陡傾結構面下小凈距隧道開挖中間巖體受力分析

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

責任編輯/曹晶磊 美術編輯/王德本

在山區公路、鐵路隧道工程施工中，由于地形及用地的限制，小凈距隧道被采用的越來越多。山區地帶在地殼運動及地應力的長期作用下，常存在復雜結構面切割地層的情況，結構面是隧道施工中的難題之一。結構面的存在導致圍巖完整性差，影響圍巖的工作性能，隧道開挖時還可能出現楔形體，導致嚴重事故。

目前，在小凈距隧道研究中，對存在多組結構面下小凈距隧道施工中間巖體受力特性研究的文獻尚少。中間巖體在小凈距隧道中起著至關重要的作用。因此，對其進行受力分析十分必要。本文依托貴州某隧道工程，采用有限元軟件模擬了陡傾結構面存在情況下，小凈距隧道施工過程對中間巖體的位移、塑性區等特征，并進行了分析。

一、建立Midas GTS模型

（一）工程概況

隧道位于云貴高原向廣西丘陵過度的斜坡地帶，地形起伏大，橫穿高山，路線沿線海拔565.6m～887.5m，相對高差311.5m，隧道軸線通過段地勢較陡，圍巖組成為中風化中厚層狀泥質灰巖，局部夾有泥質粉砂巖，巖體節理一般發育，巖體完整程度為較破碎、較完整，呈中薄層狀結構，圍巖自穩能力差。隧道區存在的地下水為溶隙水、基巖裂隙水。隧道發育兩組較為明顯的節理，其產狀分別為315°∠83°、47°∠68°。本文采用Midas GTS有限元軟件進行數值模型計算。

（二）材料選取

隧道模擬施工中將右洞設置為先行洞，兩洞掌子面之間距離為30m。隧道襯砌工字鋼按結構的抗壓強度等效原則，將其剛度折算到噴射混凝土的彈性模量中，折算計算公式如下：

其中：E為折算后的噴射混凝土彈性模量；E0為混凝土初始彈性模量；SG為工字鋼橫截面面積；EG為工字鋼彈性模量；SC為單位長度下初期支護的橫截面面積。

（三）建立模型

隧道去巖層被節理裂隙切割，建模時將兩組主要節理在模型中通過接觸面的形式設計。為了研究陡傾結構面存在的隧道中，不同設計凈距對隧道中間巖體的影響，設計了三個工況，分別建立了分析模型，對隧道中間巖體的水平位移、塑性區分析。隧道的凈距L分別設置成0.5D、D、1.5D（D為隧道寬度），如圖1所示。

圖1 隧道凈距

根據規范及前人的研究，模型的大小應大于隧道施工時的影響范圍，隧道的邊界到中心距離應為隧道直徑的3倍～5倍。因此，將隧道中心到底邊的距離設計為3倍直徑，將隧道兩側邊及頂面至隧道中心的距離設計為隧道直徑的4倍。由該隧道的設計圖，隧道的直徑為12m。因此，隧道模型的尺寸設計為100×30×120m。

二、結果分析

（一）水平位移分析

根據三種工況模擬下計算結果水平位移云圖分析可知，三種工況施工中，0.5D凈距工況下中間巖體產生的水平位移最大，且產生水平位移的范圍最大。1.5D凈距中產生的水平位移最小，且分布范圍最小。當隧道凈距為0.5D時，最大位移在兩隧道中間巖體側拱腳處，為19.6mm；靠近中間巖體側拱肩位置水平位移也較大，其水平位移值為14.4mm。水平位移關于中間巖體中心線大體對稱。隧道凈距為D時，隧道的水平位移最大值在中間巖體側拱肩位置，為13.8mm。隧道凈距為1.5D時，其位移值相對于0.5D、D凈距要小得多，最大值為10.3mm。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，在結構面存在的情況下，隧道凈距越小，中間巖體所產生的水平位移越大，兩洞分別在中間巖體上產生的位移區越可能重合，位移區重合說明中間巖體塑性區貫通，對施工安全會造成極大的威脅。

（二）豎直位移分析

分析結果豎直位移云圖可知，各種工況下發生垂直位移最大的區域位于隧道拱頂和隧道底部。在0.5D凈距中，隧道頂部位移區域較小，但位移數值大的區域集中；在D凈距中，最大沉降也發生在拱頂，拱頂也形成了明顯的位移區，但與0.5D凈距相比要小很多。在1.5D凈距中，位移區較前兩種工況又小很多。三種工況下中間巖體豎向位移均較小，因中間巖體受壓，而巖石彈性模量大，變形小。

（三）塑性區分析

三種凈距工況的塑性區云圖分別如圖2、圖3、圖4所示，從塑性區云圖可以看出，0.5D凈距中兩隧道塑性區已經貫通，塑性區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，隧道周圍的塑性區沿洞徑呈由大減小的趨勢。而在D、1.5D凈距中，沒有塑性區貫通現象，但同樣頂部與底部塑性區分布面積較大。因此，隧道開挖中，凈距的大小對塑性區范圍的形成有很大的影響。

綜上分析可知，在陡傾結構面存在的情況下，小凈距施工中，需要采取工程措施控制隧道中間巖體變形，凈距越小時，所采取的工程措施強度應越高，以防止隧道圍巖變形過大導致圍巖失穩。

圖2 0.5D凈距塑性區

圖3 D凈距塑性區

圖4 1.5D凈距塑性區

三、結語

本文采用Midas GTS有限元軟件對存在陡傾結構面下小凈距隧道的中間巖體在不同凈距下進行了模擬分析。總結了中間巖體位移及塑性區隨凈距的變化規律。中間巖體的水平位移與豎直位移均隨凈距的減小而增大，在0.5D下產生的水平位移最大，在中間巖體拱腳處，最大值為19.6mm；三種工況下垂直位移最大的區域均位于隧道頂部和底部，0.5D下，隧道頂部和底部的位移均大于D、1.5D的情況；凈距越小時，兩隧道中間巖體的塑性區越容易出現交匯貫通；陡傾結構存在的地層中小凈距隧道位移及塑性區受凈距的影響很大，凈距越小，中間巖體塑性區越容易發生交匯，從而貫通，將會對隧道的施工安全及后期應為造成嚴重的威脅。因此，小凈距隧道施工時應考慮中間巖體的加固問題。