基于Hoek－Brown準(zhǔn)則的小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

石 光

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300451）

在我國(guó)山區(qū)高速公路選線設(shè)計(jì)時(shí)，由于地形條件的限制，往往較少應(yīng)用上、下行隧道，而連拱隧道由于工程造價(jià)高、施工難度比較大、施工周期長(zhǎng)，因此公路隧道的設(shè)計(jì)形式仍主要以雙線隧道為主.人們也在努力去設(shè)計(jì)另外更能符合實(shí)際情況的隧道形式，這就是小凈距隧道［1－4］.設(shè)計(jì)中對(duì)最小凈距條件及圍巖穩(wěn)定性提出更高的要求.

在小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性研究方面，韓同春等［5］針對(duì)雷公浦小凈距隧道后行左洞洞口段具有半硬巖層半軟巖層的特點(diǎn)，在開(kāi)挖過(guò)程中，按照新奧法對(duì)隧道地表沉降、拱頂下沉、水平收斂、中間巖柱的位移、錨桿軸力、圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)；林從謀等［6］研究了高速公路擴(kuò)建大斷面特小凈距隧道爆破穩(wěn)定控制技術(shù)；K.WLo［7］等作了多隧道相互影響的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)；唐儀興［8］等對(duì)京珠國(guó)道沿線近距離雙隧道開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程，使用平面和三維粘彈塑性有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析對(duì)比了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形及塑性、受拉區(qū)的演化狀況，對(duì)圍巖—支護(hù)體系的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，用數(shù)值分析方法提出了雙洞間距壓縮的可能性.可見(jiàn)，在小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性計(jì)算方面已經(jīng)有了一定的進(jìn)展，但是，在圍巖力學(xué)參數(shù)合理選取及圍巖峰后力學(xué)行為等方面仍被忽視，這將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程有一定的誤差.

本文以 Hoek－Brown準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，對(duì)小凈距隧道在不同圍巖級(jí)別、不同覆蓋層厚度、中間巖柱僅施做初期支護(hù)條件下進(jìn)行數(shù)值分析，得出兩相鄰隧道安全凈距的臨界值，以及在不同圍巖、覆蓋層厚度、凈距大小的條件下，隧道模型關(guān)鍵位置點(diǎn)的位移、應(yīng)力與應(yīng)變的變化情況，判斷中間巖柱的破壞位置、機(jī)理等，計(jì)算結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程具有一定指導(dǎo)意義.

1 隧道凈距與施工方案的確定

1.1 隧道凈距的確定

小凈距隧道的中間巖柱穩(wěn)定性是衡量小凈距隧道凈距取舍是否合理的主要指標(biāo)［9］.通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)證明，施工方法和埋深對(duì)中間巖柱穩(wěn)定性的影響是次要的，圍巖級(jí)別一旦確定，凈距就成為影響中間巖柱穩(wěn)定的主要因素.如果凈距的取值小于合理值，中間巖柱就會(huì)破壞，雙洞就會(huì)形成聯(lián)合落拱，給工程帶來(lái)嚴(yán)重的損失.所以在選擇凈距大小時(shí)應(yīng)慎重，對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖，凈距大于0.3B時(shí)雙洞基本穩(wěn)定，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，凈距應(yīng)在0.35～0.45B范圍之間，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，小凈距選取的合理范圍應(yīng)在0.75B左右［10］.本文主要研究Ⅴ級(jí)圍巖情況下，小凈距隧道中間巖柱穩(wěn)定性情況.

1.2 施工方案的擬定

在考慮圍巖的穩(wěn)定性與自承能力等方面，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階和側(cè)壁導(dǎo)洞組合法，如圖1所示.該方法能夠確保掌子面的穩(wěn)定，有效控制隧道周邊圍巖的松動(dòng)范圍.由于Ⅴ級(jí)圍巖的穩(wěn)定性較差，所以采用側(cè)壁導(dǎo)洞與臺(tái)階法相結(jié)合，能夠?qū)绊攪鷰r及時(shí)支護(hù)，更加安全，但是施工比較繁瑣，進(jìn)度比較緩慢.

圖1 隧道開(kāi)挖支護(hù)順序Fig.1 Order of tunnel excavation and support

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 Hoek－Brown屈服準(zhǔn)則

Hoek和Brown基于Griffith的脆性斷裂理論，通過(guò)室內(nèi)巖石三軸試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了Hoek－Brown屈服準(zhǔn)則，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與修正，在2002年提出了將爆破損傷和應(yīng)力釋放對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響引入到巖體擾動(dòng)系數(shù)D（取值范圍0～1）中，并對(duì) Hoek－Brown常數(shù)mb、s和a進(jìn)行修正，其表達(dá)式為［11］

式中：σ1、σ3分別為巖體破壞時(shí)的最大、最小主應(yīng)力；σci為完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、a 均為巖體的 Hoek－Brown常數(shù)，且mb為 Hoek－Brown常數(shù)mi（反映巖體軟硬程度）的折算值，各參數(shù)可由式（2）表示［12］：

