軟巖地段正洞、平導開挖擾動效應及之間合理距離研究*

彭學軍，鄧皇適，龍勇平，李一萍

（1.中鐵五局集團第一工程處有限公司，湖南 長沙 410031；2.中南大學，湖南 長沙 410075）

導洞與正洞的凈距影響導洞與正洞的安全和穩定。而導洞與正洞的距離越遠，卸荷作用效果越低，且大大增加了工程造價。因此，確定導洞與正洞的合理距離十分重要。

1 大坪山隧道鐵路主要技術標準

成昆鐵路大坪山隧道起訖里程為DK217+560～DK228+904，正線長11344m，進口緊鄰白沙河雙線大橋，出口緊鄰新林官料河雙線大橋，鐵路級別及具體技術標準如表1所示。全隧共設1座平導、2座橫洞，全長依次為5345.404m、930m、510m。隧道地質情況復雜，山體坡度陡，巖層陡傾，進口段為低瓦斯隧道工區，隧道洞身局部段落巖溶發育、節理裂隙發育，施工過程中易發生涌水、突泥、坍塌掉塊現象。該隧道發育紅花溪向斜及5條斷裂構造。隧道地質構造復雜，其中正洞Ⅲ級圍巖長4185m、Ⅳ級圍巖長6365m、Ⅴ級圍巖長766m，分別占隧道總長的36.9%、56.1%、6.8%；輔助導坑Ⅲ級圍巖長2438.404m、Ⅳ級圍巖長3645m、Ⅴ級圍巖長702m，分別占隧道總長的35.9%、53.7%、10.3%。平導開挖資料如表2、表3所示。大坪山隧道導洞與正洞之間的橫通道呈45°斜交，橫通道的長度可以根據導洞與正洞之間的距離得到，約為導洞與正洞距離的1.8倍；橫通道的造價與導洞的造價基本相同。

2 數值模擬計算

根據上節所述，研究導洞與正洞之間最合理凈距應從隧道受力變形以及工程造價兩個方面進行。平行導洞的作用主要是改善正洞受力，為此，上述指標因素受力情況的數據值主要針對正洞的受力情況。根據大坪山隧道設計，平行導洞采用臺階法開挖，正洞采用三臺階法開挖，平行導洞與正洞間距為30m，平行導洞開挖超前正洞開挖40m。通過已計算所得的地應力場，構建了平行導洞與正洞同時存在的數值計算模型。模型通過外部建模軟件Rhino 6進行建模，再轉化為FLAC3D 6.0網格文件，共有193860個節點、1140910個單元體、276個單元組，如圖1所示。

表1 大坪山隧道鐵路主要技術標準

數值計算模型大小：水平長度為80m，高度為50m，隧道頂部為30m，隧道底部為20m，沿隧道開挖方向取75m。模型邊界條件：約束前后左右及底面5個面的法向位移，上表面取為自由表面，同時在兩側施加原始地應力。數值模擬計算步驟：（1）對模型材料賦予約束數值計算模型的邊界條件。（2）在初始地應力條件下對模型進行初始地應力的平衡。（3）采用兩臺階法開挖導洞。數值模擬中，每開挖步的步長取10000s，約3h；初期支護及襯砌施作時長取6000s，約2h。導洞先超前開挖40m，隨后導洞與正洞同時開挖，開挖時長與導洞開挖時長一致。（4）結果分析。為了得到不同情況下平行導洞開挖對正洞的影響，構建了不同工況下的對比分析表，如表4所示。

表2 大坪山隧道開挖長度及支護材料統計表

分別對上述六種工況進行計算，得到工況一～工況四應力結果如圖2～圖5所示。工況五及工況六得到的數值計算結果與工況三的差別較小，因此不放入數值計算云圖，其計算結果將在后續曲線圖中進行對比和分析。

表3 大坪山隧道開挖及支護每延米價格統計表

圖1 數值計算模型圖

表4 工況對比分析表 單位：m

3 數值模擬計算結果分析

從上述數值模擬計算結果可以看出，對比無導洞段，正洞拱頂沉降明顯減小，且隨著導洞與正洞之間的距離逐漸減小，拱頂沉降下降幅度逐漸增大。這同時也證明了導洞對正洞的卸荷效應隨著距離的縮短而增強的機理。

