小凈距淺埋隧道施工相互影響研究

李燕杰 焦俊杰

摘 要：以嶺山隧道為工程依托，通過有限元分析軟件Midas建立了三維隧道計算模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示了小凈距隧道施工中圍巖變形及應(yīng)力變化特征。研究結(jié)果表明：后行隧道（右洞）開挖對先行隧道（左洞）拱頂沉降影響較??；左洞右拱腰收斂值隨著左洞開挖逐漸增大，隨著右洞的開挖有減小趨勢；在小徑距淺埋隧道施工中，兩隧道中間巖體存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在隧道近接拱腰處圍巖應(yīng)力最大，其中左洞右拱腰水平應(yīng)力隨著右洞的開挖逐漸增大。

關(guān)鍵詞：小徑距；數(shù)值模擬；Midas；圍巖變形；附加應(yīng)力

小凈距隧道因比連拱隧道施工簡單、造價低等特點(diǎn)[1]，越來越受設(shè)計者所青睞，但其目前還缺乏較為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工等經(jīng)驗(yàn)，在隧道開挖的過程中，兩條隧道間圍巖應(yīng)力重分布變化較大，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)在受力上較為復(fù)雜[2-4]，給隧道的安全施工帶來不便，因此，對小凈距淺埋隧道進(jìn)行研究具有一定指導(dǎo)性意義。

隨著隧道施工水平的提升，小凈距隧道逐漸發(fā)展起來，許多學(xué)者對其也進(jìn)行了研究，舒志樂等[5]通過理論分析研究了隧道凈距對圍巖壓力的影響，胡元芳[6]通過有限元分析給出了仙岳山隧道最小凈距的參考值，靳曉光等[7]以二維數(shù)值分析研究了淺埋小凈距隧道開挖方式的優(yōu)劣性。

本文以恩施嶺山隧道為工程依托，借助有限元分析軟件MIDAS對小凈距淺埋隧道施工過程進(jìn)行分析，研究了隧道施工過程中圍巖壓力及隧道變形的分布規(guī)律，并探討了后行洞施工對先行洞周邊附件應(yīng)力及變形的影響，以期為工程施工提供一定指導(dǎo)。

1工程概況

嶺山隧道為小凈距雙線隧道，左、右洞長分別為433m和452m，最大埋深約116～135m。在出口段隧道埋深在20～50m，屬于淺埋地段，隧道測設(shè)線間距約12m，屬于小凈距隧道，隧址區(qū)出露的地層主要為碎石土及強(qiáng)～中風(fēng)化石灰?guī)r，地下水不甚發(fā)育，主要以裂隙水為主，鉆孔未揭露到地下水位。隧道開挖采用光面爆破全斷面和臺階開挖。

2計算模型

為減小邊界條件對數(shù)值計算的影響，選取隧道左右兩側(cè)各4倍洞徑距離，模型寬度取110m，開挖長度取60m，隧道開挖過程中，每循環(huán)爆破3m，在數(shù)值計算過程中，為簡化計算，左洞先行，左洞開挖完成后再開挖右洞，左右洞各分20次開挖，共有40個開挖循環(huán)，根據(jù)隧道之間相互位置及鉆孔揭露地層情況，將計算模型建立如下：

計算模型中圍巖參數(shù)根據(jù)前期勘察資料與室內(nèi)試驗(yàn)確定，噴射混凝土、鋼拱架、錨桿等計算參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTJ D70-2004）等相關(guān)規(guī)范與相類似工程確定。其中鋼拱架采用等效的方法將強(qiáng)度貢獻(xiàn)到噴射混凝土層中，其具體計算公式：

（1）

式中：E是等效噴射混凝土彈性模量，E0是原噴射混凝土彈性模量，Eg為鋼拱架彈性模量，Ag為鋼架截面面積，Ac為噴射混凝土截面積，噴射混凝土中鋼筋網(wǎng)主要起防止噴層開裂拉破壞，計算中不予考慮。導(dǎo)管為超前支護(hù)，起到超前加固作用，本計算中也不與考慮。其中HW175型鋼截面面積為51.43cm2，HW150型鋼截面面積為40.55cm2，材料為HRB335。

3計算結(jié)果及分析

3.1變形分析

當(dāng)兩隧道開挖完成后，圍巖的最大位移量發(fā)生在隧道拱頂處，最大位移量為12.2mm，其中右洞最大位移量略大于左洞，右洞塑形區(qū)較左洞大，因地形起伏變化差異，右洞隧道埋深較大，在淺埋小徑距施工條件下，右洞圍巖壓力較大，所受擾動程度大。

