淺埋大斷面分岔隧道中夾巖柱穩定性數值模擬研究

郭志玉

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西西安 710024）

0 引言

大斷面分岔隧道作為隧道結構的一種特殊形式，具有一定特點。一般情況下，隧道呈“Y”型分布，同時具有大跨度段、超大跨度段、連拱段、小凈距段、分離段等多個部位[1-4]。在連拱段和小凈距段，兩隧道之間的中夾巖柱厚度較薄，在上部荷載的作用下容易產生屈服和破壞，是大斷面分叉隧道設計和施工的重點和難點，因此有必要做進一步研究。

唐陶文等[5]基于分岔隧道小凈距段平衡拱的2 種極限情況，結合普氏理論推導分岔隧道中夾巖柱的圍巖壓力表達式。賀鵬等[6]以裂隙擴展破碎區貫通與否作為中夾巖柱穩定性的評定依據，分別針對無錨、有錨支護條件下的圍巖穩定性狀況及變形特征進行了對比分析。吳德興等[7]認為中夾巖柱受力狀態控制的關鍵位置為先行洞的外側拱腳區域及后行洞開挖期間先行洞外側拱腳至墻腳及后行洞內側拱腳至墻腳區域。王夢楠等[8]采用分離式霍普金森壓桿試驗、場振速及聲速監測等研究了爆破對中夾巖柱的影響。雷圣偲[9]認為淺埋小凈距隧道中夾巖柱的“支點”效應較為明顯，深埋小凈距隧道中夾巖柱被包圍在壓力拱下“支點”效應被弱化。劉佳[10]結合工程實例，針對受力薄弱的中夾巖柱部位提出有效的加固措施。李軍[11]研究中空注漿錨桿長度變化對中夾巖及隧道穩定性的影響，得到合理加固參數。此外，還存在不少類似研究[12-19]，但是針對淺埋大斷面分岔隧道中夾巖柱穩定性分析尚有不足之處，例如對隧道分步開挖過程中夾巖柱應力轉化過程的認識還不是特別清楚，中夾巖柱巖體的破壞模式沒有詳細的分類等，因此需要對中夾巖柱進行更深入的研究。

本文以重慶市曾家巖北延伸穿越跨內環新增通道工程火鳳山隧道為工程背景，對超大斷面分叉隧道不同厚度的中間巖柱進行了數值模擬研究，對中夾巖柱兩側隧道圍巖變形，中夾巖柱壓應力、剪應力等進行了具體分析，并將計算結果與現場監測結果進行了對比。

1 工程概況

重慶市曾家巖北延伸穿越跨內環新增通道工程火鳳山隧道左線ZK4+340.332 至ZK4+440.507、右線YK3+962.470 至YK4+108.278 段屬于“大跨+超小凈距區”，如圖1 所示。以該隧道左線為例，大斷面分叉區包括以下幾個斷面：14.45m 標準段斷面、17.45m加寬段斷面、20m 加寬段斷面、25m 加寬段斷面、連接線段斷面等五個斷面，每個斷面的支護參數與開挖跨度等如表1所示[20]。分叉段左右兩側分別為14.45m 標準段和連接線，靠近25m 加寬段一側的中夾巖柱最薄，寬度為1m。

圖1 左線隧道分叉示意圖

表1 隧道支護參數表

該工程左線ZK4+370 ～ZK4+430 的圍巖劃分等級為Ⅳ級。隧道圍巖以泥巖為主，中風化，節理裂隙較發育，巖體破碎多呈碎石狀碎裂結構，為淺埋隧道。巖體富水性弱，開挖時可能存在較小量的滴水、滲水等現象。巖體自穩能力差，開挖時不及時支護或支護（處理）不當易產生較大規模的坍塌，側壁穩定性差。BQ 修正值：272.75。其中，25m 加寬段拱頂至地面的距離只有11.4m。

