基于Hoek－Brown准则的小净距隧道围岩稳定性数值模拟分析

石 光

（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300451）

在我国山区高速公路选线设计时，由于地形条件的限制，往往较少应用上、下行隧道，而连拱隧道由于工程造价高、施工难度比较大、施工周期长，因此公路隧道的设计形式仍主要以双线隧道为主.人们也在努力去设计另外更能符合实际情况的隧道形式，这就是小净距隧道［1－4］.设计中对最小净距条件及围岩稳定性提出更高的要求.

在小净距隧道围岩稳定性研究方面，韩同春等［5］针对雷公浦小净距隧道后行左洞洞口段具有半硬岩层半软岩层的特点，在开挖过程中，按照新奥法对隧道地表沉降、拱顶下沉、水平收敛、中间岩柱的位移、锚杆轴力、围岩压力和钢拱架应力等项目进行监测；林从谋等［6］研究了高速公路扩建大断面特小净距隧道爆破稳定控制技术；K.WLo［7］等作了多隧道相互影响的现场量测；唐仪兴［8］等对京珠国道沿线近距离双隧道开挖与支护过程，使用平面和三维粘弹塑性有限元方法进行了数值模拟，分析对比了围岩与支护结构的受力、变形及塑性、受拉区的演化状况，对围岩—支护体系的稳定性进行了评价，用数值分析方法提出了双洞间距压缩的可能性.可见，在小净距隧道的围岩稳定性计算方面已经有了一定的进展，但是，在围岩力学参数合理选取及围岩峰后力学行为等方面仍被忽视，这将导致计算结果与实际工程有一定的误差.

本文以 Hoek－Brown准则为基础，采用FLAC3D数值模拟方法，对小净距隧道在不同围岩级别、不同覆盖层厚度、中间岩柱仅施做初期支护条件下进行数值分析，得出两相邻隧道安全净距的临界值，以及在不同围岩、覆盖层厚度、净距大小的条件下，隧道模型关键位置点的位移、应力与应变的变化情况，判断中间岩柱的破坏位置、机理等，计算结果对现场施工过程具有一定指导意义.

1 隧道净距与施工方案的确定

1.1 隧道净距的确定

小净距隧道的中间岩柱稳定性是衡量小净距隧道净距取舍是否合理的主要指标［9］.通过多种实验证明，施工方法和埋深对中间岩柱稳定性的影响是次要的，围岩级别一旦确定，净距就成为影响中间岩柱稳定的主要因素.如果净距的取值小于合理值，中间岩柱就会破坏，双洞就会形成联合落拱，给工程带来严重的损失.所以在选择净距大小时应慎重，对于Ⅲ级围岩，净距大于0.3B时双洞基本稳定，对于Ⅳ级围岩，净距应在0.35～0.45B范围之间，对于Ⅴ级围岩，小净距选取的合理范围应在0.75B左右［10］.本文主要研究Ⅴ级围岩情况下，小净距隧道中间岩柱稳定性情况.

1.2 施工方案的拟定

在考虑围岩的稳定性与自承能力等方面，对Ⅴ级围岩采用上下台阶和侧壁导洞组合法，如图1所示.该方法能够确保掌子面的稳定，有效控制隧道周边围岩的松动范围.由于Ⅴ级围岩的稳定性较差，所以采用侧壁导洞与台阶法相结合，能够对拱顶围岩及时支护，更加安全，但是施工比较繁琐，进度比较缓慢.

图1 隧道开挖支护顺序Fig.1 Order of tunnel excavation and support

2 计算模型与参数

2.1 Hoek－Brown屈服准则

Hoek和Brown基于Griffith的脆性断裂理论，通过室内岩石三轴试验及现场试验成果的统计分析，提出了Hoek－Brown屈服准则，经过不断改进与修正，在2002年提出了将爆破损伤和应力释放对围岩强度的影响引入到岩体扰动系数D（取值范围0～1）中，并对 Hoek－Brown常数mb、s和a进行修正，其表达式为［11］

式中：σ1、σ3分别为岩体破坏时的最大、最小主应力；σci为完整岩块的单轴抗压强度；mb、s、a 均为岩体的 Hoek－Brown常数，且mb为 Hoek－Brown常数mi（反映岩体软硬程度）的折算值，各参数可由式（2）表示［12］：

2.2 计算模型

根据弹塑性理论，隧道开挖仅对距离开挖中心3～5倍范围的围岩产生影响.所以，模拟计算区域：左、右边界为距原点60m（大于3倍单洞水平开挖的最大宽度B＝11m）；下边界取为距原点35m（大于单洞竖向开挖的最大高度8.9m），上边界区域顶面自由；前、后边界取40m.模型的边界条件确定为：x＝60，边界x 方向固定；z＝－35，z方向固定；上边界为自由边界；y＝40，y方向固定.差分网格利用程序的三维网格生成器进行划分，采用六面体八节点三维单元，对隧道开挖区域周边进行人工网格加密，建立的网格单元模型如图2所示.

