浅埋偏压小净距隧道的最小合理间距研究

魏梧树



浅埋偏压小净距隧道的最小合理间距研究

魏梧树*

(湖南庆新建设工程有限公司, 湖南 邵阳, 422200)

偏压隧道易发生塌方、冒顶、地表塌陷等工程灾害, 在小净距偏压隧道的相关设计规范中, 要求对其施工方法、支护参数以及施工顺序进行特殊设计. 用FLAC3D对小净距偏压隧道在不同施工间距下循环开挖过程进行了模拟, 对偏压率分别为1.16、1.25和1.5时的不同间距, 以及不同偏压率时的施工力学效应和围岩沉降进行了研究. 结果表明: 当隧道偏压率分别为1.5、1.25和1.16时, 2隧道中间岩柱最小合理间距分别为30、24和18 m; 偏压过大时, 围岩大范围塑性区集中于右洞右边墙侧, 需加强对右边墙的支护. 考虑偏压浅埋隧道的实际地形情况, 设计中间岩柱间距为18 m, 监测数据结果显示18 m的间距设计是合理的, 满足围岩稳定性要求, 验证了数值模拟研究结果的可靠性.

浅埋偏压; 小净距; 最小合理间距; 数值模拟

由于偏压隧道伴随复杂地质构造或地形等原因, 容易造成施工开挖后的围岩压力明显不对称, 因而隧道支护结构会承受偏压荷载. 偏压隧道也伴随着塌方、冒顶、地表塌陷等工程灾害, 偏压对后期支护结构的力学影响明显, 同时也影响隧道施工过程中的围岩稳定性. 因此, 开展对地形偏压对隧道结构围岩稳定性影响及偏压浅埋小净距隧道的最小合理间距研究, 具有重要指导意义.

近些年, 学者们对偏压小净距隧道进行了不少研究. 杨小礼、眭志荣[1]采用对不同工序下的浅埋小净距偏压公路隧道进行了施工力学数值模拟分析, 得出了不同开挖工序时的围岩位移、应力、地表位移及塑性区的变化情况. 李云鹏[2]等从不同围岩级别出发, 对小间距隧道采用双侧导坑法的开挖施工过程进行了数值模拟, 给出了在施工过程中不同围岩级别下的围岩破坏特征及其变形规律, 洞周最大变形量值之间的相对比值关系得以确定. 刘胜利等[3]采用有限元数值模拟法, 对复杂地质条件下的小间距双线隧道的围岩稳定性进行了分析, 并结合依托隧道的围岩及结构的稳定性进行了评估. 姚勇等[4]采用数值模拟方法, 对小净距隧道的复合衬砌的力学效应、中间岩柱受力及变形特点进行了研究.

学者们对偏压隧道的研究成果不少, 但隧道工程地质复杂多样, 多数成果对实际工程的参考价值不是很大. 目前, 偏压小净距隧道的最小合理间距问题仍没有得到很好解决, 而公路隧道设计规范[5]规定当小净距隧道有偏压时, 支护参数、施工方法和施工顺序宜进行特殊设计. 本文以宴岗隧道为背景, 利用FLAC3D软件, 对比分析不同偏压率时的不同间距, 对比分析其模拟结果以获得最佳合理间距, 得出在不同偏压率时的围岩沉降结果, 为该类浅埋偏压小净距隧道的设计和施工提供参考.

1 工程概况及建模参数的确定

晏岗隧道位于广深高速公路东莞市虎门镇, 隧道设计为偏压小净距短隧道, 埋深较浅, 右线隧道全长300 m, 左线隧道全长310 m. 左右线隧道都位于直线上, 纵坡都设计成小人字坡, 右线隧道纵坡坡度为1.25%和-0.9%, 左线隧道纵坡坡度为1.25%和-0.898%. 隧道最大覆土厚度约25 m, 左右隧道间的净岩柱宽为18 m. 为了研究浅埋小净距隧道合理间距与隧道偏压程度间的关系, 引入偏压率指标[6], 采用FLAC3D软件用不同偏压率值对比隧道最小合理间距, 并进行分析.

