偏壓小間距隧道施工力學(xué)行為及圍巖破壞規(guī)律

柳厚祥，龐昌秀，查煥奕，朱性彬，李 濤

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114)

1 研究背景

在隧道工程設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，由于受到線形要求及工程地質(zhì)條件的限制，尤其是在偏壓荷載作用下，小間距隧道在社會(huì)及經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)日益突出。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：小間距隧道是指兩洞室凈距較小，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中需要采取特殊措施的分離式隧道[1]。小間距隧道由于偏壓的作用及先后行洞之間的相互影響對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性控制帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)隧道間距較小時(shí)，地表沉降變化、中間巖柱受力、圍巖塑性流動(dòng)及變形都比較復(fù)雜，其穩(wěn)定性更加難以控制[2-3]。因此，深度了解施工力學(xué)行為及圍巖破壞規(guī)律仍然是偏壓小間距隧道研究中的重點(diǎn)課題之一。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過(guò)不同的理論研究及數(shù)值模擬方法對(duì)小間距隧道進(jìn)行了大量研究[4-8]。李偉平等[9]利用數(shù)值方法，分析了不同開(kāi)挖順序和不同施工法對(duì)圍巖變形、地表沉降變化及圍巖塑性區(qū)域分布的影響。張振宇等[10-11]考慮了偏壓角度、隧道埋深等因素，推導(dǎo)了偏壓小間距隧道圍巖計(jì)算方法，對(duì)圍巖薄弱位置提出了合理的加固方案，但是并沒(méi)有考慮施工工序?qū)鷰r壓力的影響。杜德持等[12]基于模糊灰色關(guān)聯(lián)理論，通過(guò)分析隧道群穩(wěn)定性判定指標(biāo)，以確定隧道群施工最優(yōu)方案；但是其權(quán)重的分配部分依靠專家經(jīng)驗(yàn)，并未進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。譚忠盛等[13-14]對(duì)淺埋偏壓小間距黃土隧道圍巖與中間巖柱的變形及支護(hù)力學(xué)行為進(jìn)行了分析；探討了型鋼支護(hù)體系與格柵支護(hù)體系的受力狀態(tài)。宋應(yīng)潞等[15]將強(qiáng)度折減法與剛度退化法聯(lián)合應(yīng)用，分析了在不同的巖體物理參數(shù)下圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，研究了在不同折減系數(shù)下圍巖塑性分布規(guī)律，但是得出的安全系數(shù)較為保守，強(qiáng)度折減法適用于剪切破壞，其他破壞類型有待研究。目前，在偏壓條件下針對(duì)不同的隧道間距對(duì)小間距隧道中間巖柱穩(wěn)定性的影響、初期支護(hù)內(nèi)力變化及圍巖破壞方面的研究相對(duì)較少。

本文依托湖南省那丘隧道工程，利用ABAQUS有限元軟件在不同開(kāi)挖順序及不同隧道間距下對(duì)偏壓小間距隧道施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬與分析，研究了隧道圍巖、地表沉降、中間巖柱變形規(guī)律、初期支護(hù)內(nèi)力變化及圍巖破壞規(guī)律，得到了較為可靠的結(jié)論。

2 三維數(shù)值模擬方法

2.1 模型建立

該隧道斷面凈寬B=12.45 m，凈高H=10.19 m，左右洞隧洞間距D=0.4B，左洞隧道拱頂距離地表線20.75 m，右洞隧道拱頂距地表線42.5 m，隧道明顯受偏壓作用，因地質(zhì)作用巖體主要分為強(qiáng)風(fēng)化巖層及粉質(zhì)砂巖兩部分，建立的三維有限元數(shù)值模型如圖1所示。由設(shè)計(jì)規(guī)范[1]可知隧道開(kāi)挖的影響范圍一般為0.5～2.5倍的洞徑，隧道左側(cè)邊界取34 m，右側(cè)邊界取62 m，下部邊界取57 m，縱向計(jì)算長(zhǎng)度取40 m。位移邊界條件在隧道左右兩側(cè)x軸方向約束，隧道底部固定約束，在隧道前后沿z軸方向約束，頂部為自由面不進(jìn)行任何約束。

