小凈距隧道圍巖應力分布規律及穩定性研究

【摘 要】 小凈距隧道在公路、鐵路及城市地下鐵道建設中經常出現。由于小凈距雙線隧道兩隧道間凈距很小，所以隧道間的相互影響十分明顯且修建過程十分復雜。本文應用有限元數值模擬的方法對小凈距雙線公路隧道圍巖應力分布狀態隨隧道間的凈距變化和圍巖類別變化的變化規律進行分析。
【關鍵詞】 隧道 小近距 圍巖應力分布 有限元法
1 前 言
在城市繁華地區或一些特定地段，受既有建筑物或地質條件的限制及地下空間綜合開發利用的影響，隧道間距或隧道與其他結構物間的距離變得越來越小，為了適應這種發展，小凈距隧道的修建也越來越多。小凈距隧道是介于連拱隧道和普通分離式雙洞隧道間的一種結構形式，在工程應用上有自身的特點：(1)造價與普通分離式雙洞隧道相比差別較小，但比連拱隧道要低得多；(2)肩章仔公路整體線形規劃和優化。目前單洞隧道及分離式雙洞隧道的相關技術已趨成熟。但對于小凈距隧道，隧道距離近，地質條件又往往是淺埋的軟弱圍巖，隧道間相互影響，這類隧道的施工仍然十分的困難。本文針對城市隧道小凈距的特殊性，通過大型通用軟件ANSYS從數值分析著手研究雙線小凈距平行隧道的圍巖受力狀態及穩定性隨凈距變化和圍巖類別變化的變化規律，為隧道工程修建提供參考和積累經驗。
2 有限元建模計算
計算對象為某城市雙線小凈距隧道，隧道單洞跨度10．4m，高8．54m。在ANSYS中建模分網如圖1，計算范圍為寬90m，高60m，圍巖采用平面四節點實體單元(plane 42)模擬，圍巖材料為線彈性，物理力學參數見表1。

表1 圍巖物理力學參數

3 小凈距雙線隧道的圍巖受力及穩定性分析
《公路隧道設計規范》中規定，兩相鄰隧道的剮、凈距應按圍巖、地質條件和隧道斷面尺寸及施工方法等因素來確定。一般可按表2的數值取用。
表2 兩相鄰單線隧道的最小凈距

注：B-隧道開挖斷面的寬度
上表要求的最小凈距的主要因素是，將兩相鄰隧道應分別置于圍巖應力相互影響及施工影響范圍之外，或者說使其間巖柱具有足夠強度和穩定性。但在修建城市隧道時，由于建筑物和地質因素的影響，隧道間距一般難以滿足規范規定的要求。因此，本次計算以不同隧道凈距和圍巖類別來分析雙線隧道的圍巖受力特性和穩定性。
3．1 凈距對雙線小凈距隧道的圍巖受力及穩定性的影響
按埋深30m，圍巖類另II-IV凈距分別取3．5m、5m、8m、15m、25m等多種工況，計算了各種工況的毛洞開挖圍巖的應力重疊區和拱頂位移，圖2為III類圍巖毛洞開挖的等效應力等值線圖 (由于篇幅所限，其他工況等效應力圖不再列出)，圖中等值線為等效應力等值線。圖3為左洞拱頂位移隨隧道凈距變化圖。

d=25m單洞應力
以上為應力等值線圖，SEQV=0．14e7Pa

根據計算得出：
(1)隨著兩隧道凈距的減少，隧道周邊圍巖的受力越來越不利。通過計算發現，對于11類圍巖當隧道凈距大于3B，對于III類圍巖當隧道凈距大于2．5B，對于IV類圍巖當隧道凈距大于2B時兩隧道周邊圍巖的受力狀態基本與單洞隧道相同，即兩隧道相互影響很小。
以Ⅲ類圍巖為例，當隧道凈距為3，5m時隧道右洞開挖引起左洞隧道周邊圍巖的應力大幅上升(左洞先開挖)，特別是中夾層圍巖，高應力區重疊嚴重，可見在小凈距隧道中中夾層圍巖受力是十分不利的，在實際工程中應該給予高度的重視，采取必要的加強圍巖的措施以加強其穩定性，同時也可以看出在隧道開挖過程中，高應力區通常是在隧道兩側首先出現，雖然這并不意味著隧道圍巖兩側圍巖首先破壞，這是因為圍巖的拉壓強度不一致即圍巖是各向異性體與計算的假設不同的結果，但是由于在凈距隧道中，另一洞的修筑會引起本洞的圍巖應力的大幅提高所以這時洞周兩側的圍巖也應給予足夠的重視。而且通過分析還發現隨著凈距的增大隧道圍巖的受力有明顯的好轉，當凈距為15m時隧道圍巖的受力與單洞隧道圍巖應力已差別不大，當凈距為25m時兩隧道幾乎無相互影響。
(2)隨著隧道間凈距的減少，隧道的拱頂位移明顯的增大，其圍巖穩定性就變得越來越不利。以III類圍巖為例，拱頂位移隨凈距變化曲線見圖3，從中可以看出，隨著隧道凈距的增大，隧道左洞拱頂位移明顯減少。當凈距大于2．5B(25m)時，雙洞開挖后左洞拱頂位移和單洞開挖后拱頂位移基本接近，說明兩隧道凈距大于2．5B后，兩隧道幾乎無相互影響。
3．2 圍巖類別對雙線小凈距隧道穩定性的影響
由于城市隧道多數埋置在軟巖當中，圍巖的自承能力很弱，而圍巖的物理力學特性對圍巖的穩定性有著至關重要的影響，因此圍巖類別是影響雙線隧道圍巖受力的另一重要因素。圖4為埋深30m，凈距5m時，左洞拱頂位移隨圍巖類別變化圖。
從圖中可以看出，隨著圍巖類別的降低，雙洞開挖后左洞拱頂位移比單洞開挖后拱頂位移明顯增加。但隨著圍巖類別的逐步提高，雙洞開挖后左洞拱頂位移和單洞開挖后拱頂位移的差值明顯減少，如圖中所示IV類圍巖時，即使兩隧道凈距僅為5m，兩者也基本接近。
通過上述分析，可見圍巖類別對雙線小凈距隧道的圍巖穩定性影響很大，隨著圍巖類別的降低，圍巖穩定性變得越來越不利。
4 結 論
根據計算研究，雙線凈距隧道的圍巖受力狀態及穩定性與隧道凈距和圍巖狀態有關系切的關系一般有以下特征：
(1)隨著兩隧道凈距的減少，隧道周邊圍巖的受力越來越不利。通過計算發現，對于II類圍巖當隧道凈距大于3B，對于111類圍巖當隧道凈距大于2．5B，對于IV類圍巖當隧道凈距大于2B時隧道周邊圍巖的受力狀態基本與單洞隧道相同，即兩隧道樞影響很小。
(2)隨著隧道間凈距的減少，隧道的拱頂位移明顯的增大，其圍巖穩定性就變得越來越不利。
(3)圍巖類別對雙繃、凈距隧道的圍巖穩定性影響很大，隨著圍巖類別的降低，圍巖穩定性變得越來越不利。

參考文獻
【1】陳少華等.小凈距隧道的結構受力特點及工程措施國際隧道研討會暨公路建設交流大會論文集(上冊)．北京：人民交通出版社，2002
【2】JTJ026-94．公路隧道設計規范.北京； 人民交通出版杜
【3】胡元芳.小線距城市隧道圍巖穩定性分析．巖石力學與巖石工程學報，2002，21