左右洞拱頂沉降隨著隧道的開挖呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，當(dāng)開挖到監(jiān)測斷面時，拱頂沉降速率最大，當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面約10環(huán)時，拱頂沉降趨于穩(wěn)定并且兩洞的最大沉降量相近，最大沉降量約為12.05mm。在開挖左洞時，兩拱腰有向外變形的趨勢，左洞開挖完成后，左洞右拱腰水平位移達(dá)到最大，約為3mm，而左洞左拱腰隨著右洞的開挖逐漸增大，表明右洞開挖對左洞產(chǎn)生外擠作用；從右洞拱腰水平位移曲線可以看出，右洞左拱腰在受左洞開挖影響的基礎(chǔ)上逐漸向隧道外側(cè)變形，使得水平位移趨于減小，其變化幅度較大，總變化量約2.5mm，右拱腰總體變形趨于平穩(wěn)，變化幅度較小。

為增強(qiáng)對比，以隧道兩拱腰的相對位移為研究對象得到變形曲線，左洞拱腰相對水平位移量隨著左洞的開挖逐漸增大，隨著右洞的開挖逐漸減小，右洞拱腰相對水平位移量隨著隧道的開挖呈現(xiàn)遞增的趨勢，當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面時，左右隧道拱腰處均會出現(xiàn)驟變現(xiàn)象，表明隧道開挖到監(jiān)測斷面時對當(dāng)前及相鄰隧道影響較大。

3.2應(yīng)力分析

隧道拱頂和拱底處豎向應(yīng)力較小，在隧道兩拱腰處出現(xiàn)應(yīng)力集中，在右洞左拱腰處豎向應(yīng)力最大，為2.01MPa。

在小徑距隧道開挖過程中，拱腰處受水平應(yīng)力影響較明顯，選取左右隧道第十環(huán)為監(jiān)測斷面，得到隧道拱腰處圍巖的水平應(yīng)力變化曲線，左洞開挖時，左洞兩拱腰處水平應(yīng)力變化較大，離拱腰越遠(yuǎn)，圍巖應(yīng)力變化越小，當(dāng)掌子面達(dá)到監(jiān)測斷面時，水平應(yīng)力接近最大值，其中右拱腰處水平應(yīng)力大于左拱腰，應(yīng)力大小分別為0.66MPa和0.61MPa；右洞開挖時，兩隧道間圍巖體受力較大，左洞右拱腰水平應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢，而左拱腰受右洞開挖影響較小，應(yīng)力基本保持不變，右洞開挖完成后，左洞右拱腰處水平應(yīng)力最大，其次為右洞左拱腰，而左洞左拱腰處水平應(yīng)力最小，其中最大水平應(yīng)力為0.71MPa。

初襯受力最大處基本上位于隧道兩拱腰處，其中最大Mises應(yīng)力約為9.9MPa。

4監(jiān)測對比分析

選取左洞拱頂沉降、拱腰收斂及拱腰壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，在監(jiān)測第35天，右洞掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面。

在實(shí)際監(jiān)測，隨著右洞的開挖，左洞拱頂沉降基本保持不變，而拱腰收斂呈現(xiàn)減小趨勢，但其變化幅度較數(shù)值模擬結(jié)果小，實(shí)際拱頂最大沉降值和模擬結(jié)果較為接近，而實(shí)際拱腰收斂最大值大于數(shù)值模擬結(jié)果，差值約為2mm。左洞拱腰實(shí)際監(jiān)測圍巖變化規(guī)律和數(shù)值模擬結(jié)果相近，左洞右拱腰受右洞的影響呈現(xiàn)增加趨勢，實(shí)際監(jiān)測中其附加應(yīng)力約為0.18MPa，數(shù)值模擬中其附加應(yīng)力約為0.05MPa，左洞左拱腰應(yīng)力受右洞開挖影響小。

5結(jié)語

通過有限元模擬軟件Midas對淺埋小徑距隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測既有相似性也有差異性：

（1）隨著隧道的開挖，隧道拱頂、拱腰變形值以及圍巖應(yīng)力變化逐漸增大并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測中，右洞的開挖對左洞拱頂沉降影響較小，而拱腰收斂值有減小趨勢，數(shù)值模擬中較實(shí)際監(jiān)測中變化更為明顯。另外，數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測中拱頂沉降最大值較為接近，為11.5mm，而實(shí)際監(jiān)測拱腰收斂最大值較數(shù)值模擬大2mm。

（3）在數(shù)值模擬中，兩隧道中間巖體存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，近接拱腰處圍巖應(yīng)力最大，隨著右洞的開挖，左洞右拱腰應(yīng)力有增大趨勢，在實(shí)際監(jiān)測中其變化幅度更加明顯，而左洞左拱腰應(yīng)力基本保持不變。

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[7]靳曉光，劉偉，鄭學(xué)貴等.小凈距偏壓公路隧道開挖順序優(yōu)化[J].公路交通科技，2005，22（8）：61～64.

作者簡介：

李燕杰，女，1975年生，滿族，河北承德人，碩士研究生，高級工程師，主要從事巖土工程研究工作，上海普陀區(qū)中山北路2150號中船勘察設(shè)計研究院有限公司。