圖1 偏壓小間距隧道數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical model of tunnel with small spacing under unsymmetrical loading

本文對(duì)錨桿及超前支護(hù)不作具體的研究，基于等效原理，對(duì)巖體的內(nèi)摩擦角及黏聚力進(jìn)行相應(yīng)的提高；而型鋼則根據(jù)抗壓剛度等價(jià)原則，將型鋼的彈性模量折算給初期支護(hù)混凝土的彈性模量的方法進(jìn)行概算化處理[16]。等效后得到計(jì)算模型參數(shù)如表1所示，本模型中巖體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其巖體破壞標(biāo)準(zhǔn)則服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；初期支護(hù)及二次襯砌采用實(shí)體單元模擬，但只考慮其彈性行為而不考慮塑性行為，且兩者的厚度分別為30 cm、55 cm。在計(jì)算過(guò)程中，為了克服本構(gòu)模型在計(jì)算過(guò)程中嚴(yán)重不收斂或產(chǎn)生變形突變點(diǎn)的現(xiàn)象，采用減縮積分及沙漏技術(shù)進(jìn)行控制。

表1 計(jì)算模型參數(shù)Table 1 Model parameters

2.2 施工方法動(dòng)態(tài)模擬

利用 ABAQUS有限元軟件中程序的單元“生死”功能來(lái)模擬開(kāi)挖巖體、支護(hù)體系施作。首先將支護(hù)體系“殺死”進(jìn)行自動(dòng)地應(yīng)力平衡，以保證隧道在開(kāi)挖過(guò)程中不會(huì)發(fā)生較大變形，更能反映巖體所處的真實(shí)狀態(tài)[17]。然后依照施工順序?qū)﹂_(kāi)挖的巖塊進(jìn)行“殺死”，按照邊開(kāi)挖邊支護(hù)的原則，中隔墻作為初期支護(hù)的一部份分步“激活”，循環(huán)施作。

在中隔壁法(Center Diaphragm，CD)施工及先開(kāi)挖左洞后開(kāi)挖右洞的施作順序下，且在兩洞掌子面間距40 m情況下，分別模擬0.2B、0.4B、0.6B、0.8B、1.0B、1.2B隧道間距下的施工，且左洞位置不變，右洞位置不斷向右推移；考慮兩洞不同開(kāi)挖順序及兩洞間的相互影響，在0.4B隧道間距情況下，分別模擬單獨(dú)開(kāi)挖左洞、單獨(dú)開(kāi)挖右洞、兩洞分離開(kāi)挖(兩洞掌子面間距40 m)及兩洞并行開(kāi)挖下的施工；在模擬施工過(guò)程中初始地應(yīng)力由自重產(chǎn)生，并采用邊開(kāi)挖邊支護(hù)原則，考慮不同隧道間距及兩洞不同開(kāi)挖順序?qū)ζ珘盒￠g距隧道的影響。

CD法開(kāi)挖與支護(hù)示意圖如圖2所示，其開(kāi)挖步驟如下：①先對(duì)1、2兩部分巖塊相距5 m開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺2.5 m，并施作初期支護(hù)與中隔墻；②分別對(duì)3、4兩部分巖塊循環(huán)開(kāi)挖，施作初期支護(hù)；③待初期支護(hù)硬化達(dá)到一定強(qiáng)度，拆除中隔墻；④開(kāi)挖仰拱，并施作初期支護(hù)及時(shí)閉合回環(huán)；⑤右洞與左洞開(kāi)挖順序相同。

圖2 CD法開(kāi)挖與支護(hù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of excavation and support by CD method

