軟巖連接隧道及空間正交結構施工過程分析

周亮

摘 要： 隨著隧道建設的規模日益擴大，隧道建設向長距離、大斷面發展，而豎井或斜井可以在長大公路隧道的施工階段增加工作面，加快施工進度，還可以在施工期間和運營期間作為通風、逃生通道。但是在軟巖地區修筑豎井的同時還需要修建連接隧道，使得隧道結構出現極大的空間和受力的不對稱，豎井與主隧道之間的連接隧道則成為整個結構體系中最薄弱的部位。本文結合一具體的軟巖隧道進行研究，利用有限元軟件，模擬分析兩兩正交的豎井、連接隧道與主隧道在施工過程中的相互作用，研究施工過程中圍巖的穩定性，以及相互影響。

關鍵詞：正交隧道 軟巖隧道 豎井 數值分析 穩定性

Abstract：With the increasing scale of tunnel construction， tunnel construction is developing towards long distance and large section， while inclined shaft can increase working face in the construction stage of long highway tunnel， speed up the construction progress， and also serve as ventilation and escape passage during construction and operation. However， in soft rock area， it is necessary to build a connecting tunnel at the same time， so that the structure of the tunnel presents great space and stress asymmetry. The connecting tunnel between the shaft and the main tunnel becomes the weakest part in the whole structure system. In this paper， a concrete soft rock tunnel is studied， and finite element software is used to simulate and analyze the interaction between two orthogonal vertical shafts， connecting tunnels and main tunnels in the construction process， study the stability of surrounding rocks during the construction process， and propose the key positions for monitoring and support.

Keywords：shaft； soft rock tunnel； lateral stress coefficient； displacement； stability

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，近年來，我國修建了一大批舉世矚目的隧道和地下工程，中國已經成為世界上隧道最多、地質情況最復雜國家，在各種類型的隧道工程的修建過程中，出現大量新的結構形式、新的施工方法、新技術、新工藝，攻克許多以前很少甚至從未涉及過的難題，通過這些年的發展，我國由隧道大國邁向隧道強國。

國內外學位對連接隧道的穩定性進行大量的研究，李庶林、毛建華等基于分形理論和巖體完整性系數，利用聲發射所監測到的豎井圍巖聲發射事件率和聲傳播速度對豎井圍巖的穩定進行評價；高成雷， 朱永全以空間有限元作為分析手段， 用實體單元對圍巖進行模擬，對廣州地鐵番禺折返線施工豎井建模分析，研究圍巖體在側向土壓力作用下的應力及位移變化規律；胡偉基于Coulomb提出的土壓力理論和原方計算法，以三維微扇形單元體進行受力分析，根據靜力平衡推導出豎井的側向壓力的計算公式，并利用數值分析，確定影響豎井側壓力的因素。

在軟巖地層中開挖豎井、連接隧道，如何減少對初始狀態的擾動，控制圍巖變形，從而使圍巖處于相對安全狀態，涉及到開挖方式的選擇，開挖面的空間效應的利用，支護類型的選取，支護參數和支護時機的確定等許多方面。

由于巖土受構造運動影響，保留著構造形跡和構造應力，呈現出非均質、各向異性等特點；而另一方面，豎井、連接隧道開挖過程中，巖體穩定性隨時間、空間呈現動態變化的趨勢。

因此對豎井、連接隧道開挖過程中圍巖穩定性進行模擬分析，可以對下一步施工對象的安全性進行預測并且指導施工。本文針對以具體的案例利用有限元軟件（Midas）來模擬主隧道、連接隧道與豎井施工過程中圍巖的穩定性及相互影響，提出監測和支護的重點部位，為安全、高效推進工程建設提供技術支持并且為今后國內類似隧道工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

西部某山嶺隧道，設計速度80km/h、主隧道凈寬10.25m、凈高5.0m，隧道內橫向采用單面坡，坡率1.5%，上下行分離的兩車道分離式道路，隧道呈近東西向展布。隧道穿越的山體最高海拔高程約為486.5m，左線隧道全長2969m，右線全長約2984m。豎井為圓柱形，半徑為5m，高度為34.8m，連接隧道凈寬6.6m，凈高6.8m。隧道采用礦山法施工，主隧道與連接隧道設計錨桿長4m，間距1.5m，噴混厚度為0.15m，襯砌厚度為0.3m。豎井錨桿長4m，間距1.5m，噴混厚度0.2m。

隧道位于泥巖中，為軟巖，從上至下，覆土依次為粉質粘土，強風化的泥巖。粉質粘土呈褐紅色，可塑，局部硬塑，局部混有圓礫，主要成分為石英質；泥巖的風化面土體呈黑灰色，泥質結構，塊狀構造，碎屑主要由粘土礦物組成。

2 計算參數與模型建立

2.1計算參數

依據地勘提供鉆孔柱狀圖，確定了該深隧道圍巖的初始參數，現將部分物理力學性質相近的土層合并，第一層土為粉質粘土（標記為“土層1”，厚9m）、第二層為強風化泥巖（標記為“土層2”，12.5m）、第三層為中風化泥巖（標記為“土層3”），土層參數見表1。

