破碎巖層淺埋偏壓雙線隧道最優凈距研究

王有旗

（中鐵二十五局集團第五工程有限公司，山東 青島 266100）

引言

在山區隧道進行施工時，小凈距隧道合理凈距的取值在綜合考慮地形地質狀況、隧道斷面情況以及具體隧道施工方案等影響因素情況下，按照所處圍巖等級進行合理取值，總的原則是避免兩洞結構彼此之間產生不利影響。

何珺[1]針對于小凈距隧道在結構非對稱情況下，對隧道圍巖的計算理論、近接施工的影響區范圍等方面進行研究分析。Sweeney 等[2]探究了處在不同位置的兩條隧道之間的互相影響，分析得出施工的先后順序會對隧道的力學特性產生的影響。王起才[3]等對臨近既有隧道處新建隧道開挖運用有限元法模擬，分析隧道凈距對襯砌的影響。袁樹成[4]探究了新建隧道臨近既有隧道施工時對既有隧道的變形規律，分析新建隧道與既有隧道的距離對既有隧道的影響。張如等[5]通過對采用鉆爆法對近距離上跨既有隧道結構的影響進行分析，并提出相應的隧道結構優化措施。杜德持等[6]通過對不同施工順序條件下的小凈距隧道群圍巖穩定性因素進行分析，確定最優施工方案。依托四川峨漢高速公路1-6 分部林家埂隧道進口處圍巖復雜偏壓段工程實例，對復雜偏壓條件下雙線隧道在不同凈距條件下施工時的力學效應進行分析，針對隧道所處V 級圍巖下的不同隧道凈距的優化研究，確保隧道圍巖的穩定性，同時為類似條件下的山區大斷面淺埋偏壓雙線隧道工程提供有益借鑒和參考。

1 工程概況及模型建立

擬建林家埂隧道位于峨邊縣新場鄉長虹村，該隧道為雙線穿山隧道，洞軸線均為弧線形，隧道長度為1 526 m，隧址區地貌上屬構造剝蝕低中山地貌，進口端位于低中山陡坡地段橫坡50～60°，局部陡坎狀，出口端位于低中山斜坡地段，橫坡20～30°。林家埂隧道地形極為復雜，并且隧道出口段為松散堆積層，堆積層松散，自穩力差，厚度大，且存在較大偏壓現象，兩隧道間距離極其小，施工過程中容易互相影響，施工過程中容易產生塌方、冒頂風險。

根據現場獲取林家梗隧道施工資料，采用有限元軟件Midas 對不同凈距條件下艱險山區“V”形溝谷復雜偏壓雙線隧道進行建模分析，擬通過設置不同的隧道凈距，來模擬偏壓情況下隧道施工時圍巖變化規律，部分隧道模型見圖1。隧道斷面寬度為12.3 m，隧道實際凈距為9 m，由于偏壓作用，隧道埋深為16 m，模型尺寸長100 m，寬30 m。

圖1 不同凈距條件下部分數值分析模型

林家埂隧道洞口段圍巖巖性以中風化灰巖為主，圍巖等級為V 級。圍巖材料參數依據地質報告選取。噴混標號采用C25，厚度為35 cm，二次襯砌采用標號為C30 鋼筋砼拱墻和仰拱，厚度為50 cm，具體力學參數見表1。

表1 圍巖及支護結構材料參數

數值分析采用摩爾-庫倫本構模型，初支采用實體單元進行分析，通過采用同一斷面形式對0.2B、0.4B、0.6B、0.8B、1.0B（B 為隧道凈距）五種工況進行模擬，施工工法為上下臺階施工，按照工程實際施工順序采用右洞先行、左洞后行的方式進行開挖。為了研究不同工況條件下隧道施工過程中圍巖穩定性，同時為了便于隧道各部位進行分析，對左右兩線隧道各設置27個監測點進行監測。

2 不同凈距條件下圍巖塑性應變特征

圍巖塑性區發展情況是衡量圍巖是否處于穩定狀態的重要指標之一[3]，隧道間距較小，施工時相互影響就較大，隧道的開挖不可避免會使圍巖出現塑性區，圍巖承載能力及穩定性明顯下降，其中隧道中間巖層是否穩定是隧道安全的關鍵，因此開展艱險山區溝谷處復雜偏壓雙線隧道圍巖塑性應變的研究極為重要。

為了進一步研究確定隧道合理凈距范圍，對不同凈距下隧道圍巖塑性區分布情況進行對比，分析得出凈距大小與圍巖塑性區分布的變化關系[4]。從圖2 中可以看出，當隧道凈距D＜0.6 B 時，隨著凈距的不斷減小，艱險山區溝谷復雜偏壓雙線隧道的最大塑性應變值斜率變化最大，數值增大非常迅速，在該凈距區間內中夾巖塑性區貫通，此時該區間內凈距對塑性發展影響比較大；當隧道凈距D≥0.6 B 時，隨著凈距的不斷增大，艱險山區溝谷復雜偏壓雙線隧道的最大塑性應變值斜率變化平緩，此時該區間內凈距對塑性區發展影響逐漸減弱。從以上對艱險山區溝谷復雜偏壓雙線隧道塑性區分布中可以看出，隧道僅在常規支護情況下，要保證隧道的安全，則隧道合理凈距應取D≥0.6 B，若隧道凈距D 小于0.6 B 則隧道開挖后中間巖柱將會處于不穩定的狀態，考慮實際情況當凈距D=0.8 B 及以后取值時，塑性應變值趨于穩定，故隧道最小合理凈距應取D=0.8 B。