2.3 強(qiáng)度折減法

所謂強(qiáng)度折減法[18-19]就是通過(guò)不斷對(duì)材料的黏聚力與內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，從而使計(jì)算中的某個(gè)單元的應(yīng)力達(dá)到其破壞屈服準(zhǔn)則，進(jìn)而使巖體沿某個(gè)結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，從而研究隧道開(kāi)挖后巖體破壞規(guī)律。為了研究不同隧道間距下偏壓小間距隧道圍巖塑性流動(dòng)規(guī)律及穩(wěn)定性，本文利用ABAQUS軟件通過(guò)場(chǎng)變量及編輯inp文件來(lái)實(shí)現(xiàn)巖體參數(shù)的折減，巖體力學(xué)參數(shù)的折減公式為：

c1=c/fs;

(1)

φ1=arctan (tanφ/fs) 。

(2)

式中：c1、φ1分別為巖體折減后黏聚力和內(nèi)摩擦角；c為巖體黏聚力；φ為巖體內(nèi)摩擦角；fs為強(qiáng)度折減系數(shù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究偏壓小間距隧道變形特性及穩(wěn)定性，通過(guò)數(shù)值模擬分析與計(jì)算，在CD法施工下，針對(duì)不同施工順序及隧道間距，分析了偏壓小間距隧道圍巖變形規(guī)律、地表沉降變化、中間巖柱的變形特性、初期支護(hù)內(nèi)力變化、圍巖塑性破壞規(guī)律。

3.1 圍巖變形規(guī)律

在隧道的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，分析圍巖位移是研究圍巖穩(wěn)定性必不可少的重要途徑，通過(guò)分析位移變化曲線能夠直觀地觀察洞周計(jì)算點(diǎn)在整個(gè)施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化情況，以便能提前采取有力的控制措施來(lái)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

在CD法施工及0.4B隧道間距情況下，左右洞不同開(kāi)挖順序隧道圍巖豎向位移如圖3所示。

圖3 開(kāi)挖順序?qū)鷰r豎向位移的影響Fig.3 Influence of excavation sequence on vertical displacement of surrounding rock

由圖3可知：后行右洞對(duì)先行左洞的影響，左洞拱頂與拱底豎向位移分別增加2.8%、5.6%；后行左洞對(duì)先行右洞的影響，右洞拱頂與拱底豎向位移分別增加8.6%、4.2%；其他隧道圍巖計(jì)算點(diǎn)也與上述的規(guī)律比較相似，原因在于后行隧道施工時(shí)會(huì)對(duì)先行隧道圍巖產(chǎn)生新的擾動(dòng)破壞，使圍巖變形進(jìn)一步加大，而且右洞的埋深大于左洞，隧道整體受偏壓的作用，右洞開(kāi)挖圍巖變形較大，同時(shí)對(duì)左側(cè)圍巖不斷卸荷，中間巖柱左側(cè)壓彎而右側(cè)拉裂，進(jìn)一步加劇偏壓程度。在開(kāi)挖左洞時(shí)，由于左洞始終處于淺埋階段，不能形成自拱效應(yīng)來(lái)抵抗下滑力，因此施工時(shí)應(yīng)增加管棚設(shè)施等超前支護(hù)手段進(jìn)行輔助施工；不同開(kāi)挖順序?qū)绊斢绊戄^大，先行左洞開(kāi)挖方式要優(yōu)于先行右洞，隨著支護(hù)體系施作的完成，隧道圍巖位移最終收斂于某一定值。

為了研究隧道間距對(duì)圍巖位移的影響，基于先行左洞開(kāi)挖順序下，圍巖變形如圖4所示。結(jié)果表明：隨著隧道間距的增加，左洞圍巖拱頂、拱底及右拱腳位移不斷減小，而右洞位置點(diǎn)位移變化曲線呈先減小后增大的規(guī)律，且在隧道間距0.8B時(shí)，右洞圍巖位移最小。由于隧道間距增大，左洞位置不變，而右洞位置不斷向右推移，兩洞相互影響不斷弱化，從而左洞圍巖變形不斷減小；在隧道間距從0.2B增加到0.8B過(guò)程中，后行右洞對(duì)先行左洞的相互影響起主導(dǎo)作用，隨隧道間距增大，相互影響不斷弱化，右洞的圍巖變形從而不斷減小；在隧道間距從0.8B增加到1.2B過(guò)程中，隧道埋深起主導(dǎo)作用，隨著隧道間增大，右洞的埋深也不斷增大，圍巖變形也隨之加大。隧道間距對(duì)右洞拱頂?shù)挠绊懽畲螅捎谄珘杭安粩鄬?duì)巖體進(jìn)行卸載的作用，頂部巖塊向洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)更加顯著。