拱頂沉降曲線圖如圖6所示。從圖6可以看出，工況一～工況四中，距離增加相同幅度，但沉降上升幅度越來越大，說明平行導洞的卸荷效應下降幅度遠超距離增加的程度。對比工況三、工況五和工況六可以看出，隨著平行導洞超前掘進距離增加，其拱頂沉降越小，導致這一規律產生的主要原因是平行導洞超前開挖將進一步降低隧道正洞開挖前方的荷載，從而引起更小的沉降，說明平行導洞超前掘進距離對平行導洞的卸荷效應影響較小。

側收斂規律與拱頂沉降規律基本一致，不同工況下拱側收斂圖如圖7所示。拱側收斂值大小與平行導洞和正洞之間的距離有密切的關系，且從云圖中可以看出，拱側收斂值不是對稱分布的，在靠近平行導洞的一側，其水平收斂值明顯小于遠離平行導洞的一側。這說明平行導洞一側對近側的卸荷效應更加明顯。同樣，平行導洞超前開挖距離對拱側收斂值的影響較小。

不同工況下初支最大剪力和最大應力圖分別如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，初支的最大應力變化規律與拱頂沉降和拱側收斂的變化規律也大致相同，但最大應力受到平行導洞超前開挖距離的影響較大，變化幅度較大。在以水平構造應力為主導的高地應力場環境下，由于導洞的開挖，使得水平方向較豎直方向釋放了更多的應力，直觀地體現在導洞周圍水平方向應力降低；而豎直方向，在圍巖附近應力是先增大后減小（整體上表現為應力的降低）。隨著遠離導洞的豎直方向上相繼出現了應力增加區和應力遞減區，這表明了圍巖應力向巖體深部進行了轉移，這在水平方向上也有所體現，但相比豎直方向并不明顯。

圖2 工況一應力結果

圖3 工況二應力結果

圖4 工況三應力結果

圖5 工況四應力結果圖

圖6 拱頂沉降曲線圖

圖7 不同工況拱側收斂圖

從拱頂沉降、拱側收斂以及初支應力情況來看，平行導洞與正洞的距離越小，其卸荷效果對正洞開挖的保護作用越明顯。但是從數值分析的云圖中可以看到，雖然兩者越近卸壓效果越好，但當平行導洞與正洞距離d=10m時，中夾巖柱塑性區連通，幾乎布滿整個巖柱，表明中夾巖柱已基本上沒有發揮任何作用，土體完全被破壞，也就說明導洞的開挖將會嚴重影響正洞開挖時的穩定性，導致其難以成洞；當凈距d=20m時，中夾巖柱的塑性區已經明顯減少，但存在的連通區域對隧道圍巖穩定性還是存在一定的危險性；當凈距d=30m時，可看出塑性破壞區域不再相交，說明導洞與正洞的隧道圍巖較為穩定。如果把塑性區是否連通作為選擇凈距的原則，那么平行導洞與正洞之間的距離必須大于20m，才能保持平行導洞與正洞之間巖柱不被破壞，不會引起隧道正洞開挖時不穩定。

4 正、導洞間距合理性分析

數值模擬計算得到正洞變形及受力數據如表5所示。

基于表5，在不考慮巖柱塑性區的連通情況下，平行導洞與正洞的距離越近，其綜合權重越大，說明此時的經濟和受力性越好；在考慮了巖柱塑性區連通情況下，平行導洞與正洞的距離大于30m且小于40m的距離為最優距離。

圖8 不同工況最大剪力圖

圖9 不同工況最大應力圖

表5 數值模擬計算結果表

5 結束語

文章基于FLAC3D 6.0，建立了大坪山平行導洞與正洞開挖的數值計算模型，分析了平行導洞開挖對正洞的影響。研究表明，平行導洞與正洞距離越近，平行導洞的卸荷效應越明顯，正洞拱頂沉降、拱側收斂以及初支受力都大幅度減小。在考慮巖柱塑性區連通情況下，平行導洞與正洞的距離大于30m且小于40m的距離為最優距離。