以下为研究的前提与方法[7—9]:

① 保证左洞埋深相同(埋深均为20 m), 建立1:6、1:4和1:2三种坡度的隧道模型;

② 模拟隧道围岩级别为V级, 其参数见表1;

③ 无支护条件下隧道中间岩柱塑性区贯通, 视为隧道失稳, 进行围岩稳定性分析;

④ 根据地表坡度与偏压率的关系1 +0(其中为洞宽,0为埋深), 分析偏压率分别为1.16、1.25和1.5时保证围岩稳定的中间岩柱宽度;

⑤ 确定以上条件下的隧道最小合理间距.

表1 围岩力学参数

1.1 偏压率1.16隧道最小合理间距

图1为偏压率为1.16时, 间距分别为18、24、30和36 m时4种情况下隧道无支护结构开挖后的围岩塑性区分布图.

由图1可知, 受偏压影响, 右洞塑性区明显大于左洞, 边墙角和拱腰的塑性区发展严重. 对比4个图, 图1(a)中隧道间距为18 m时中间岩柱塑性区贯通, 而图1(b)、(c)、(d)中未有贯通, 而是中间岩柱塑性区分离. 根据贯通视为失稳的准则, 图1(b)、(c)、(d)中最小的间距为24 m, 可认为, 偏压率为1.16时, 2隧道合理间距为24 m.

1.2 偏压率1.25隧道最小合理间距

图2为偏压率1.25时, 间距分别为18、24、30和36 m时4种情况下隧道无支护开挖后围岩塑性区分布图. 左、右洞隧道的围岩塑性区分布与偏压率为1.16时相似, 但是围岩塑性区的范围明显比偏压率1.16时塑性区的范围大. 据上述准则, 同样, 偏压率为1.25时, 2隧道最小合理间距为24 m.

图1 偏压率1.16时不同间距围岩塑性区分布

图2 偏压率1.25时不同间距围岩塑性区分布

1.3 偏压率1.5隧道最小合理间距

图3为偏压率为1.50时, 间距分别为18、24、30和36 m时4种情况下隧道无支护开挖后围岩塑性区分布图. 相比前2种偏压情况, 偏压率为1.5时隧道右洞右侧塑性区变形严重, 可见, 偏压太大, 右侧围压才是最关键的问题. 图2(a)、(b)中, 隧道间距为18和24 m时中间岩柱塑性区贯通, 图2(c)中间距为30 m时, 中间岩柱塑性区分离. 因而偏压率为1.50时, 2隧道最小合理间距为30 m, 并且还应首先确保右洞的右侧围岩稳定.

图3 偏压率1.50时不同间距围岩塑性区分布

2 隧道合理施工间距模拟分析

分析左右2隧道施工时掌子面间的合理间距按如下条件进行计算: ① 建立三维模型, 模型纵深90 m, 围岩按表1中Ⅳ级围岩参数取值; ②分别建立2隧道施工掌子面间距为0、10、20、30和40 m的5种模型; ③左右隧道均采用全断面法开挖, 均以10 m为一个循环开挖至贯通, 不考虑工法; ④ 支护结构以锚杆、喷射混凝土和加固圈方式进行, 注浆锚杆采用锚索单元. 喷射混凝土-钢拱架采用壳体单元.

2.1 围岩沉降计算结果

图4为施工掌子面间距40 m时, 隧道贯通后围岩竖向位移云图. 施工时需对核心土进行必要的支护, 工作面施工完成后及时封闭, 拱顶部分进行超前支护, 仰拱及时施工. 如图5所示在进深10 m断面处设置监测点, 得到地表沉降曲线如图6—图9.

图4 围岩竖向位移云图

2隧道贯通后, 左拱顶沉降、右拱顶沉降和地表沉降最终值基本是相同的, 只是施工过程中每一分步引起的沉降值差别较大, 从图5和图6不能分析出施工时2隧道的合理间距.

图5 测点布置图

图6 施工步与测点沉降关系曲线

2.2 围岩应力计算结果

在中间岩柱上取如图5所示3个监测点进行围岩竖向应力监测, 应力监测点如图7所示, 应力变化曲线见图8.

图7 应力监测点

图8所反映的中间岩柱应力变化曲线与围岩沉降变化曲线相似, 各测点应力最终是相同的, 在中间工序应力增量差异明显. 图9为不同施工间距时监测点竖向应力增量曲线.