圖4 隧道間距對(duì)圍巖豎向位移的影響Fig.4 Influence of tunnel spacing on vertical displacement of surrounding rock

因此，在偏壓小間距隧道設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到不同開(kāi)挖順序下兩洞并存、不同隧道間距及隧道埋深對(duì)圍巖變形的影響，在施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)洞周點(diǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，盡量縮短各開(kāi)挖步的施作時(shí)間 ，必要時(shí)應(yīng)對(duì)拱頂進(jìn)行超前支護(hù)，以避免拱頂坍塌。

3.2 地表沉降分析

在偏壓小間距隧道施工過(guò)程中，地表沉降會(huì)造成隧道拱頂坍塌、地表面嚴(yán)重坍陷及周圍建筑物不均勻沉降等眾多危害，因此，本文分析了地表沉降在不同開(kāi)挖順序及隧道間距條件下的變化。

在0.4B隧道間距情況下，左右洞不同開(kāi)挖順序引起的地表沉降位移如圖5所示，由于隧道偏壓的存在，地表沉降曲線明顯不對(duì)稱，右側(cè)的沉降位移值明顯大于左側(cè)。由于左洞位置偏壓角度較大，隧道開(kāi)挖使圍巖應(yīng)力重新分布，上部土體向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有向左側(cè)偏斜的趨勢(shì)，不斷對(duì)左側(cè)土體擠壓，從而在左側(cè)出現(xiàn)輕微的地表隆起現(xiàn)象。左右洞分離開(kāi)挖與并行開(kāi)挖下地表沉降曲線為單峰值曲線，在右洞拱頂偏左側(cè)的地表沉降位移最大，分別為6.4、7.28 mm。

圖5 開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊慒ig.5 Influence of excavation sequence on surface settlement

由于偏壓與隧道間距的影響，兩洞并沒(méi)有呈現(xiàn)雙峰曲線，而兩洞間的相互影響使最大地表沉降增加了13.7%。兩洞單獨(dú)開(kāi)挖下，地表最大沉降發(fā)生在拱頂處，對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在左右洞兩側(cè)一段距離內(nèi)，左右洞分離開(kāi)挖引起的地表沉降量大致是兩洞單獨(dú)開(kāi)挖引起的地表沉降量的疊加，而在左右洞中間一段距離內(nèi)，分離開(kāi)挖引起的地表沉降量要大于兩者的疊加，可見(jiàn)隧道間距及偏壓的作用使得兩洞間的相互影響仍然較大。因此，在施工時(shí)，兩洞間的掌子面及隧道間距應(yīng)保證一定的合理距離。

不同隧道間距下的地表沉降如圖6所示。通過(guò)分析數(shù)據(jù)可知：隨著隧道間距的不斷增加，最大地表沉降位置點(diǎn)也隨右洞位置不斷向右而向右推移，所引起的最大地表沉降量卻不斷減?。辉谧笥叶磧蓚?cè)一段距離以內(nèi)，地表沉降發(fā)展曲線基本一致，在左右洞中間段地表沉降變化較大。當(dāng)隧道間距為0.2B時(shí)，地表沉降最大為7.8 mm；與0.2B隧道間距相比，隧道間距為0.4B、0.6B、0.8B、1.0B、1.2B時(shí)地表最大沉降量分別減少17.9%、28.2%、35.9%、38.4%、42.3%，隨著隧道間距的不斷減小，地表沉降增量不斷增大，在隧道間距0.4B到0.2B變化過(guò)程中，增量最大。