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical model

2.3 模型计算参数

数值计算中，采用锚杆＋混凝土组合支护，具体计算参数见表1.

表1 围岩、支护、锚杆参数表Table 1 Parameter table of surrounding rock，support，and anchor bolts

3 结果分析

分别对隧道Ⅴ级围岩的各分部开挖工况进行模拟分析，通过分析可以得到隧道围岩的位移场及塑性区分布情况，如图3～图7所示.

图3 0.2B净距5m埋深x方向位移Fig.3 X－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

图4 0.2B净距5m埋深y方向位移Fig.4 Y－direction displacement 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

由图3、图4可知，在隧道开挖之后，两隧道的横向位移主要集中在隧道的外侧两肩部，而隧道围岩的竖向位移主要集中在内侧的两个肩部.

图5 0.2B净距15m埋深塑性区Fig.5 Plastic zone of 0.2Bclear distance and 15mburied depth of tunnel

图6 0.5B净距15m埋深塑性区Fig.6 plastic zone of 0.5Bclear distance and 15mburied depth of tunnel

通过为隧道围岩塑性区计算可知，在Ⅴ级围岩的开挖过程中，随着隧道净距的增加，塑性区范围不断缩小，表明隧道围岩已经趋于稳定.在15m埋深0.2B净距条件下，围岩塑性区有贯通现象，如图5所示，表明在施工过程中容易出现连拱顶全部倒塌的现象，主要就是由于中间岩柱的宽度很小，应力叠加，导致塑性区贯通，从而可能引起拱顶拉裂较大，所以对中间岩柱的支护与加固是必不可少的施工工序.当隧道净距达到0.5B时，隧道围岩并没有产生贯通现象，由于隧道净距的增大，中间岩柱的塑性区明显变小，没有出现贯通的现象，应力的叠加效果不是很大，所以在施工中比较安全，可见在15m埋深时，Ⅴ级围岩的隧道净距极限在0.5B左右，但这不代表Ⅴ级围岩的隧道净距极限的最终值，因为随着埋深的增加，塑性区会开展得更大.

图7为0.2B净距时支护结构受力图.由图可以看出，支护结构受力集中部位主要位于中间岩柱部分，通过计算支护结构受力大小可以判定中夹岩柱的稳定性情况.

图7 支护结构受力图Fig.7 Stress diagram of supporting structure

图8 中夹岩柱位移监测点Fig.8 Displacement monitoring points of mid－adjacent rock

图9～图10为小净距隧道中夹岩柱的位移监测，其中监测布置点如图8所示.通过分析可知，采用导坑法施工的安全性隐患较大，尤其是在施工过程中，最薄弱的环节是在工况六到工况七的开挖与支护阶段，中夹岩柱出现了较大的横向位移变化，可见运用侧壁导坑法，在开挖下侧土体时对中夹岩柱的扰动比较大，施工中应对该阶段加强观测并采取必要的应急措施.

图9 0.2B净距5m埋深x方向位移Fig.9 X－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

图10 0.2B净距5m埋深y方向位移Fig.10 Y－direction displacement of 0.2Bclear distance and 5mburied depth of tunnel

4 结 论

（1）在施工中尽量减少对中夹岩的扰动，并采取充分合理的加固措施保证小净距隧道的稳定和支护结构安全.

（2）Ⅴ级围岩条件下隧道的净距不能过小，分析表明，净距在0.2B时的中夹岩受力情况要比0.5B时危险得多，相应的围岩加固也变得艰难，所以对净距的取值一般不能小于0.5B.

（3）在采用侧壁导坑法开挖隧道，在开挖下侧土体时对中夹岩柱的扰动比较大，施工中应对该阶段加强观测并采取必要的应急措施.

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