浅埋傍山小净距隧道先行洞数值模拟分析

浅埋傍山小净距隧道先行洞数值模拟分析

黄巍

重庆交通大学，重庆，400000

摘要：为解决浅埋傍山隧道中小净距隧道在施工中先行洞的确定问题，采用有限元方法建立数值模型的手段，对数值模型中对地表位移、隧道洞周围岩位移、塑性区的发展以及围岩主应力进行对比分析，数值结果表明：选择深埋侧作为先行洞能够有效减少对围岩以及地表边坡的扰动程度和次数，并且使边坡和洞周围岩水平位移更小，对减少滑坡等有促进作用；先开挖深埋侧塑性区的发展范围更小，有利于围岩受力。

关  键  词：小净距隧道；偏压；有限元；位移；应力

由于傍山隧道不可避免的存在偏压问题，再者由于浅埋隧道所处环境的地势、地质复杂多变，施工方法、施工顺序的选择不当，很容易对围岩的稳定性产生不必要的损害，造成滑坡、坍塌、侵害净空等，小净距隧道后行洞的施工会又对先行洞产生很大的影响[1]，造成后行洞初始地应力的改变[2,3]，加之当前研究对于衬砌结构与周边围岩的相互作用机理还存在局限性[4]，所以在傍山小净距隧道中合理的选择先行洞对围岩的稳定、支护的优化、施工的安全有重大意义。

1数值模拟

1.1  有限元模型建立与参数

采用Midas GTS有限元分析软件进行计算，建立二维模型，计算模型尺寸如图1所示，即：112.59m×（47.93～111.99）m，该傍山隧道偏压角度为30°，模型左右边界受到水平的位移约束，底边边界受到水平和竖向的位移约束，有限元分析本构模型为弹塑性，采用Mohr-Coulomb屈服准则。

图1二维有限元数值分析模型

该算例隧道设计标准为二级公路两车道隧道，设计时速为80km/h，开挖宽度为12.24m，两洞之间的间距为12m，约为1倍洞径大小，系统锚杆环向间距为1m，长度为4m，喷射混凝土厚为25cm，隧道衬砌断面如图2所示。

2  数值模拟结果分析

2.1  地表位移分析

地表位移的大小可以反映出选择不同的先行洞时对地表边坡的扰动程度和扰动次数，地表的位移分析同时反映出洞顶围岩的位移发展。该文对（a）以浅埋侧（左洞）作为现行洞、（b）以深埋侧（右洞）作为先行洞两种情况选取如图3所示3个控制点A、B、C,分别为浅埋侧洞顶的地表、浅埋侧与深埋侧中隔岩柱的地表以及深埋侧洞顶的地表。

图2隧道地表位移控制点

各施工荷载步A、B、C点的位移（a）、（b）两种情况分析对比结果如图4所示，分析其发展规律可得：

a）隧道在支护施作完成后都能够抑制其位移变化，说明隧道开挖之后及时的施作初期支护能够有效地抑制围岩的位移。

b）隧道两洞施工完成后，无论是地表水平位移还是地表竖向沉降，深埋侧隧洞都比浅埋侧更大，且A、B、C三点。从地表竖向位移来讲，深埋侧隧洞具有更大的垂直土压力，埋深越大，受到的垂直土压力越大，沉降位移越大；对其水平位移进行分析，深埋侧的隧道水平位移更大，且有向斜坡下方运动的发展趋势。

2.2  洞周位移分析

由于小净距隧道开挖时会受到两洞彼此之间较大的影响，即先行洞开挖对初始地应力造成影响，其次后行洞施工会使先行洞施工后的围岩应力状态产生影响，并且影响其支护结构。根据以往的经验[6,7-9]，小净距偏压隧道在两洞拱顶和两洞中隔墙附近更容易受到干扰和破坏。

各施工步隧道洞周位移特征点1～8点的位移特征发展规律（a）、（b）情况对比如图6所示，对其结果分析可以看出以下几个方面：

图4隧道洞周竖向位移分析

a）隧道左右两洞洞周围岩位移在支护结构施作后都能够有效抑制洞周围岩的继续发展，与地表位移的发展规律相同，故应及时的施作初期支护，防止过度的拱顶下沉以及两侧的收敛。

b）隧道洞周的竖向沉降1、2、5、6点的大小明显大于3、4、7、8点的位移大小，表明竖向位移主要发生在拱顶部分以及拱肩部分，且由于偏压的存在，埋深较大的右侧隧洞承受更大的竖向围岩压力，导致右侧拱顶、拱肩的竖向沉降都比埋深较浅的左侧更大，右侧受到的围岩压力更大，要是先开挖左侧隧道将会使右侧的后行洞处于更高的围岩压力以及先行洞开挖导致的围岩被扰动的双重影响之下，先开挖右侧的隧道将可以避免此情况。

3  结论

（1）先开挖浅埋侧会对地表以及边坡造成多次扰动，并且使后行洞处于较差的施工环境中，先开挖深埋侧时地表位移较先开挖浅埋侧时小，对地表以及边坡的扰动更少。

（2）先开挖深埋侧时，洞周的围岩位移发展较为缓和，且施工完成后水平位移比先开挖浅埋侧时更小，同时能够减少对围岩的扰动。

（3）先开挖浅埋侧的隧道造成围岩塑性区发展不可控，使锚杆丧失部分力学作用，选择深埋侧作为先行洞可以有效减少这一现象。

（4）先施工浅埋侧的最大主应力比先施工深埋侧的最大主应力大15%左右。

参考文献(References)：

[1]安永林,胡文轩,岳健.水下并行隧道施工后行洞对先行洞的影响分析[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2016,31(02):66-70.

[2]彭琦. 浅埋偏压小净距隧道围岩压力及施工力学研究[D].中南大学,2008.

[3]郝向东. 浅埋偏压小净距隧道施工力学行为的分析[D]. 2015.

[4]柳雁玲,佴磊,刘永平.和龙沿江公路傍山隧道偏压特征分析[J].吉林大学学报(地球科学版),2006(02):240-244.

[5]张运良,扶晓康,刘海林,郑阳焱.浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨[J].铁道科学与工程学报,2013,10(05):57-63.

[6]杨小礼,眭志荣.浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析[J].中南大学学报(自然科学版),2007(04):764-770.

[7]王更峰,廖纪明,张永兴,王桂林.浅埋大跨小净距隧道安全净距与中岩柱力学特性研究[J].工程勘察,2011,39(04):18-23+27.

[8]王立川. 浅埋偏压隧道围岩压力与开挖进尺优化的极限分析方法[D].中南大学,2011.

[9]巫峰. 大跨小净距隧道施工期中岩柱力学分析及应用研究[D].广东工业大学,2011.

[10]