淺覆大跨度小凈距雙洞公路隧道相互影響研究

李仲來

摘 要：分析不同凈距下中巖墻的應力、變形、塑性區分布等力學行為及其支護結構的受力特性對指導小凈距隧道設計與施工尤為重要。文章依靠數值分析手段，模擬在不同D/B情況下，采用三臺階法開挖分析后掘隧道開挖多次擾動對中巖墻的塑性區分布、剪應力、水平位移等力學行為的影響，以及后掘隧道對先行隧道初支結構內力的影響，結果表明在中巖墻厚度小于0.75 B時，后掘隧道對中巖墻的受力變形和先行隧道支護結構受力極為不利。該研究結果可為淺覆大跨度小凈距隧道的設計和施工提供借鑒。

關鍵詞：淺覆大跨度；小凈距；中巖墻；力學行為；三臺階法

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）09-0149-03

1 研究背景

高等級公路隧道一般設計為上下行分離的獨立雙洞，雙洞常按彼此間不產生有害影響的原則，保證最小凈距，但在實際工程中存在其它條件限制而不可避免的采用小凈距隧道甚至聯拱隧道，因此需要做出充分的技術論證，并制定可靠的技術保障措施。

目前，業內很多學者對各類小凈距隧道展開了相關研究，因中巖墻受隧道開挖的多次擾動影響，受力變形異常復雜，不利于隧道結構的穩定，故核心問題集中在合理凈距的研究及優化上。Dharls對不同位置關系的雙線隧道失效機理研究表明，雙線隧道的破壞主要發生在中巖墻。

具體典型研究有：杉本光隆運用能量理論對平行雙洞隧道研究認為當隧道間距小于1.7 B（B為隧道跨度）時，圍巖穩定性必須綜合考慮雙洞的疊加效應。

以上研究主要針對在較小凈距下，隧道開挖對中巖墻的擾動所引起的圍巖受力和變形影響，而對于在小凈距情況下，在先行隧道支護結構已完成的情況下，后掘隧道對先行隧道支護結構和中巖墻的綜合效應的研究較少。

本文依托浙江溫州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分軟件分析手段，通過模擬不同凈距下，采用三臺階法開挖，分析后掘隧道對先行隧道支護結構的內力變化以及隧道開挖的多次擾動對中巖墻的應力和變形的影響，對于進一步推動淺覆大跨度小凈距隧道的發展和應用，具有重要的現實意義。

2 工程概況

溫州某公路隧道左線里程K3+555～K4+955，長1 400 m，右線K3+550～K4+977，長1 427 m。隧道穿越段地層主要為強中風化粉砂巖、細砂巖夾泥巖，地層條件相對復雜。

淺埋段隧道埋深為10～20 m，圍巖級別為V級，隧道毛洞凈跨度為16.47 m，高度為10.84 m，兩隧凈距在10～20 m之間，V級圍巖支護結構如圖1所示。

左右兩洞均采用三臺階法開挖，先行開挖左洞，后行開挖右洞，兩洞縱向間距以左洞支護結構達到一定強度作為控制指標。左洞開挖步驟如圖2所示：右洞開挖方式與左洞相同，故不再重復敘述。

3 數值模擬

3.1 模型的建立

采用FLAC2D數值分析軟件進行模擬，取隧道洞跨B=16.47 m，洞高H=10.84 m，隧道埋深取將近一倍洞跨為16 m。為消除應力邊界影響，左、右及下邊界取3倍隧道開挖直徑，上邊界取為自由面；左右邊界約束x方向位移，下邊界約束y方向的位移。數值模型如圖3所示。

圍巖采用平面四邊形等參單元，判定準則采用Mohr-Cou-

lomb屈服準則，噴射混凝土采用結構單元liner單元模擬，鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，拱頂120 ？觷范圍的超前雙排Φ42 mm小導管和初支中的Φ25 mm中空注漿錨桿均采用適當提高圍巖參數進行模擬，各力學參數見表1。