圖2 最大塑性應變值隨凈距的變化曲線

3 圍巖位移與關鍵點應力分析

3.1 豎向位移

根據不同的隧道凈距，繪制了凈距D=0.2 B、D=0.4 B、D=0.6 B、D=0.8 B、D=1.0 B、D=1.5 B、D=2.0B共7 種工況下隧道左右洞周控制點豎向位移曲線，圖3 為林家埂隧道在凈距D=0.6 B 條件下，后行洞（左洞）施工對先行洞（右洞）在水平位移方面的影響曲線圖。

圖3 凈距0.6 B 下后行洞對先行洞豎向位移影響曲線

由圖3 分析可知，在實際右洞先行、左洞后行的工況下，1 號和15 號洞周控制點附近豎向位移最大，8號控制點和21 號控制點附近的豎向位移最小且接近零，由此可以看出，在隧道開挖過程中，最大沉降值的位置發生在拱頂附近，最大隆起值的位置發生在拱底附近；左洞右側拱頂處控制點豎向位移大于左側拱頂處控制點豎向位移，右洞左側拱頂處控制點豎向位移大于右側拱頂處控制點豎向位移，拱腰處的豎向位移與先行單洞開挖時拱腰處的豎向位移差距較小，綜合來看小凈距隧道開挖豎向位移主要在拱頂和拱底處發生疊加。

由圖4 可知，當凈距D＜0.2 B 時，中夾巖豎向位移較大且增幅較大，此時中夾巖容易發生破壞；當凈距0.2 B≤D＜0.6 B 時，隨著凈距不斷變小，隧道拱頂和拱底附近豎向位移不斷變大，特別是左側后行洞右部拱頂和右側后行洞左部拱頂附近的豎向位移斜率變化較大，增大比較明顯，此時凈距因素對其影響較大；當凈距D≥0.6 B 時，隨著凈距的不斷變大，中夾巖上部豎向位移變化比較平穩，且接近右側先行洞開挖時的拱頂豎向位移，此時凈距對其影響變小，凈距D=0.8 B 及以后取值時，豎向位移變化趨于穩定，所以認為凈距D=0.8 B 為該條件下的合理凈距。

圖4 不同凈距下隧道控制點豎向位移變化曲線

綜上所述，通過分析艱險山區溝谷偏壓雙線隧道開挖過程中洞周控制點水平、豎向位移，該條件下的小凈距隧道開挖的合理凈距為凈距D=0.8 B。

3.2 圍巖特征點應力分析

根據上述結果分析，中夾巖處在隧道開挖時會產生應力集中現象，因此在中夾巖中軸線的不同深度處設置了11 個應力監測點，對比分析中夾巖處隧道位移影響，見圖5。通過分析不同凈距下中夾巖控制點應力變化曲線可以看出，隨著凈距不斷增大，中夾巖控制點應力不斷減小；由曲線可以直觀的看出控制點4～8，即拱腰至拱腳的位置中夾巖應力增大顯著，特別是當凈距D＜0.8 B 時，應力變化率最大，控制點6 為最大應力出現的位置，即拱腰處最為薄弱。不同凈距下中夾巖控制點最大等效應力值分別為1.48、0.62、0.41、0.36、0.33。可以看出，隨著凈距不斷增大，中夾巖控制點最大等效應力不斷減小，當凈距當凈距D＜0.2 B 時，中夾巖附近應力較為集中且數值偏大，將會導致中夾巖發生破壞；當凈距0.2 B≤D＜0.6 B 時，最大等效應力變化率最大，所以此時凈距對其影響也非常大；當凈距D≥0.6 B 時，中夾巖控制點最大等效應力值隨凈距變化較為平緩，此時凈距因素對其影響減小。

圖5 不同凈距下中夾巖控制點應力變化曲線

4 結論

以林家梗隧道為工程背景，通過數值模擬分析艱險山區復雜偏壓條件下不同凈距雙線隧道的施工過程，通過對V 級圍巖條件下的隧道洞周關鍵點位移、應力以及塑性區分布進行對比分析，得到以下結論。

（1） 隧道開挖后洞周圍巖的豎向位移隨著凈距的減小而不斷增大，位移在拱腰位置處最大，拱頂和拱底的豎向位移最大，且最大值都出現在中巖墻處。

（2） 根據對不同凈距條件下隧道圍巖豎向位移的分析可以看出，位移值在凈距為0.6 B 時發生突變，洞周圍巖的應力隨著凈距的減小而不斷增大，最大值出現在中巖墻拱腳位置處，兩隧道間應力隨凈距的不斷增大二增大，在凈距為0.6 B 時發生突變。

（3） 圍巖的最大塑性應變隨著凈距的減小而不斷增大，最大塑性應變隨著凈距的變化，在凈距D=0.6 B 時最大塑性應變值發生突變。綜合以上角度分析，最終認為凈距D=0.6 B 為艱險山區復雜偏壓雙線隧道合理凈距值。