圖6 隧道間距對(duì)地表沉降的影響Fig.6 Influence of tunnel spacing on surface subsidence

3.3 中間巖柱穩(wěn)定性分析

中間巖柱處受力較為復(fù)雜，為了研究中間巖柱變形特性及穩(wěn)定性，分析了左右洞不同開(kāi)挖順序及不同隧道間距沿中間巖柱豎向中心線水平位移變化情況，以及在不同隧道間距下沿中間巖柱水平中心線水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力及最大主應(yīng)力分布情況。

在0.4B隧道間距情況下，不同開(kāi)挖順序中間巖柱中心線水平位移分布如圖7所示。

圖7 開(kāi)挖順序?qū)χ虚g巖柱水平位移的影響Fig.7 Influence of excavation sequence on horizontal displacement of intermediate rock column

由于偏壓作用，中間巖柱整體主要受壓彎組合力，呈側(cè)彎趨勢(shì)，且左側(cè)水平位移值大于右側(cè)，其最大值分布于中間巖柱左側(cè)。與地表沉降規(guī)律相似，數(shù)據(jù)研究表明，沿中心線遠(yuǎn)離左右洞上下側(cè)一段距離內(nèi)，左右洞分離開(kāi)挖引起的地表沉降量大致是兩洞單獨(dú)開(kāi)挖引起的中間巖柱水平位移的疊加，而距離左右洞較近的一段范圍內(nèi)，分離開(kāi)挖下的水平位移大于兩者的疊加；且兩洞并行開(kāi)挖下引起的中間巖柱水平位移在沿整個(gè)中心線內(nèi)都大于分離開(kāi)挖下引起的水平位移，兩者最大水平位移相差18.7%，可見(jiàn)采取合理的施工順序尤為重要。

不同隧道間距下沿中間巖柱豎向中心線水平位移分布如圖8所示。6種隧道間距情況下，水平位移變化曲線基本一致，由上到下中間巖柱水平位移先增大再減小，再增大再減小，最終趨于中心線，大體呈“S”型曲線分布。隨著隧道間距的增大，水平位移不斷減小，而中間巖柱處的偏壓程度也隨之弱化。

圖8 中間巖柱水平位移隨隧道間距的變化Fig.8 Horizontal displacement of intermediate rock pillar varying with tunnel spacing

在先行左洞開(kāi)挖順序下，隧道間距取不同值時(shí)，沿中間巖柱水平中心線，可以得到水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力及最大主應(yīng)力分布情況。如圖9所示。

圖9 中間巖柱水平中心線上應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution on horizontal center line of intermediate rock column

中間巖柱主要以壓應(yīng)力為主，在接近隧道左洞右拱肩出現(xiàn)微小的主拉應(yīng)力；隧道開(kāi)挖對(duì)巖體不斷進(jìn)行卸載，拱頂向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)不斷加劇，位移不斷加大，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，應(yīng)力也由上到下不斷傳遞，在中間巖柱處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。由于偏壓的影響，隧道間距從0.2B增加到1.2B過(guò)程中，水平應(yīng)力及最大主應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而豎向應(yīng)力則表現(xiàn)為先減小后增大的規(guī)律。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水平應(yīng)力及最大主應(yīng)力在中間巖柱中心處取最大值，而豎向應(yīng)力取得最小值；在隧道間距從0.2B增加到0.8B過(guò)程中，各應(yīng)力變化量較小，而從0.6B增加到1.2B過(guò)程中，各應(yīng)力變化量較大，因?yàn)榍罢咧饕莾啥撮g的相互影響起主導(dǎo)作用，后者主要是隧道埋深增加的緣故。因此，施工時(shí)應(yīng)注意中間巖柱變形及應(yīng)力變化，當(dāng)隧道間距較小時(shí)，應(yīng)對(duì)中間巖柱進(jìn)行預(yù)加固處理。

