小凈距隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及穩(wěn)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(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)。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(fù)雜。本文應(yīng)用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)小凈距雙線公路隧道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)隨隧道間的凈距變化和圍巖類別變化的變化規(guī)律進(jìn)行分析。
【關(guān)鍵詞】 隧道 小近距 圍巖應(yīng)力分布 有限元法
1 前 言
在城市繁華地區(qū)或一些特定地段，受既有建筑物或地質(zhì)條件的限制及地下空間綜合開發(fā)利用的影響，隧道間距或隧道與其他結(jié)構(gòu)物間的距離變得越來越小，為了適應(yīng)這種發(fā)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(jié)構(gòu)形式，在工程應(yīng)用上有自身的特點(diǎn)：(1)造價(jià)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(guī)劃和優(yōu)化。目前單洞隧道及分離式雙洞隧道的相關(guān)技術(shù)已趨成熟。但對(duì)于小凈距隧道，隧道距離近，地質(zhì)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(duì)城市隧道小凈距的特殊性，通過大型通用軟件ANSYS從數(shù)值分析著手研究雙線小凈距平行隧道的圍巖受力狀態(tài)及穩(wěn)定性隨凈距變化和圍巖類別變化的變化規(guī)律，為隧道工程修建提供參考和積累經(jīng)驗(yàn)。
2 有限元建模計(jì)算
計(jì)算對(duì)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(wǎng)如圖1，計(jì)算范圍為寬90m，高60m，圍巖采用平面四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(plane 42)模擬，圍巖材料為線彈性，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 小凈距雙線隧道的圍巖受力及穩(wěn)定性分析
《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，兩相鄰隧道的剮、凈距應(yīng)按圍巖、地質(zhì)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(shù)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(yīng)分別置于圍巖應(yīng)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(qiáng)度和穩(wěn)定性。但在修建城市隧道時(shí)，由于建筑物和地質(zhì)因素的影響，隧道間距一般難以滿足規(guī)范規(guī)定的要求。因此，本次計(jì)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(wěn)定性。
3．1 凈距對(duì)雙線小凈距隧道的圍巖受力及穩(wěn)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(jì)算了各種工況的毛洞開挖圍巖的應(yīng)力重疊區(qū)和拱頂位移，圖2為III類圍巖毛洞開挖的等效應(yīng)力等值線圖 (由于篇幅所限，其他工況等效應(yīng)力圖不再列出)，圖中等值線為等效應(yīng)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(yīng)力
以上為應(yīng)力等值線圖，SEQV=0．14e7Pa

根據(jù)計(jì)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于11類圍巖當(dāng)隧道凈距大于3B，對(duì)于III類圍巖當(dāng)隧道凈距大于2．5B，對(duì)于IV類圍巖當(dāng)隧道凈距大于2B時(shí)兩隧道周邊圍巖的受力狀態(tài)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(dāng)隧道凈距為3，5m時(shí)隧道右洞開挖引起左洞隧道周邊圍巖的應(yīng)力大幅上升(左洞先開挖)，特別是中夾層圍巖，高應(yīng)力區(qū)重疊嚴(yán)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(shí)際工程中應(yīng)該給予高度的重視，采取必要的加強(qiáng)圍巖的措施以加強(qiáng)其穩(wěn)定性，同時(shí)也可以看出在隧道開挖過程中，高應(yīng)力區(qū)通常是在隧道兩側(cè)首先出現(xiàn)，雖然這并不意味著隧道圍巖兩側(cè)圍巖首先破壞，這是因?yàn)閲鷰r的拉壓強(qiáng)度不一致即圍巖是各向異性體與計(jì)算的假設(shè)不同的結(jié)果，但是由于在凈距隧道中，另一洞的修筑會(huì)引起本洞的圍巖應(yīng)力的大幅提高所以這時(shí)洞周兩側(cè)的圍巖也應(yīng)給予足夠的重視。而且通過分析還發(fā)現(xiàn)隨著凈距的增大隧道圍巖的受力有明顯的好轉(zhuǎn)，當(dāng)凈距為15m時(shí)隧道圍巖的受力與單洞隧道圍巖應(yīng)力已差別不大，當(dāng)凈距為25m時(shí)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(wěn)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(dāng)凈距大于2．5B(25m)時(shí)，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(duì)雙線小凈距隧道穩(wěn)定性的影響
由于城市隧道多數(shù)埋置在軟巖當(dāng)中，圍巖的自承能力很弱，而圍巖的物理力學(xué)特性對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有著至關(guān)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(shí)，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(shí)，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(duì)雙線小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性影響很大，隨著圍巖類別的降低，圍巖穩(wěn)定性變得越來越不利。
4 結(jié) 論
根據(jù)計(jì)算研究，雙線凈距隧道的圍巖受力狀態(tài)及穩(wěn)定性與隧道凈距和圍巖狀態(tài)有關(guān)系切的關(guān)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于II類圍巖當(dāng)隧道凈距大于3B，對(duì)于111類圍巖當(dāng)隧道凈距大于2．5B，對(duì)于IV類圍巖當(dāng)隧道凈距大于2B時(shí)隧道周邊圍巖的受力狀態(tài)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(wěn)定性就變得越來越不利。
(3)圍巖類別對(duì)雙繃、凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性影響很大，隨著圍巖類別的降低，圍巖穩(wěn)定性變得越來越不利。

參考文獻(xiàn)
【1】陳少華等.小凈距隧道的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及工程措施國際隧道研討會(huì)暨公路建設(shè)交流大會(huì)論文集(上冊(cè))．北京：人民交通出版社，2002
【2】JTJ026-94．公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范.北京； 人民交通出版杜
【3】胡元芳.小線距城市隧道圍巖穩(wěn)定性分析．巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)報(bào)，2002，21