鱼岭2#隧道浅埋软岩小净距隧道应力分析

鱼岭2#隧道浅埋软岩小净距隧道应力分析

华成龙

（中交基础设施养护集团工程有限公司，北京  100102）

摘要：以鱼岭2#隧道工程为背景，为了解隧道中夹岩柱应力应变特性及其稳定性，确保了隧道施工质量和安全，采用FLAC3D数值模拟隧道应力分析，以指导现场施工。

关键词：双向偏压；小净距隧道；数值模拟；中夹岩柱

随着隧道建造技术的发展，包括许多小净距隧道、连拱隧道、喇叭口隧道等，各种类型的隧道都会在建造过程中遇到。由于小净距隧道能够在复杂地质条件下更好地衔接桥隧，实现整体线形的优化和土地资源的合理利用,加之受周边环境的影响以及设计要求等因素的影响，越来越多地采用了小净距隧道的设计方案，但小净距隧道施工中遇到的问题也日渐增多，吸引了众多建设者的目光。鲍先凯等人在魁峰山隧道工程的基础上，通过MIDASGTS 数值分析研究，总结出不同施工工法下的变化规律。徐搴等对围岩较弱的城市浅埋双洞隧道，结合CRD方法(交叉中隔墙法)进行暗挖动态数值模拟分析;祁寒等利用有限差分软件FLAC3D模拟不同性质的围岩开挖施工过程，在中夹岩柱中间得到水平位移最大的不同性质的围岩。目前，小净距隧道的施工方法、围岩稳定性等方面的问题得到了较好的总结，但在施工双向偏压的浅埋软岩小净距隧道时,对围岩的稳定性、中夹岩柱的稳定性等方面的研究并不深入。

1  小净距隧道数值模型与参数

1.1 工程概况

鱼岭2#隧道位于竹山县境内，该隧道为双洞分离式长隧道（出口段小净距），左幅进口桩号K12+516，出口桩号K14+024，长1508m，坡率1.787%/-2.98%；右幅进口桩号YK12+500，出口桩号YK14+008，长1508m，坡率1.805%/-2.976%。隧道最大埋深215m。根据设计文件与地勘报告说明，左、右线隧道共分9个围岩段，围岩级别分属于Ⅲ～Ⅴ级。口洞口段主要为残坡积土及风化较强、结构松散、岩体破碎、围岩纵波速度Vp=500～3100m/s的强~中风化绢云钠长片岩为主的Ⅴ级围岩。地下水受降雨影响明显，开挖洞内多见点滴状、线状渗水，在雨季形成淋雨状渗水。

1.2 模型的建立及监测点的布置

根据鱼岭2#隧道工程的实际情况，隧道开挖方向为正Y方向，隧道埋深沿Y/X方向渐变。埋深沿Y正向的斜率为1:2，沿X正向斜率为1:3。Y=0截面：小净距隧道拱顶连线中点距地表深度约为20m,Y=120截面：小净距隧道拱顶连线中点距地表深度约为80m。当隧道周边围岩大于3倍洞径以外受隧道施工影响较小，所以计算模型两侧边界至隧道中心线距离选取为70m＞12.24×3m，底部边界至隧道距离选取为60m＞12.24×3m。模型原点设置为Y=0截面左右隧道中点，其中研究合理净距模拟时采用的是等间距隧道模型，其余工况采用的是非等间距模型。隧道间距按实际情况简化为按一定比例沿开挖进深线型增加：Y=0截面，间距为5.75m；Y=120截面，间距为12.00m；净距变化函数：X=2×(2.875+3.125×y/120)。

在众多影响浅埋偏压软岩小净距隧道施工安全的因素中，选取受力极其复杂中夹岩柱作为施工时变形和受力的关键点加以控制，从而在进洞5m处布置6个监测点，观测小净距隧道的变形和受力情况，每个监测点布置如图2所示。

图1小净距隧道模型                  图2 监测点布置图

1.3 模拟计算参数的选取

根据鱼岭2#隧道隧道地质勘察报告，围岩等级为Ⅲ～V级，洞身段主要为Ⅳ级围岩，隧道横断面为马蹄形，断面净空达104.98㎡，出洞口处隧道最小净距为5.75m。本文选取120m典型V级围岩地段进行模拟。隧道采用复合式衬砌，初支由中空锚杆（Φ25，L=3.5m，梅花桩布置）+钢筋网+工字钢拱架+喷射混凝土构成，采用C30混凝土作为二次衬砌，计算见表1所示。

表1 结构的物理力学特性

2  小净距隧道数值模拟结果及解析

2.1 合理净距数值模拟结果分析

采用等间距的模型，两台阶开挖，并且左洞（浅埋侧）掌子面比右洞（深埋侧）掌子面先行30m。设置0.3B、0.5B、0.75、1B、1.25B、1.5B不同净距工况， B为洞径。

（a）外部围岩最大位移值       （b）中夹岩柱最大主应力值      （c）中夹岩柱最大位移值

图3 不同净距下位移及应力对比图

由图3（a）可知，各条曲线分布集中，表明在地形偏压情况作用下，外部围岩的最大位移值受净距影响较小。此外，在开挖过程中，坡顶的塑性区不断增加，因此应加强在施工过程中对洞顶边坡位移值的监测。