根據施工計劃，該分叉隧道掘進方向如圖2 所示，具體順序為：（1）14.45m 標準段左側單側壁導坑施工；（2）橫向導洞轉角處施工；（3）橫導洞施工；（4）14.45m 標準段右側壁導坑施工；（5）25m 加寬段與20m 加寬段左側導坑施工；（6）17.45m 加寬段左側導坑施工；（7）17.45m 加寬段右側導坑施工；（8）17.45m 加寬段隧道施工。在上述施工過程中，全部采用非爆開挖。

圖2 隧道掘進方向示意圖

2 計算參數反演與計算模型

2.1 E 值反演及計算參數

地勘資料顯示圍巖為Ⅳ級，圍巖參數如表2 所示。表2 中的數據為現場取樣與室內試驗的理論值，沒有考慮圍巖結構面以及開挖過程中的損傷與劣化，因此本文首先基于已開挖并趨于穩定的某區段位移監測數據，對圍巖參數進行反演分析。相關研究表明[11]彈性模量E敏感性明顯比其它三個參數高得多，因此本文將彈性模量E作為位移反分析的反演參數。

反演借助有限差分 軟 件FLAC 3D 且 采用M-C 模型，共計算三次，在這三次過程中除改變E值外，其余參數均按表2 所示。三次計算所采用的的E值分別為：E1=1630MPa；E2=815MPa；E3=407.5MPa。

表2 地勘參數

當彈性模量E分別為E1、E2、E3時， 圍 巖 的豎向位移分別為3.2mm、6.4mm、13mm。根據現場監測數據顯示，反演段隧道圍巖最終的豎向沉降為13.2mm。因此本次計算采用的彈性模量E為407.5MPa。

2.2 計算模型

本次計算模型見圖3，整個三維計算模型尺寸為：130m（x方向）×60m（z 方向）×72m（y 方向）。巖土屈服條件采用Mohr-Coulomb 屈服準則。隧道初期支護采用實體單元，臨時支護采用結構單元shell。模型開挖過程中的掘進方向如圖2 所示。為簡化計算，將錨桿與圍巖的彈性模量、強度參數進行折合，將鋼支撐與初期支護的彈性模量進行折合[21]，各個斷面的開挖方式及支護參數見表1。

圖3 計算模型

本次計算分析共選取4 個斷面來分析不同厚度下中夾巖柱的變形與應力，如表3 所示。

表3 不同工況下中夾巖柱厚度（m）

3 計算結果

3.1 中夾巖柱上部圍巖沉降變形分析

通過模擬計算得出斷面Ⅰ—斷面Ⅳ中圍巖豎向位移均在1.8 ～2.0cm 之間，斷面Ⅰ處的圍巖豎向位移分布云圖見圖4。由于隧道埋深較淺，屬于淺埋隧道，隧道開挖導致的地表沉降值也相對較大，最大值達到1.24cm。當兩隧道之間的中夾巖柱厚度較薄時，連接線與14.45m 標準段的拱頂圍巖豎向沉降均較大，如圖4 斷面Ⅰ所示，標準段的拱頂圍巖豎向沉降為1.9cm，連接線的拱頂圍巖沉降為1.26cm。隨著中夾巖柱厚度的增加，連接線拱頂圍巖豎向沉降值明顯減小，標準段拱頂圍巖豎向沉降值變化不大，當中夾巖柱厚度達到5m 以上時，兩隧道之間的進階效應明顯降低，圍巖沉降主要集中在標準段隧道上方。

圖4 中夾巖柱上部圍巖豎向沉降分布圖（斷面Ⅰ）

3.2 中夾巖柱巖體豎向應力分析

分別計算分叉段隧道中夾巖柱的圍巖豎向應力，如圖5 所示。當中夾巖柱厚度較小時，兩隧道拱腰間的圍巖豎向應力達到5.5MPa。由于前方大斷面隧道的存在，使得連接線拱頂上方圍巖豎向應力均較大（大斷面投影范圍內），平均值達到2.0MPa。隨著中夾巖柱厚度的增加，連接線拱頂上方圍巖豎向應力值逐漸下降，當中夾巖柱厚度達到2.5m 時（斷面Ⅱ），連接線拱頂上方圍巖豎向應力值恢復常規分布狀態。

