杜 飛

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司， 天津 300350)

小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

杜 飛

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司， 天津 300350)

鑒于小凈距隧道的特點(diǎn)，研究圍巖穩(wěn)定性的影響因素。以石家莊至冀晉界曹家莊公路曹家莊小凈距隧道為研究背景依托，采用FLAC3D有限差分法，模擬不同的凈距、埋深、施工順序等影響因素條件下，小凈距隧道的圍巖影響程度，得出有用結(jié)論，為類(lèi)似工程做參考。

小凈距隧道； 有限差分法； 穩(wěn)定性

1 概述

圍巖失穩(wěn)模式和影響穩(wěn)定性的主要因素是高速公路小凈距隧道修建過(guò)程中的關(guān)鍵研究問(wèn)題。在偏壓條件下，給施工安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)和隱患。本文以高速公路小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定影響因素為主要研究對(duì)象，結(jié)合已經(jīng)順利完成施工的京昆高速公路晉冀界石家莊段曹家莊淺埋、偏壓、小凈距隧道，進(jìn)行了較全面的FLAC3D有限差分法模擬計(jì)算。曹家莊小凈距隧道施工見(jiàn)圖1。

圖1 京昆高速晉冀界曹家莊小凈距隧道施工

2 小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素

2.1 計(jì)算參數(shù)

圍巖參數(shù)、圍巖加固參數(shù)及具體錨桿力學(xué)參數(shù)、初期支護(hù)噴射混凝土力學(xué)參數(shù)分別見(jiàn)表1～表3。

表1 圍巖及加固區(qū)計(jì)算參數(shù)

本次模擬計(jì)算使用巖土工程專(zhuān)業(yè)軟件FLAC3D進(jìn)行有限差分法模擬，根據(jù)其單元特性選擇實(shí)體單元進(jìn)行模擬圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)體。模型中x軸方向?yàn)樗椒较?向左為正；y軸為開(kāi)挖縱向,以開(kāi)挖方向?yàn)檎?；z軸為豎直方向,以豎直向上為正，具體模型見(jiàn)圖2。

表2 錨桿力學(xué)參數(shù)

表3 初期支護(hù)計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2.2 施工順序優(yōu)化

在隧道施工時(shí)，先里后外(先開(kāi)挖深埋側(cè)，再開(kāi)挖淺埋側(cè))，還是先外后里(先開(kāi)挖淺埋側(cè)，再開(kāi)挖埋深側(cè))，往往是施工中關(guān)鍵的問(wèn)題。因此，采用數(shù)值模擬，以V級(jí)圍巖為例進(jìn)行計(jì)算，不考慮注漿加固和支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下，不同施工順序條件開(kāi)挖引起圍巖變形情況見(jiàn)圖3。

從圖3(a)可以看出，“先里后外”施工引起隧道最大沉降為2.94cm。從圖3(b)可以看出，如果采用“先外后里”施工，最大沉降為2.47cm。因此，施工采用“先外后里”，即先開(kāi)挖淺埋側(cè)，再開(kāi)挖埋深側(cè)，有利于隧道整體圍巖穩(wěn)定性。

2.3 不同隧道凈距對(duì)比分析

2.3.1 先行洞拱頂沉降影響

數(shù)值模擬過(guò)程中，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，不同凈距條件下，先行洞拱部沉降最大值見(jiàn)圖4。

(a)整體模型

(b)襯砌結(jié)構(gòu)

(a)先里后外

(b)先外后里

(a)埋深10 m

(b)埋深20 m

(c)埋深40 m

(d)埋深80 m

從圖4看出,隨著凈距的增大，先行洞(右洞)拱部沉降減小。對(duì)于Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖來(lái)說(shuō)，凈距大于或等于6m時(shí)，拱部沉降基本穩(wěn)定。而對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，間距大于等于16m時(shí)，位移才能穩(wěn)定。對(duì)于小凈距隧道，當(dāng)凈距很小時(shí)，由于變形相互疊加和影響，有大跨整體變形的趨勢(shì)。隨著凈距增大，雙洞變形慢慢分開(kāi)，向著單洞變形發(fā)展。拱部沉降最大值均發(fā)生在斷面大后行洞拱部，且靠近中巖墻一側(cè)。

2.3.2 后行洞拱頂沉降影響

各種凈距條件下，后行洞(左洞)拱部變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

從圖5看出，后行洞相對(duì)先行洞來(lái)說(shuō)，拱部沉降最大值更大。不同級(jí)別圍巖沉降差別明顯，Ⅳ級(jí)圍巖變形基本上是Ⅲ級(jí)圍巖變形2倍以上，Ⅴ級(jí)圍巖更大。均隨著凈距的增大，變形逐漸減小。

(a)埋深10 m

(b)埋深20 m

(c)埋深40 m

(d)埋深80 m

2.4 埋深對(duì)中巖墻塑性區(qū)影響

不同凈距條件下，中巖墻彈性區(qū)厚度曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

從圖6看出，對(duì)于凈距較小時(shí)，不管埋深多少，Ⅲ級(jí)圍巖呈現(xiàn)明顯彈性，Ⅳ級(jí)圍巖呈現(xiàn)彈塑性，Ⅴ級(jí)圍巖完全塑性。隨著間距的增大，中巖墻彈性區(qū)厚度隨著埋深增大，呈線(xiàn)性增大，說(shuō)明逐漸呈現(xiàn)單洞特性，間距12m為最小安全凈距。

(a)凈距2 m

(b)凈距3 m

(c)凈距4 m

(d)凈距6 m

(e)凈距8 m

(f)凈距12 m

(g)凈距16 m

(h)凈距24 m

3 結(jié)論

針對(duì)曹家莊小凈距隧道的施工順序，“先里后外”施工引起隧道最大沉降為2.94cm，而“先外后里”施工最大沉降為2.47cm。因此施工中采用“先外后里”，即先開(kāi)挖淺埋側(cè)，再開(kāi)挖埋深側(cè)，有利于隧道整體圍巖穩(wěn)定性。FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果表明，后行洞(深埋測(cè)左洞)相對(duì)先行洞(淺埋測(cè)右洞)來(lái)說(shuō)，拱部沉降最大值更大。不同級(jí)別圍巖沉降差別明顯，Ⅳ級(jí)圍巖變形基本上是Ⅲ級(jí)圍巖變形2倍以上，Ⅴ級(jí)圍巖更大。均隨著凈距的增大，變形逐漸減小。對(duì)于凈距較小時(shí)，不管埋深多少，Ⅲ級(jí)呈現(xiàn)明顯彈性，Ⅳ級(jí)圍巖呈現(xiàn)彈塑性，Ⅴ級(jí)圍巖完全塑性。

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杜飛(1985～)，男，本科，工程師，主要從事施工技術(shù)及施工管理工作。

U452.1+2

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[定稿日期]2016-09-06