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)彈塑性理論，隧道開(kāi)挖僅對(duì)距離開(kāi)挖中心3～5倍范圍的圍巖產(chǎn)生影響.所以，模擬計(jì)算區(qū)域：左、右邊界為距原點(diǎn)60m（大于3倍單洞水平開(kāi)挖的最大寬度B＝11m）；下邊界取為距原點(diǎn)35m（大于單洞豎向開(kāi)挖的最大高度8.9m），上邊界區(qū)域頂面自由；前、后邊界取40m.模型的邊界條件確定為：x＝60，邊界x 方向固定；z＝－35，z方向固定；上邊界為自由邊界；y＝40，y方向固定.差分網(wǎng)格利用程序的三維網(wǎng)格生成器進(jìn)行劃分，采用六面體八節(jié)點(diǎn)三維單元，對(duì)隧道開(kāi)挖區(qū)域周邊進(jìn)行人工網(wǎng)格加密，建立的網(wǎng)格單元模型如圖2所示.

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical model

2.3 模型計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中，采用錨桿＋混凝土組合支護(hù)，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 圍巖、支護(hù)、錨桿參數(shù)表Table 1 Parameter table of surrounding rock，support，and anchor bolts

3 結(jié)果分析

分別對(duì)隧道Ⅴ級(jí)圍巖的各分部開(kāi)挖工況進(jìn)行模擬分析，通過(guò)分析可以得到隧道圍巖的位移場(chǎng)及塑性區(qū)分布情況，如圖3～圖7所示.

圖3 0.2B凈距5m埋深x方向位移Fig.3 X－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

圖4 0.2B凈距5m埋深y方向位移Fig.4 Y－direction displacement 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

由圖3、圖4可知，在隧道開(kāi)挖之后，兩隧道的橫向位移主要集中在隧道的外側(cè)兩肩部，而隧道圍巖的豎向位移主要集中在內(nèi)側(cè)的兩個(gè)肩部.

圖5 0.2B凈距15m埋深塑性區(qū)Fig.5 Plastic zone of 0.2Bclear distance and 15mburied depth of tunnel

圖6 0.5B凈距15m埋深塑性區(qū)Fig.6 plastic zone of 0.5Bclear distance and 15mburied depth of tunnel

通過(guò)為隧道圍巖塑性區(qū)計(jì)算可知，在Ⅴ級(jí)圍巖的開(kāi)挖過(guò)程中，隨著隧道凈距的增加，塑性區(qū)范圍不斷縮小，表明隧道圍巖已經(jīng)趨于穩(wěn)定.在15m埋深0.2B凈距條件下，圍巖塑性區(qū)有貫通現(xiàn)象，如圖5所示，表明在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)連拱頂全部倒塌的現(xiàn)象，主要就是由于中間巖柱的寬度很小，應(yīng)力疊加，導(dǎo)致塑性區(qū)貫通，從而可能引起拱頂拉裂較大，所以對(duì)中間巖柱的支護(hù)與加固是必不可少的施工工序.當(dāng)隧道凈距達(dá)到0.5B時(shí)，隧道圍巖并沒(méi)有產(chǎn)生貫通現(xiàn)象，由于隧道凈距的增大，中間巖柱的塑性區(qū)明顯變小，沒(méi)有出現(xiàn)貫通的現(xiàn)象，應(yīng)力的疊加效果不是很大，所以在施工中比較安全，可見(jiàn)在15m埋深時(shí)，Ⅴ級(jí)圍巖的隧道凈距極限在0.5B左右，但這不代表Ⅴ級(jí)圍巖的隧道凈距極限的最終值，因?yàn)殡S著埋深的增加，塑性區(qū)會(huì)開(kāi)展得更大.

圖7為0.2B凈距時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖.由圖可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力集中部位主要位于中間巖柱部分，通過(guò)計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大小可以判定中夾巖柱的穩(wěn)定性情況.

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖Fig.7 Stress diagram of supporting structure

圖8 中夾巖柱位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.8 Displacement monitoring points of mid－adjacent rock

圖9～圖10為小凈距隧道中夾巖柱的位移監(jiān)測(cè)，其中監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)如圖8所示.通過(guò)分析可知，采用導(dǎo)坑法施工的安全性隱患較大，尤其是在施工過(guò)程中，最薄弱的環(huán)節(jié)是在工況六到工況七的開(kāi)挖與支護(hù)階段，中夾巖柱出現(xiàn)了較大的橫向位移變化，可見(jiàn)運(yùn)用側(cè)壁導(dǎo)坑法，在開(kāi)挖下側(cè)土體時(shí)對(duì)中夾巖柱的擾動(dòng)比較大，施工中應(yīng)對(duì)該階段加強(qiáng)觀測(cè)并采取必要的應(yīng)急措施.