2.2隧道模型的建立及分析工況

2.2.1有限元模型建立及網格劃分

根據鉆孔資料，確定土層分布，為簡化模型，將部分物理力學性質相近的土層合并，建立如下圖所示的模型，豎井底部至地面34.8m，連接隧道長9.5m，隧道上部根據設計資料按實際尺寸建模。主隧道、連接隧道以及豎井兩兩正交，三者的尺寸和支護設計均按照設計進行。

2.2.2測點布置及分析工況

依據隧道監控量測的相關要求，本次模擬需要監測A（id=2276），B（id=2256）、C（id=43）、D（id=1514）以及E（id=2261）這幾個位置，本文以測點C、D為研究對象，分析正交結構施工過程的圍巖穩定。

本文為研究豎井、連接隧道、主隧道施工對圍巖穩定的影響，以及施工過程中的相互作用，現將模擬的過程分成三個部分，根據隧道施工進尺，每一部分又分為若干階段，具體劃分為豎井施工：S1～S7；連接隧道施工：S8～S11；主隧道施工：S12～S27）。每一個施工階段又分為圍巖開挖、噴混、設置錨桿等步驟。

3 數值計算結果分析

3.1連接處圍巖變形分析

現將三部分施工的各階段測點C、D的z方向位移值繪制在圖2中（負值為向下），測點D的水平位移繪制在圖3中，測點C、D為隧道連接處。

根據圖2可以發現，在開挖豎井的初期階段，測點D在施工階段S1～S7之間出現回彈，在此之后，測點D開始沉降，并在主隧道施工后沉降穩定。而測點C在施工工階段S1～S7之間出現輕微回彈，但是在施工S11之后，呈現急速沉降的趨勢，在施工階段S17之后，逐漸穩定。

對比二者可以發現，連接處在施工的初始階段都會出現卸荷回彈，但是靠近豎井位置的回彈位移更大，隨著施工的推進，測點下部的圍巖開挖，位移由向上轉為向下，這是由于下部巖體的開挖，改變測點的自由面，即約束的改變，巖體向最易卸荷的方向移動。

根據圖3可以發現，在施工階段S7后，位移出現劇增，其后位移緩慢增加，直至穩定。這是由于施工階段S7開挖測點D周圍巖體，測點水平方向出現自由臨空面，巖體向水平方面釋放荷載。

3.2連接處受力分析

為進一步研究正交結構施工的相互影響，現將測點C、D的所受的合外力繪制在圖4中。根據圖4結果，可以發現，測點D在施工階段S1～S4之間，受力維持在68.1KN，此時豎井開挖至距離地面6m處，而在豎井施工至D點后，合外力驟降，豎井施工完成后，合力出現輕微回彈；在連接隧道施工的過程中，測點D受力再次驟降，連接隧道施工完成后，受力再次回彈，主體隧道施工的過程中，對測點D的受力幾乎沒有影響；對于測點C，呈現出和測點D類似的趨勢。

通過以上分析可以發現：空間正交的結構，施工時，只會對相鄰的結構產生影響，而對相隔的結構幾乎無不會影響，在連接隧道施工時，會直接影響到主隧道和豎井的圍巖穩定。

4結語

在開挖過程中，特別是在軟弱圍巖條件下，豎井和連接隧道的穩定性是設計和施工的必須考慮的問題。豎井、連接隧道的開挖打破了巖體內原有的應力平衡，巖體發生形變，釋放荷載，以尋求新的平衡，而主隧道的施工也會對連接隧道產生影響。該文利用有限元軟件（Midas）建立模型，分析空間正交的隧道結構施工過程，通過分析模型的位移，合外力的變化，得出以下結論：

（1）正交結構施工對相鄰結構影響較大，而對非相鄰結構影響較小，即豎井施工對連接隧道影響較大，而連接隧道則會對主隧道和豎井產生影響。

（2）在豎井和連接隧道施工完成后，主隧道在距離連接隧道6m范圍施工時會對豎井和連接隧道產生影響，在之后對豎井和連接隧道影響較小。

參考文獻

[1] 李庶林，毛建華，唐紹輝，等. 基于巖體聲發射參數的豎井圍巖穩定性分析[J]. 中國有色金屬學報，1998（s2）：753-757.

[2] 高成雷，朱永全. 考慮空間效應的大型豎井結構力學行為分析[J]. 西部探礦工程，2005，17（3）：24-125.

[3] 胡偉. 豎井側壓力的計算方法及數值模擬[D]. 長沙：中南大學，2014.

[4] 張繼周，王華敬，劉福勝，等. 靜止土壓力系數的計算方法及影響因素分析[J]. 水利與建筑工程學報，2017，15（1）：43-47.

[5] 李文江，孫明磊，朱永全，等. 軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩定性及其控制技術[J]. 巖石力學與工程學報，2012，31（s1）：2729-2737.

[6] 石鈺鋒. 淺覆軟弱圍巖隧道超前預支護作用機理及工程應用研究[D]. 長沙：中南大學，2014.

[7] 仇文革，李冰天，田明杰，等. 基于現場實測的隧道初期支護受力模式分析[J]. 隧道建設（中英文），2017，37（12）：1508-1517.

[8] 重慶交通科研設計院. 中華人民共和國行業標準 JTG D70-2004：公路隧道設計規范[M]. 人民交通出版社，2004.