由图3（b）和图3（c）可知，当净距为0.3B时，中夹岩柱的最大主应力与最大位移值发展较大。当净距在0.5B-0.75B时，中夹岩柱的最大主应力与最大位移值发展逐渐趋于一致，为过渡区域，逐渐有利于施工安全。因此，在考虑中夹岩柱及外部围岩应力位移特征的情况下，最合理净距为0.5B-0.75B左右。

2.2 合理施工工法数值模拟结果分析小净距隧道

通过对不同的施工工法进行数值模拟，分析不同施工工法在同等条件下影响隧道围岩及支护结构的情况。

表2 不同施工工法监测点拱顶累计下沉值表

对双向偏压浅埋软岩小净距隧道进行不同工况下的数值模拟分析，发现对隧道围岩应力和中夹岩柱的影响差别不大，对隧道拱顶收敛作用较大。通过监测点拱顶最终下沉表发现，拱顶沉降和周边监测点迅速收敛，位移值相对合理，可以在两台阶左洞先行情况下，对围岩进行快速封闭；而且两台阶施工方法简单，从经济上考虑也是有利的。在保证隧道施工质量与安全前提下，可采用上下台阶法左洞先行施工方案。

2.3 小净距隧道中夹岩柱采用模拟结果分析对拉锚杆加固数值

小净距隧道中夹岩柱设计往往较薄，它作为隧道传力和承力的主要部分，而且左右两个洞施工和开挖过程中互相影响较大，需采取合理的方案对中夹岩柱进行加固，才能保证隧道在施工和运营期间的安全。在施工时，小净距隧道中采取预应力为60KN、120KN、180KN三种工况下，对拉预应力锚杆对中夹岩柱进行加固，预应力对拉锚杆沿进深布置在0.5m，后面都是每1m布置，在竖向上间距为1.5m，布置图见下图4。

图4 预应力对拉锚杆布置示意图

（a）60KN对拉锚杆轴力云图    （b）120KN对拉锚杆轴力云图    （c）180KN对拉锚杆轴力云图

图5 不同预应力值锚杆轴力云图

从图5可知，隧道横断面上，锚杆轴力从拱顶到拱脚呈由大到小的分布；由内向外呈由大到小的分布，且随着开挖进深不断增大。从锚杆轴力大小看，锚杆在拱部作用更大，在拱脚至墙脚部作用更小；锚杆轴力左洞比右洞更大，由此可以得出，施工后行洞（右洞）对先导洞（左洞）围岩造成了一定影响，左洞锚杆发挥了应有的支护作用。同时开挖时锚杆最大轴力为19.7KN、27.66KN、20KN，这说明预应力锚杆值为120KN左右，最有利加固中夹岩柱，这才是锚杆能发挥最大的性能的地方。所以，中夹岩柱使用预应力锚杆在软弱围岩的情况下进行加强，建议施加预应力值为120KN。

2.4 合理施工间距数值模拟结果分析小净距隧道掌子面

隧道纵向施工过程采用三维模型进行数值模拟，通过研究不同施工间距下施工对围岩稳定性的影响，得出最优施工间距。设两台阶左右洞同时开挖、左行洞掌子面比右洞掌子面先行10m、20m、30m、40m五种工况。

（a）围岩最大位移值     （b）中夹岩柱最大主应力值     （c）中夹岩柱最大位移值

图6 各施工间距下位移及应力图

由图6（a）可知，随着隧道开挖循环的增加其不同施工间距外部围岩最大位移的变化规律基本一致。在施工间距为0m、10m、20m时，外部围岩最大位移值有较大的发展，随着掌子面施工间距的增大，外部围岩的最大位移值逐渐减小；施工间距为30m、40m时，外部围岩最大位移值的发展趋势趋于一致。从图6（b）可以看出，不同掌子面施工间距下，中夹岩柱的最大主应力终值相差不大，随着掌子面施工间距的增大，中夹岩柱的最大主应力值减小不大，可见不同掌子面施工间距对中夹岩柱的最大主应力值的影响较小。从图6（c）可以看出，不同掌子面施工间距下，随着开挖步的增加，中夹岩柱最大位移值逐渐增大，增大的趋势基本上一致；在同一开挖步下，当施工间距为0m（同时开挖）、10m、20m时，中夹岩柱的最大位移值有较大发展，即随着掌子面施工间距的增大，中夹岩柱最大位移值呈递减趋势，这说明不同的施工间距对中夹岩柱的最大位移影响较大，对中夹岩柱的稳定是不利的，当施工间距30m、40m时，中夹岩柱的最大位移值发展趋势逐渐趋于一致，这对施工安全是有利的。

3 结语

本文以鱼岭2#隧道为工程背景，通过对拉锚杆预应力值及施工间距对隧道中夹岩柱应力进行数值模拟分析，对不同隧道净距、施工工法、中夹岩柱加固的等情况进行条件，得出以下结论：

（1）在不同隧道净距工况中，0.5B-0.75B净距为分界点,合理的净距为0.5B-0.75B。

（2）在对不同施工工法进行数值模拟中，采用两台阶左洞先行进行施工，施工方法简单，能快速地封闭围岩，使得拱顶沉降及周边监测点快速收敛，且位移值相对合理，从经济方面考虑是有利的。

（3）在对中夹岩柱加固时，在预应力对拉锚杆值为120KN左右是锚杆能发挥最大的性能，在软弱围岩情况下，对中夹岩柱的稳定性有利施加预应力值为120KN。

（4）通过隧道围岩在不同施工间距下应力和位移变化来看，后行洞开挖对邻洞的干扰较小的施工间距约为2.5倍洞径。

参考文献：

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