当掌子面间距为20 m时, 目标断面应力增量峰值分为2个, 围岩竖向应力增量峰值减小明显. 沿隧道纵向方向, 目标断面前后20 m范围内, 隧道施工对中间岩柱的竖向应力增量影响较大, 所以, 为保证2隧道同时施工对中间岩柱影响不至于太大, 掌子面合理间距宜大于20 m.

图8 测点竖向应力曲线图

图9 测点竖向应力增量曲线

3 结论

依托晏岗隧道工程, 运用FLAC3D软件建立晏岗隧道三维施工模型, 分别对浅埋偏压小净距隧道不同偏压情况下隧道最小合理间距和施工掌子面合理间距进行了优化模拟研究, 得到以下2点结论:

① 通过FLAC3D对比分析, 设计隧道偏压率分别为1.5、1.25和1.16时, 2隧道中间岩柱最小合理间距分别是30、24和18 m. 3种情况下, 埋深较大的隧道右边墙侧向应力增大明显, 且偏压率越大所产生塑性区的范围也越大, 需加强对该区域的支护. 设计中间岩柱间距为18 m, 可满足围岩稳定性要求, 监测数据满足设计要求, 进一步验证了模拟结果的可靠性.

② 基于三维模拟方法，设计隧道的施工掌子面距离分别为0、10、20、30和40 m五种模型，对比分析研究中间岩柱的稳定性. 结果表明: 当左右隧道的施工掌子面距离为20 m时, 中间岩柱竖向应力增量明显减少, 为确保围岩稳定及施工合理, 建议实际施工时左右隧道施工掌子面距离应大于20 m.

[1] 杨小礼, 眭志荣. 浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析[J]. 中南大学学报, 2007, 38(4): 764—770.

[2] 李云鹏, 王芝银, 韩常领, 等. 不同围岩类别小间距隧道施工过程模拟研究[J]. 岩土力学, 2006, 27(1): 11—17.

[3] 刘胜利, 施成华, 彭立敏, 等. 小间距隧道施工期间洞室与结构的稳定性评判[J]. 西部探矿工程, 2003(3): 108—111.

[4] 姚勇, 晏启祥, 周俐俐. 小净距隧道在不同开挖方式下的力学效应分析[J]. 西南科技大学学报, 2005, 20(2) : 53—56.

[5] 中华人民共和国交通部. JTJD70-2004 公路隧道设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

[6] 刘波, 韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005: 543—549.

[7] 关宝树. 隧道及地下工程[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2000.

[8] 傅鹤林, 张聚文, 黄陵武, 等. 软弱围岩中大跨度浅埋偏压小间距隧道开挖的数值模拟[J]. 采矿技术, 2009, 9(5): 17—21.

[9] Ng C W W, Lee K M, Tang D K W. Three-dimensional numerical investigations of new ustrian tunneling method (NATM) twin tunnel interactions[J]. Can Geoteeh J, 2004, 41: 523—539.

Discussion on the reasonable spacing of shallow, unsymmetrical loading and closely-spaced tunnel

WEI Wu-shu

(Hunan Qingxin Engineering Co., LTD., Shaoyang 422200, China)

Collapse, roof fall, ground subsidence and other engineering disasters happen often in bias and close spacing tunnels. In the related design specifications, constructing methods, supporting parameters and constructing steps must be designed specially. With the help of FLAC3D,circular excavation with different steps and with bias rateof 1.16, 1.25 and 1.5 were simulated, construction mechanics and results of rock’s settlement were analyzed as well. Results show that when a tunnel with bias rate of 1.16, 1.25 and 1.5, rock pillars minimum spacing between the two closing tunnel is correspond to 18 m, 24 m and 30 m. Whilethe bias pressure was great in the right side wall on the right tunnel, a wide range of plastic zone is produced, the stability of sidewall was influenced in which should be reinforced support. Finally, taking into account the actual terrain conditions, rock pillars in the middle distance was designed with 18 m, monitoring results show that the spacing design is reasonable, stability of surrounding rock met the requirements, the reliability of numerical simulation results were verified.

shallow and unsymmetrical loading; small clear spacing;minimum spacing;numerical simulation

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.04.016

U 455

1672-6146(2013)04-0064-06

email:xiaochenghuang@163.com.

2013-10-16

(责任编校: 江 河)