圖5 中夾巖柱上部圍巖豎向應力分布圖（斷面Ⅱ）

當中夾巖柱厚度在2.5 ～4.0m 時（斷面Ⅱ與斷面Ⅲ），圍巖豎向應力約為3.5MPa 左右，當中夾巖柱厚度達到5m 以上時，圍巖豎向應力約為2.5MPa 左右，兩隧道之間的近接效應明顯降低。

3.3 中夾巖柱巖體剪應力分析

同時計算分叉段隧道中夾巖柱各斷面的圍巖剪應力。斷面Ⅰ時，中夾巖柱由于厚度較薄，受力形式較為復雜，平均剪應力也較大，達到了3.0MPa，如圖6 所示。此外連接線上部的圍巖剪應力也明顯大于其他三種工況，平均值為2.15MPa。隨著中夾巖柱厚度的增大，該部位圍巖剪應力逐漸降低，兩隧道之間的近接效應逐漸減小，當兩隧道之間的凈距達到5m 以上時，該部位圍巖剪應力降低到1.4MPa 左右。

圖6 中夾巖柱上部圍巖剪應力分布圖（斷面Ⅰ）

3.4 初期支護最小主應力

計算分叉段兩隧道的初期支護最小主應力，斷面Ⅱ處的初期支護最小主應力如圖7 所示。連接線初期支護最小主應力值較大的部位主要位于右側拱腰與左側拱肩處，兩處最小主應力值分別為5.8MPa、4.7MPa；14.45m 標準段初期支護最小主應力值較大的部位位于兩側拱腰處，為3.86MPa。因此連接線隧道的初期支護整體上在兩側拱腰處受到了較為明顯的偏壓作用，有可能會造成一定程度的變形，施工過程中必須加強監測。

圖7 初期支護最小主應力（斷面Ⅱ）

標準段隧道的初期支護整體上受力較為均勻，每種工況下的兩側拱腰最小主應力相差不大。

4 圍巖監測數據對比分析

從現場監測數據分析得到：兩隧道中夾巖柱厚度為1.0m 時，標準段隧道圍巖拱頂最大沉降值為1.95cm，連接線隧道圍巖拱頂最大豎向位移為1.17cm；兩隧道中夾巖柱厚度為3.0m 時，標準段隧道圍巖拱頂最大沉降值為1.88cm，連接線隧道圍巖拱頂最大豎向位移為1.04cm。將此監測數據與本文模擬計算數據進行對比分析，得到模擬結果與計算結果吻合較好，符合工程實際。

5 結論

本文首先對隧道變形影響較大的彈性模量E 進行反演分析，然后借助FLAC 3D 有限差分軟件對大斷面分叉隧道的中夾巖柱上部圍巖變形、巖柱應力、初期支護等進行了分析，得出了以下結論：

（1）中間巖柱厚度較薄時，兩隧道拱頂圍巖沉降均較大，隨著巖柱厚度的增大，上部圍巖沉降偏向標準段隧道；

（2）中間巖柱厚度越薄，開挖造成的巖柱豎向應力越大，隨著巖柱厚度的增大，巖體豎向應力逐漸降低，當其厚度增大至5m 以上時，兩隧道之間的近接效應逐漸降低；

（3）中間巖柱厚度較薄時，巖柱巖體剪應力較大，且由于施工轉換的原因，連接線上方的巖體剪應力值同樣較大，當巖柱厚度達到3m 以上時，此現象逐漸消失；

（4）由于存在近接效應且中夾巖柱厚度較薄，使得連接線隧道的初期支護左、右兩側拱腰最小主應力相差較大，存在明顯的偏壓現象，當巖柱厚度達到5m 以上時，偏壓現象逐漸減弱。