在其他情況都相同的情況下，不同掌子面間距對小凈距隧道有一定的影響，但是影響的程度較小。

2? 不同隧道凈距的圍巖變形機(jī)制

為了研究陡傾結(jié)構(gòu)面存在的情況下不同凈距對隧道的影響，同樣建立了三個(gè)分析模型，分別對隧道的水平位移、豎直位移、塑性區(qū)進(jìn)行分析。由上可知，工況一中的結(jié)構(gòu)面組合對圍巖的影響時(shí)最大的，5m開挖工況對小凈距隧道施工擾動(dòng)是三種工況最小的，在這里的三個(gè)模型中，將隧道掌子面之間的距離設(shè)置成5m。隧道的凈距分別設(shè)置成0.5D、D、1.5D，令為工況七、工況八、工況九。

（1）水平位移分析。

三種工況施工中，0.5D凈距工況下產(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)，隧道水平位移發(fā)生在兩拱腳、拱肩以及隧道遠(yuǎn)離中間圍巖的兩側(cè)拱腰處，位移的最大值位于兩隧道中間巖體側(cè)拱腳處，其值為19.6 mm，其次是遠(yuǎn)離中間巖體側(cè)的拱腳。靠近中間巖體側(cè)拱肩位置處的水平位移相對較大，其水平位移值為14.4 mm。水平位移關(guān)于中心巖體中央的劃分線大體對稱。隧道之間的凈距為D時(shí)，隧道的水平位移最大值在中間巖體側(cè)拱肩位置，最大值為13.8 mm。在拱腳和側(cè)面也存在較大的水平位移區(qū)。1.5D隧道凈距的位移值相對于0.5D、D凈距要小得多，最大值為10.3 mm。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，凈距越小，所產(chǎn)生的位置變化差值就越大。凈距越小，中間巖體中產(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，對施工安全會(huì)造成極大的威脅。

（2）豎直位移分析。

各種工況下發(fā)生垂直位移最大的區(qū)域同樣位于隧道拱頂?shù)暮退淼赖撞?。?.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。1.5D凈距中，其發(fā)生位移的區(qū)域又相比其余工況值要小很多。同時(shí)，隧道底部發(fā)生的位移區(qū)域范圍與程度也有很大的區(qū)別。0.5D凈距中，位移變形區(qū)最大集中在隧道中心線附近且靠近上底部，位移區(qū)黃色部分有少許的交匯，表明位移區(qū)域有貫通的趨勢。而凈距為D、1.5D中，發(fā)生位移的區(qū)域沒有明顯的相交。

對比分析可知，陡傾結(jié)構(gòu)地層隧道的位移受凈距的影響很大，位移隨凈距的減小而增大，位移區(qū)隨凈距的減小具有交匯的趨勢。兩個(gè)隧道的變形區(qū)如果發(fā)生了交匯現(xiàn)象，將會(huì)對后期的施工安全產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而威脅整個(gè)施工。因此，小凈距隧道施工過程中還必須考慮中間巖體的加強(qiáng)問題。

（3）主應(yīng)力分析。

在陡傾結(jié)構(gòu)面存在的地層中，隧道凈距0.5D時(shí)，在中間巖體處會(huì)出現(xiàn)極大地應(yīng)力集中，同時(shí)在隧道上部與下部底板區(qū)域都出現(xiàn)應(yīng)力集中，但應(yīng)力主要分布在最大分布區(qū)域在中間巖體的下部位置。最大應(yīng)力為926 kN/m2。在隧道凈距D時(shí)，中間巖體處也出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但是集中應(yīng)力的數(shù)值要小于0.5D凈距的情況。同時(shí)在隧道頂部與底部也出現(xiàn)應(yīng)力集中，隧道的各個(gè)拱腳處出現(xiàn)最大的應(yīng)力，最大應(yīng)力為856 kN/m2。而在隧道凈距為1.5D情況下，隧道出現(xiàn)的最大應(yīng)力主要分布在隧道洞頂和底部，而在隧道中間巖體上不存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。這表明在小凈距隧道中，隧道凈距越小，在中間巖體上越容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成高應(yīng)力區(qū)。

（4）塑性區(qū)分析。

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。而在D、1.5D凈距中，沒有出現(xiàn)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。

3? 不同開挖方式的圍巖變形機(jī)制

為了研究不同開挖方式對陡傾結(jié)構(gòu)面巖層中小凈距隧道的影響，設(shè)置了全斷面開挖和分兩臺(tái)階開挖的兩種施工工況。地層中的結(jié)構(gòu)面組合設(shè)置為上文中分析出的最危險(xiǎn)組合即316°∠75°和58°∠70°，隧道的凈距設(shè)置為D，兩隧道掌子面的距離設(shè)置為5 m。模型的兩種計(jì)算工況分別令為工況十、工況十一。同樣對隧道進(jìn)行水平和豎直位移分析、應(yīng)力分析以及塑性區(qū)分布情況分析[10]。

（1）水平位移分析。

采用全段面開挖方式產(chǎn)生的水平位移區(qū)多于兩臺(tái)階開挖方式產(chǎn)生的位移區(qū)。全斷面開挖工況下，在地面引起了不同情況的位移，產(chǎn)生水平位移較嚴(yán)重的地方位于小凈距隧道的兩拱腳和拱肩位置，最大值產(chǎn)生在隧道的拱腳位置處，其值為9.68 mm。而在兩臺(tái)階開挖工況中，隧道中間巖體側(cè)拱肩位置處的水平位移最大，其值為為7.56 mm。兩臺(tái)階法開挖引起的變形明顯要小于全斷面開挖法，這是由于在不同的開挖方式在隧道施工過程中對隧道的影響程度是不一樣的。全段面開挖對隧道的擾動(dòng)要更大一些。通過二者對比，兩臺(tái)階開挖方法更適用于陡傾結(jié)構(gòu)面存在的地層中的小凈距隧道施工。