3.4 初期支護(hù)內(nèi)力分析

為了研究初期支護(hù)內(nèi)力變化，在0.4B隧道間距及分離式開(kāi)挖順序下，選取初期支護(hù)特殊位置點(diǎn)進(jìn)行分析，彎矩與軸力值如表2所示。數(shù)據(jù)分析表明：先行左洞開(kāi)挖完成，圍巖應(yīng)力重新分布，其初期支護(hù)所受彎矩及軸力急劇增大，同時(shí)對(duì)后行右洞中的初期支護(hù)產(chǎn)生了一定影響，內(nèi)力值較?。缓笮杏叶撮_(kāi)挖完成時(shí)，左洞初期支護(hù)拱頂及右拱腰處的軸力分別增加10.13%、11.49%，彎矩分別增加34.91%、60.85%，可見(jiàn)左洞初期支護(hù)的彎矩增量大于軸力增量。由此可見(jiàn)后行右洞的開(kāi)挖對(duì)先行左洞中的初支內(nèi)力變化影響較大。由于偏壓作用和兩洞開(kāi)挖之間的相互影響，右洞開(kāi)完完成后，兩洞初期支護(hù)中右拱腰處的彎矩明顯大于拱頂處的，而軸力則反之。

表2 初期支護(hù)特殊位置點(diǎn)的軸力和彎矩Table 2 Axial force and bending moment at special position of initial support

3.5 圍巖破壞規(guī)律

為了研究偏壓小間距隧道圍巖塑性破壞規(guī)律及合理的隧道間距，基于強(qiáng)度折減法基本原理，利用ABAQUS有限元軟件計(jì)算得到了不同隧道間距下的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D10所示,水平位移與折減系數(shù)的關(guān)系如圖11所示。當(dāng)隧道間距為0.2B時(shí)，中間巖柱中間段塑性貫通，雖然左洞右拱肩還未與隧道上部貫通，還未充分發(fā)揮巖體強(qiáng)度作用而中間巖柱已完全破壞，破壞時(shí)塑性面積較小，破壞時(shí)間較短。當(dāng)隧道間距從0.4B增加到1.0B過(guò)程中，中間巖柱中間段貫通程度不斷減小，最大塑性應(yīng)變都發(fā)生于中間巖柱處，最終在左拱肩處與上部巖體塑性貫通，在拱腳與拱肩處剪應(yīng)力較大，隧道整體剪切破壞。當(dāng)隧道間距為1.2B時(shí)，兩洞間的相互影響不再起主導(dǎo)作用，而此時(shí)右洞的埋深最大，中間巖柱處塑性區(qū)域不再連通。由于偏壓的存在，右洞處塑性區(qū)域面積明顯大于左洞，而等效塑性應(yīng)變的最大值發(fā)生在拱腳及拱肩處，隧道圍巖最終發(fā)生剪切破壞。若把中間巖柱塑性區(qū)的貫通程度作為評(píng)判準(zhǔn)則，那么隧道間距應(yīng)>0.8B較為合理，當(dāng)隧道實(shí)際間距大于合理間距時(shí)，可以按照規(guī)范對(duì)中間巖柱進(jìn)行普通支護(hù)即可。

圖10 隧道間距對(duì)圍巖等效塑性應(yīng)變的影響Fig.10 Effect of tunnel spacing on equivalent plastic strain of surrounding rock

圖11 水平位移與折減系數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relationship between horizontal displacement and reduction coefficient

由上述分析可知，在偏壓小間距隧道圍巖破壞過(guò)程中，中間巖柱是最薄弱的位置，中間巖柱的穩(wěn)定性關(guān)乎整個(gè)隧道的穩(wěn)定狀態(tài)，因此在施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工工序，避免超挖，并基于圍巖自身強(qiáng)度對(duì)中間巖柱進(jìn)行特殊加固處理。

