小间距隧道结构稳定性预测.doc

小间距隧道结构稳定性预测

1. 工程概况
某隧道隧址区属低中山地貌，隧道进出口端山坡坡度60°~85°，地面标高介于671.09~860.00m之间，相对高差188.91m，基岩裸露，隧道右线最大埋深160.0m，左线最大埋深169.6m，如图1所示。在工程区域内，地层相对单一，主要为古生界奥陶系下统石瓮组灰岩（O1s），深灰色，细晶结构，厚层状构造，夹燧石条带，层理产状220°∠20°，风化裂隙、节理裂隙发育。其中强风化厚度23.0m左右，岩体破碎；弱风化和微风化厚度大于50m，岩体处于较破碎到较完整之间。区域内灰岩岩溶比较发育，发育方向以层理面为主，节理面次之。根据区域地质勘察与调研资料可知，隧址区属南秦岭陆内造山带，地壳相对稳定；但隧道沿线围岩级别为Ⅲ~Ⅴ级，围岩稳定性特别是Ⅴ级围岩区段小间距隧道的稳定性值得进一步考察。为此，本文选择某Ⅴ级围岩区段小间距隧道LK84+332断面，利用数值模拟方法，对某小间距隧道稳定性进行预测研究，其横断面图如图2所示。

图1 某隧道左线纵断面图

图2 某左线进口LK84+332.00横断面图
2 模拟模型及分析过程
2.1计算模型
某图3 计算模型
左线进口LK84+332.00处的隧道断面净宽为11.68m,净高为9.75m，左右洞高差0.41m，左右线隧洞间距为7.3m。分析区域根据隧道进口LK84+332.00横断面图，x方向的范围左右隧道外侧各取20m，y方向下边界取隧道下边缘向下15m，上边界为自然地表。边界左右两侧水平方向约束，底部竖向约束，上边界自由。计算模型如图3所示。
2.2力学参数
左线进口LK84+332.00处的隧道断面位于V类围岩中，计算采用的围岩力学参数按照公路隧道设计规范JTG D70-2004选择。因考虑到隧洞洞周的砂浆锚杆区对围岩的自承能力有一定的提高，则对Ⅴ类围岩的力学参数进行等效计算。如等效弹性模量的计算式为
（1）
式中：为砂浆锚杆环形区的弹性模量；为砂浆锚杆区的面积；为围岩的弹性模量；为除去砂浆锚杆区的面积；为等效弹性模量；为模型断面总面积。
隧道初期锚喷钢架联合支护使用喷C25混凝土和I20a型钢拱架，二次衬砌使用C25钢筋混凝土，衬砌的力学参数同样按照式（1）进行了等效计算。计算模型所采用的力学参数列于表1中。
表1 计算模型力学参数
材料
C(MPa)
φ(度)
μ
E(GPa)
γKN/m3
C25，钢拱架
2.66
63
0.167
36.634
29
C25钢筋混凝土
2.28
54
0.2
31.084
25
V级围岩
0.186
30.6
0.39
3.368
18.89

2.3 数值模拟方法及过程
采用有限元法模拟隧道分期开挖、初次支护和永久支护的全过程。分析过程中视围岩为弹塑性材料，围岩所处状态采用德鲁克—普拉格准则进行判定。初始地应力场由自重形成，开挖释放荷载模拟方法采用反转应力释放法，支护受力情况根据实际施工距工作面的距离确定。
开挖按台阶法施工，支护采用喷锚网钢架联合支护方式的初次支护和钢筋混凝土全断面二次支护的复合式支护结构。按照从左到右，从上到下的施工顺序，每开挖完一步先进行初期支护，单洞开挖完毕，一次完成二次衬砌。第1步开挖左洞上半部分，第2步进行初期支护，第3步再开挖右洞上半部分，第4步进行初期支护，第5步开挖左洞下半部分，第6步进行初期支护，第7步完成左洞二次衬砌，第8步开挖右洞下半部分，第9步进行初期支护，第10步完成右洞二次衬砌。模拟施工过程如图4所示。

