對高速公路小凈距隧道合理凈距的探討

符 進(jìn)

(廣東省長大公路工程有限公司，510507)

對高速公路小凈距隧道合理凈距的探討

符 進(jìn)

(廣東省長大公路工程有限公司，510507)

使用數(shù)值分析手段,對不同凈距未支護(hù)條件下小凈距隧道的受力狀況、變形、圍巖塑性區(qū)進(jìn)行了仔細(xì)的分析研究，可以了解到:當(dāng)兩隧道的凈距小于B(B為毛洞開挖寬度)時(shí),在兩隧道中巖墻較大范圍內(nèi)將產(chǎn)生塑性區(qū),且位移量明顯大于單洞狀態(tài)。中巖墻部位產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力疊加現(xiàn)象,處于很不利的受力狀態(tài),中巖墻需進(jìn)行特殊加固處理。而當(dāng)凈距提高到1B及以上的時(shí)候,塑性區(qū)的產(chǎn)生范圍基本接近單洞狀態(tài)，所以可以確定該高速公路隧道Ⅴ級圍巖段的合理凈距應(yīng)該要大于或者等于1.0B。

小凈距 隧道塑性區(qū) 變形應(yīng)力

1. 前言

為了確定高速公路小凈距隧道合理凈距，本文某高速公路隧道洞口段Ⅴ級圍巖處隧道合理間距進(jìn)行調(diào)查，為設(shè)計(jì)提供借鑒。

2. 計(jì)算方案的確定及參數(shù)的選取

根據(jù)某高速公路隧道的施工情況,選擇Ⅴ級圍巖在最不利埋深(35 m)、不同凈距的情況下計(jì)算小凈距隧道圍巖的變形特征、受力特性，然后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)無支護(hù)情況下的圍巖力學(xué)行為,使用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行彈塑性分析。在計(jì)算時(shí)可以分別選擇分離式隧道的獨(dú)立單洞,凈距為2.0B、1.5B、1.25B、1.0B、0.75B、0.5B等6種,其中B=13.85米,為隧道開挖跨度。

在地應(yīng)力場方面,因?yàn)樗碇穮^(qū)埋深較淺，受到構(gòu)造的影響比較小，所以只需考慮自重應(yīng)力場作用，計(jì)算中選擇D-P準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則。同時(shí)在模型邊界條件方面,需要考慮到隧道的變凈距,其計(jì)算的模式在隧道橫斷面方向選擇3～5倍洞徑,垂直方向拱底以下選擇3倍洞徑,頂部取實(shí)際埋深[1]。其計(jì)算模型基本網(wǎng)格見圖1（a）。計(jì)算中可以假設(shè)左洞首先進(jìn)行開挖,然后按照研究的意圖,在進(jìn)行分析時(shí)假定在沒有支護(hù)的情況下右洞、左洞都一次成形(全斷面法開挖)。接著使用中巖墻位置、拱底、先行洞拱頂處的特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,其布置位置見圖1(b)。

選擇材料參數(shù)是在結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料的基礎(chǔ)上綜合進(jìn)行擬定的，具體內(nèi)容如表1所示。

表 1 計(jì)算中材料參數(shù)的選取

圖 1 計(jì)算模型

2. 小凈距隧道間合理凈距的探討

2.1 不同凈距下圍巖塑性區(qū)分析

按照計(jì)算的結(jié)果,獲取了不同凈距條件下厚度表(表2)。按照收集的資料可以看出:

（1)在隧道開始挖掘之后,在沒有支護(hù)的情況下,圍巖都比較容易出現(xiàn)塑性區(qū)域。而塑性區(qū)域多處于拱肩到拱腳的范圍之內(nèi),其分離式隧道單洞塑性區(qū)厚度大約為2.5米。

（2)由于兩隧道間凈距會(huì)隨著開挖的進(jìn)行逐漸減小,同時(shí)后行隧道的開挖會(huì)不斷擴(kuò)大塑性區(qū)域，和凈距大小息息相關(guān)。根據(jù)研究結(jié)果可以知道,當(dāng)兩隧道的凈距是0.5B(B是毛洞開挖寬度)的時(shí)候,后行隧道開挖會(huì)不斷擴(kuò)大塑性區(qū)域。一旦后行洞隧道的壓力釋放到60%的時(shí)候,然后在兩隧道中巖墻會(huì)形成范圍較大的貫通塑性區(qū)域。而根據(jù)應(yīng)力的不斷釋放,計(jì)算會(huì)產(chǎn)生不收斂情況,表示圍巖已經(jīng)被破壞失穩(wěn)。當(dāng)凈距提高到0.75B的時(shí)候,后行洞的開挖雖然沒有引起中巖墻塑性區(qū)的擴(kuò)大,但在塑性區(qū)的厚度方面(表2),使得塑性區(qū)厚度提高到4.0 米左右,中巖墻需進(jìn)行不斷加固。而當(dāng)凈距提高到1B的時(shí)候,可以知道,隧道附近的塑性區(qū)有所減少。經(jīng)過對比不同凈距條件下與單洞時(shí)的塑性區(qū)厚度可知,對于小凈距隧道,雙洞開挖后各洞周的塑性區(qū)分布,由于凈距的不斷增加(針對本隧道在1B及以上時(shí)),會(huì)不斷接近各單洞開挖后的塑性區(qū)域的數(shù)值。具體內(nèi)容如表2所示。

表 2 不同工況條件下塑性區(qū)厚度

2.2 不同凈距下圍巖變形分析

在隧道開挖過程中,圍巖變形大小也是影響隧道穩(wěn)定性的因素之一。基于此,本次分析某高速公路隧道圍巖變形的情況同時(shí)獲取了不同凈距條件下先行洞特征點(diǎn)位移隨凈距變化量值表（表3)。

從上述不同凈距條件下圍巖的豎向位移量值可知,在隧道開始挖掘之后,最明顯的是拱底和拱頂?shù)奈灰啤Ｈ绻绊敵霈F(xiàn)沉降,拱底會(huì)出現(xiàn)隆起的情況。當(dāng)隧道處于單洞的情況下,拱頂下沉量約為9.30毫米,拱底隆起量在9.30毫米左右。同時(shí)根據(jù)從先行洞的位移特點(diǎn)可以知道,由于后行洞的不斷開挖,隧道拱頂出現(xiàn)不斷沉降,拱底將會(huì)不斷減少位移。當(dāng)凈距處于0.5B的時(shí)候,會(huì)得到最大的位移量,與單洞有明顯的區(qū)別，但是當(dāng)凈距處于1B或者超過1B的時(shí)候,位移量會(huì)逐漸穩(wěn)定下來,而且會(huì)與單洞位移數(shù)值進(jìn)行過渡,并最終和單洞位移保持一致。具體內(nèi)容如表3所示。

表 3 先行洞特征點(diǎn)位移值表

3. 討論

按照小凈距進(jìn)行研究可以知道，要想確定小凈距隧道的合理凈距宜，需要考慮圍巖穩(wěn)定性、變形、受力和等因素。因此可以得出，在確定相鄰隧道的凈距大于合理凈距范圍的時(shí)候,可以無需使用特殊的施工方法、支護(hù)措施和加固方法,只需要加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督和控制,然后按照測量的信息進(jìn)行反饋，接著進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如果當(dāng)小凈距隧道相鄰隧道凈距小于合理凈距范圍時(shí),不但需要加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)控量測,還進(jìn)行特殊加固，才能確保隧道的安全。

[1]喬春江,朱光儀.超小凈距隧道的設(shè)計(jì)與研究[J].公路.2013(07)：78-79.

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1007-6344（2015）11-0277-01