采用FLAC2D進行施工過程模擬，具體模擬步驟如圖3所示。初始應力場根據巖體的自重應力場計算得到，計算平衡后通過修改加固圈的圍巖參數來模擬小導管和中空注漿錨桿的作用效果。

每一步開挖支護分為兩個階段，第一階段模擬隧道開挖應力釋放60%，第二階段模擬隧道施作初期支護后應力放40%。根據新奧法施工原理，二次襯砌僅作為強度儲備，故本次計算中未考慮二次襯砌的影響。

為了分析在不同凈距情況下，右洞開挖對左洞支護結構的受力影響以及隧道開挖多次擾動引起中巖墻受力和變形特性的改變，分別取中巖墻厚度D約為0.5 B（8 m），0.75 B（12 m），1 B（16 m），1.25 B（20 m），1.5 B（24 m），2 B（32 m）情況下進行研究。

3.2 中巖墻塑性區分布特性分析

采用三臺階法開挖，支護完成后隧道周邊圍巖所形成的塑性區分布如圖4所示。

從圖中可看出單洞開挖完成后，圍巖塑性區呈“×”形分布，在拱腰和拱腳部分形成較大的塑性區，拱腳處尤其嚴重，塑性區延伸至拱腳以下5 m左右，而隧道邊墻塑性區沿徑向為3 m左右。

隨著中巖墻厚度的不斷減少，在D/B為1.25～2的范圍內，右洞開挖后對中巖墻塑性區的變化影響比較小，塑性區范圍基本與單洞情況下相同；隨著中巖墻厚度的進一步減小，在D/B為0.75～1的范圍內，臨近兩隧道邊墻和拱腳處的中巖墻塑性區范圍有所擴大，隧道拱腳以下塑性區延伸至9 m左右，但中巖墻塑性區仍未貫通；當D/B=0.5時，即中巖墻厚度為8 m時，隨著右洞上臺階的開挖，中巖墻上部區域塑性區已貫通，圍巖處于塑性階段，隨著右洞中、下臺階的開挖，圍巖塑性區進一步擴大，最終中巖墻范圍內塑性區基本完全貫通。

故在淺覆軟弱圍巖條件下，對于大跨度隧道盡可能的通過控制中巖墻的厚度來防止塑性區貫通，即盡量將D/B值控制在0.75以上。

4 結 語

本文通過模擬在不同的D/B情況下，通過分析后掘隧道對中巖墻多次擾動引起中巖墻的塑性區分布、應力和變形的變化規律以及先行隧道初支結構的內力變化，得出如下結論：

①小凈距隧道中巖墻的厚度對于隧道支護結構的受力和中巖墻的力學特性影響很大，應盡量將D/B值控制在0.75以上。

②當采用三臺階法開挖時，后掘隧道上、中臺階的開挖對中巖墻的受力和變形影響顯著，施工中應該嚴格控制后掘隧道上、中臺階的開挖尺寸，同時應加強對臨近中巖墻先行洞拱腳處圍巖的水平位移及圍巖應力進行監控量測。

③從先行隧道初支結構的內力變化來看，臨近中巖墻的邊墻和拱腳處是結構受力的薄弱點，應保證支護結構的強度，同時嚴格控制后掘隧道與先行隧道合適的縱向間距。

本文依托浙江溫州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分軟件分析手段，通過模擬不同凈距下，采用三臺階法開挖，分析后掘隧道對先行隧道支護結構的內力變化以及隧道開挖的多次擾動對中巖墻的應力和變形的影響，對于進一步推動淺覆大跨度小凈距隧道的發展和應用，具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1] JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S].

[2] Dharls B B，Ratan S，Sharma D K，et al.Model study of fracture around underground excavations[M].Proceedings of the International Sympo-sium on Weak Rock，1981.

[3] 蔣樹屏.用能量理論對平行雙洞隧道進行穩定分析[J].隧道譯叢，1990，（2）.