圖9 0.2B凈距5m埋深x方向位移Fig.9 X－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

圖10 0.2B凈距5m埋深y方向位移Fig.10 Y－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

4 結(jié) 論

（1）在施工中盡量減少對(duì)中夾巖的擾動(dòng)，并采取充分合理的加固措施保證小凈距隧道的穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全.

（2）Ⅴ級(jí)圍巖條件下隧道的凈距不能過(guò)小，分析表明，凈距在0.2B時(shí)的中夾巖受力情況要比0.5B時(shí)危險(xiǎn)得多，相應(yīng)的圍巖加固也變得艱難，所以對(duì)凈距的取值一般不能小于0.5B.

（3）在采用側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖隧道，在開(kāi)挖下側(cè)土體時(shí)對(duì)中夾巖柱的擾動(dòng)比較大，施工中應(yīng)對(duì)該階段加強(qiáng)觀測(cè)并采取必要的應(yīng)急措施.

［1］ 張頂立，王夢(mèng)恕，高軍，等.復(fù)雜圍巖條件下大跨隧道修建技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（2）：290－296.

（Zhang Dingli，Wang Mengshu，Gao Jun.Construction Technique of Large－span Tunnel under Condition of Complicated Surrounding Rocks［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（2）：290－296.）

［2］ 張業(yè)民，周傳璐，宋濤.隧道中高速列車(chē)震動(dòng)所產(chǎn)生的路基動(dòng)應(yīng)力集中［J］.沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，25（1）：65－68.

（Gao Wei，Liu Chuanlu，Song Tao.Dynamic Stresses Concentrations of Tunnel Roadbed in High Speed Train Vibration［J］.Journal of Shenyang University：Natural Science，2013，25（1）：65－68.

［3］ 文競(jìng)舟，張永興，王成.基于接觸應(yīng)力反分析的隧道初期支護(hù) 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 力 研 究 ［J］.巖 土 力 學(xué)，2011，32（8）：2467－2473.

（Wen Jingzhou，Zhang Yongxing，Wang Cheng.Back Analysis of Internal Force of Initial Support in Tunnel Based on Touch Stress［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（8）：2467－2473.）

［4］ 陳力華，林志，李星平.公路隧道中系統(tǒng)錨桿的功效研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（6）：1843－1848.

（Chen Lihua，Lin Zhi，Li Xingping.Study of Efficacy of Systematic Anchor Bolts in Highway Tunnels［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（6）：1843－1848.）

［5］ 韓同春，鄭俊清，朱建才，等.半硬半軟巖層小凈距隧道洞口 段 監(jiān) 測(cè) 分 析 ［J］.巖 土 力 學(xué)，2010，31（S2）：303－307，341.

（HanTongchun，Zheng Junqing，Zhu Jiancai，et al.Monitoring Analysis of Outlet Section of Tunnels With Small Clear－distance in Half－h(huán)ard and Half－soft Rock Strata［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31（S2）：303－307，341.）

［6］ 林從謀，陳禮彪，蔣麗麗，等.高速公路擴(kuò)建大斷面特小凈距隧道爆破穩(wěn)定控制技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（7）：1371－1378.

（Lin Congmou，Chen Libiao，Jiang Lili，et al.Research on Blasting Stability Control Technology of Large－Span Highway Tunnel with Super－Small Clear Spacing at Highway Expansion Project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（7）：1371－1378.）

［7］ LoK W，Chong L K，Leung L F.Field Instrumentation of a Multiple Tunnel Interaction Problem［J］.Tunnels and Tunnelling，1998，18：4－16.）

［8］ 唐儀興，張玉軍.近距離雙隧道開(kāi)挖與支護(hù)的穩(wěn)定性有限元計(jì)算［J］.巖土力學(xué)，1999，20（1）：88－93.

（Tang Yixing，Zhang Yujun.Plane Visco－elasto－plastic FEM Calculation for the Stability of the Excavation and Lining Structure of a Nearby Double Tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，1999，20（1）：88－93.）

［9］ 黃拔洲，陳少華，秦峰.小凈距隧道在京福高速公路上的實(shí)踐［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26（10）：19－22.

（Huang Bazhou，Chen Shaohua，Qin Feng.Development of Parallel Tunnels with Super－small Interval in Beijing－Fuzhou Freeway Engineering［J］.Journal of Chongqing University，2003，26（10）：19－22.）

［10］ 王軍，夏才初，朱合華，等.不對(duì)稱(chēng)連拱隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（2）：267－271.

（Wang Jun，Xia Caichu，Zhu Hehua，et al.Site Monitoring and Analysis of Non－symmetrical Multi－arch Highway Tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（2）：267－271.）

［11］ Hoek E，Carranza－Torres C，Corkum B.Hoek－Brown failure criterion（2002edition）［C］∥Proceedings of NARMS－TAC 2002，Mining Innovation and Technology.Toronto：University of Toronto，2002：267－273.

［12］ Hoek E，Diederich M S.Empirical Estimation of Rock Mass Modulus ［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2006，43（2）：203－215.