图4施工过程模拟示意图
3 数值模拟结果分析
按照以上建立的计算模型和确定的力学参数，通过数值模拟分析与计算，得到了隧洞不同施工步的位移，应力及塑性区破坏规律。
3.1 隧道塑性区发展规律
图5~图10给出了不同施工步隧道围岩塑性区分布情况，图中蓝色区为应力状态已达到屈服状态的区域。

图5 第1步施工后塑性区图 图6 第3步施工后塑性区图

图7 第5步施工后塑性区图 图8 第7步施工后塑性区图

在
图9 第8步施工后塑性区图 图10 第10步施工后塑性区图

由图5可见，第一步左隧道上半断面开挖后仅在靠隧道底板右侧墙处出现了很小的塑性区，随着施工掌子面的不断推进、初次支护的施作和右隧道上半断面的开挖，左隧道围岩塑性有所增大，而且右隧道受左隧道的影响，开挖上半断面时围岩出现了比左隧道围岩更大的塑性区，如图6所示。从图7~图10塑性区发展图可以看出，在开挖支护施工过程中两隧道相互影响，先施工的左隧道比后施工的右隧道影响要小的多。表现在塑性区不仅主要分布在两隧道靠底板仰拱两侧处和拱腰附近，而且由于施工扰动，右隧道围岩塑性区面积要明显大于左隧道，尤其是在拱腰附近，两隧道相邻的底板仰拱处和拱腰塑性区面积较大，如图6~图10所示。
因此，在各步开挖施工后应及时进行初次支护，特别是对右洞的施工过程中要及时进行初次支护。
由图6~10可见，虽然塑性区随施工步在变化和发展，但初次支护和二次支护在整个施工过程中始终处于弹性状态，说明在支护结构的加固条件下隧道是稳定安全的。
3.2 隧道周边变形规律
鉴于篇幅有限，现仅给出隧道周边最后一步的位移图如图11所示。从隧道周边位移图看到，周边较大的变形量是拱顶垂直向下的位移和底板垂直向上的底鼓量，其中底板中点是洞周最大位移发生点；两隧道边墙的水平方向位移相对较小。进一步考察一些关键点位移量值随施工步骤的变化规律，关键点位置及点号见图12所示，位移随施工过程的变化规律如图13所示。

图11 第10步洞周位移分布图

图12 关键点几何位置示意图

图13 位移随施工过程的变化
3.3 隧道周边应力变化规律
图14~16给出了第10施工步后隧道周边主应力和最大剪应力分布图。由图14和16可见，隧道拱肩偏下处为最大应力发生处，而且由于小间距隧道的相互影响，应力分布不具有对称性，左隧道左拱肩处应力受影响最大。从图15可见，隧道周边最小压应力分布在上下台施工分界处有突变情况，特别是右隧道此处的应力已经变为拉应力。如众所知，岩体的抗拉强度很低，在这些部位极易出现受拉破坏的现象。因此，在施工过程中应特别注意对分期施工分界面处的及时支护或加固处理。

图14 第10步隧道周边最大压应力分布图

图15 第10步隧道周边最小压应力分布图

图16 第10步隧道周边最大剪应力分布图

4. 结论
根据工程实际地质资料，通过对某Ⅴ级围岩区段小间距隧道LK84+332断面的实际施工过程的逼真有限元数值模拟分析，表明只要紧跟施工掌子面及时进行初次支护，该区域小间距隧道支护结构与围岩均基本稳定；施作二次支护后能确保隧道支护结构与围岩长期处于稳定状态。
数值模拟结果表明，右隧道受小间距隧道施工方案的影响较大，表现在围岩塑性区面积明显大于左隧道，关键点位移高于左隧道对应位置点的量值，关键位置的应力出现了拉应力情况。因此，在右隧道施工时更应严格执行设计方案，紧跟施工掌子面及时进行支护，并确保施工质量。
数值模拟是基于施工前的基本资料，若施工过程中有其他复杂地质情况，应进行特殊处理与强支护，并可利用实际出现的地质条件进行进一步数值模拟和隧道结构的稳定性预测。