（2）豎直位移分析。

全段面開挖所導(dǎo)致的豎直位移區(qū)域較兩臺(tái)階開挖方式產(chǎn)生的位移區(qū)域大，并且全斷面開挖工況下，在地面引起了不同情況的沉降。在地面產(chǎn)生的沉降中，隧道洞頂正對上方處產(chǎn)生的地面沉降最大，其最大值為5.1 mm，而在工況十一兩臺(tái)階施工工法中，隧道產(chǎn)生的位移區(qū)僅存在于兩隧道洞周。

通過上述兩種不同開挖方式的水平位移及豎直位移的對比分析，可知，全斷面開挖方式造成的位移大于兩臺(tái)階開挖方法開挖產(chǎn)生的位移。因此，為了控制位移形變，兩臺(tái)階開挖方式更適用于陡傾結(jié)構(gòu)面存在的地層中的小凈距隧道施工。

（3）塑性區(qū)分析。

同樣，塑性區(qū)的分析結(jié)果仍然與上述分析結(jié)果相一致，可以對上述結(jié)果起到輔證的作用。全斷面開挖后，塑性區(qū)以隧道斷面為中心擴(kuò)散，在中間巖體的上部及下部，塑性區(qū)出現(xiàn)貫穿的趨勢。采用兩臺(tái)階開挖施工工況下的小凈距隧道，所形成的塑性區(qū)要小得多，塑性區(qū)沒有出現(xiàn)貫通的跡象，中間巖體處于正常狀態(tài)。

4? 結(jié)語

本文通過建立有限元模型的方法，研究了存在陡傾結(jié)構(gòu)面的情況下，小凈距隧道的圍巖變形機(jī)制。通過分析不同的掌子面間隔距離、不同的小凈距隧道凈距以及不同的隧道開挖方式下小凈距隧道圍巖的水平位移大小、豎直位移大小、主應(yīng)力大小以及塑性區(qū)分部情況，得出了以下結(jié)論。

（1）在陡傾結(jié)構(gòu)面組合316°∠75°、58°∠70°存在的情況下，掌子面的間隔距離設(shè)置成2 m、3 m、5 m三種工況。根據(jù)分析可知，小凈距隧道中兩掌子面相隔距離越遠(yuǎn)，隧道施工過程中產(chǎn)生的水平位移越小。小凈距隧道中兩掌子面相隔距離越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的豎直位移越小，施工過程中相互之間的影響越小。三種工況下的塑性區(qū)分布區(qū)域及形狀大小大致相同，但還是有細(xì)微的區(qū)別，表明在其他情況都相同的情況下，不同掌子面間距對小凈距隧道有一定的影響，但是影響的程度較小。

（2）在陡傾結(jié)構(gòu)面組合316°∠75°、58°∠70°存在的情況下，掌子面的間隔距離為5 m，隧道的凈距分別設(shè)置成0.5D、D、1.5D三種工況。三種工況中，0.5D凈距工況下產(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。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，所產(chǎn)生的水平位移越大。凈距越小，中間巖體中產(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，對施工安全會(huì)造成極大的威脅。

（3）隧道凈距對陡傾結(jié)構(gòu)地層中的小凈距隧道的位移變形影響較大，其位移隨凈距的減小而增大，同時(shí)位移區(qū)隨凈距的減小具有交匯的趨勢。位移區(qū)若出現(xiàn)交匯現(xiàn)象，將會(huì)對隧道的施工安全及后期應(yīng)力造成嚴(yán)重的影響。因此，小凈距隧道施工時(shí)必須考慮中間巖體的加強(qiáng)問題。

（4）陡傾結(jié)構(gòu)地層小凈距隧道的隧道凈距越小，在中間巖體上越容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成高應(yīng)力區(qū)。0.5D凈距中兩隧道塑性區(qū)已經(jīng)貫通，中間巖體部位已全部形成塑性區(qū)，在D、1.5D凈距中，沒有出現(xiàn)塑性區(qū)貫通的現(xiàn)象，但隧道的頂部與底部塑性區(qū)分布面積仍較大。

（5）在陡傾結(jié)構(gòu)面組合316°∠75°、58°∠70°存在的情況下，掌子面的間隔距離為5 m，隧道的凈距為D，設(shè)置全斷面開挖和分兩臺(tái)階開挖的兩種工況。通過比較兩種工況所產(chǎn)生的水平和豎直位移，兩臺(tái)階法明顯要小于全斷面開挖法，故兩臺(tái)階開挖方法更適用于陡傾結(jié)構(gòu)面存在的地層中的小凈距隧道施工。

（6）小凈距隧道采用全斷面開挖工況下，塑性區(qū)以隧道斷面為中心向四周擴(kuò)散，在中間巖體的上部及下部，塑性區(qū)出現(xiàn)貫穿的趨勢。采用兩臺(tái)階開挖施工工況下，小凈距隧道中所形成的塑性區(qū)要小得多，塑性區(qū)沒有出現(xiàn)貫通的跡象，中間巖體處于正常狀態(tài)。

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