將邊坡工程中的強(qiáng)度折減法引入到小間距隧道工程，以水平位移突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)下的折減系數(shù)作為圍巖破壞評(píng)判準(zhǔn)則，可以確定不同隧道間距下的圍巖安全系數(shù)，如圖11所示。圖12的數(shù)據(jù)表明：隨著隧道間距的不斷增加，安全系數(shù)逐漸遞增，而等效塑性應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)隧道間距為0.2B時(shí)，安全系數(shù)最小，為1.08；當(dāng)隧道間距為1.2B時(shí)，安全系數(shù)最大，為1.56。當(dāng)隧道間距為0.8B時(shí)，等效塑性應(yīng)變發(fā)生較大的突變，此時(shí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.55，若把應(yīng)變突變點(diǎn)作為評(píng)判準(zhǔn)則，隧道間距也要0.8B，與上文把中巖柱貫通程度作為評(píng)判標(biāo)椎得出的結(jié)論大體一致。結(jié)合邊坡工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，隧道間距在0.2B～1.2B范圍內(nèi)時(shí)，雖然安全系數(shù)都>1.0，但并不意味著隧道是穩(wěn)定的，可能會(huì)發(fā)生局部破壞。

圖12 安全系數(shù)及等效塑性應(yīng)變隨隧道間距的變化Fig.12 Variations of safety factor and equivalent plastic strain with tunnel spacing

4 結(jié) 論

在CD法施工下，針對(duì)不同開(kāi)挖順序及不同隧道間距，利用ABAQUS軟件對(duì)偏壓小間距隧道施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，分析了洞周圍巖變形規(guī)律、地表沉降變化、中間巖柱變形特性及初期支護(hù)內(nèi)力變化，揭示了偏壓小間距隧道施工力學(xué)行為；基于強(qiáng)度折減法基本原理，探討了不同隧道間距下圍巖塑性破壞規(guī)律，通過(guò)分析圍巖塑性區(qū)、等效塑性應(yīng)變及安全系數(shù)，確定了合理隧道間距，得出如下主要結(jié)論：

(1)在不同開(kāi)挖順序下，后行右洞對(duì)先行左洞的影響，左洞拱頂與拱底豎向位移分別增加2.8%、5.6%；后行左洞對(duì)先行右洞的影響，右洞拱頂與拱底豎向位移分別增加8.6%、4.2%。

(2)隨隧道間距的增加，左洞圍巖拱頂、拱底及右拱腳位移不斷減小，而右洞位置點(diǎn)位移變化曲線呈先減小后增大的規(guī)律，隧道間距對(duì)拱頂?shù)挠绊懽畲蟆?/p>

(3)在遠(yuǎn)離左右洞一段距離內(nèi)，左右洞分離開(kāi)挖引起的地表沉降量大致是兩洞單獨(dú)開(kāi)挖引起的地表沉降量的疊加，而在靠近左右洞一段距離內(nèi)，分離開(kāi)挖引起的地表沉降量要大于兩者的疊加，且中間巖柱水平位移也有相似的規(guī)律，因此兩洞開(kāi)挖時(shí)應(yīng)采取合理的施工間距。

(4)隨著隧道間距的增加，沿中間巖柱豎向中心線的水平位移逐漸減小；豎向應(yīng)力表現(xiàn)為先減小后增大的規(guī)律，而水平應(yīng)力及最大主應(yīng)力則反之。

(5)后行右洞對(duì)先行左洞中的初支內(nèi)力變化影響較大，右洞開(kāi)挖完成后，兩洞初期支護(hù)中右拱腰處的彎矩明顯大于拱頂處，而軸力則反之。

(6)隨著隧道間距的增加，中間巖柱塑性貫通程度逐漸弱化，安全系數(shù)不斷提高，而等效塑性應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)隧道間距>0.8B時(shí)較為合理。

綜上所述，在偏壓作用下小間距隧道圍巖變形及受力較為復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析，選擇合理的開(kāi)挖順序、合理的隧道間距及支護(hù)方案。本文在CD法施工下，考慮開(kāi)挖順序及隧道間距對(duì)偏壓小間距隧道施工力學(xué)行為及圍巖破壞的影響，得出了較為可靠的結(jié)論，為今后研究偏壓小間距隧道的設(shè)計(jì)與施工提供一定的借鑒意義。