浅覆大跨度小净距双洞公路隧道相互影响研究

李仲来

摘 要：分析不同净距下中岩墙的应力、变形、塑性区分布等力学行为及其支护结构的受力特性对指导小净距隧道设计与施工尤为重要。文章依靠数值分析手段，模拟在不同D/B情况下，采用三台阶法开挖分析后掘隧道开挖多次扰动对中岩墙的塑性区分布、剪应力、水平位移等力学行为的影响，以及后掘隧道对先行隧道初支结构内力的影响，结果表明在中岩墙厚度小于0.75 B时，后掘隧道对中岩墙的受力变形和先行隧道支护结构受力极为不利。该研究结果可为浅覆大跨度小净距隧道的设计和施工提供借鉴。

关键词：浅覆大跨度；小净距；中岩墙；力学行为；三台阶法

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）09-0149-03

1 研究背景

高等级公路隧道一般设计为上下行分离的独立双洞，双洞常按彼此间不产生有害影响的原则，保证最小净距，但在实际工程中存在其它条件限制而不可避免的采用小净距隧道甚至联拱隧道，因此需要做出充分的技术论证，并制定可靠的技术保障措施。

目前，业内很多学者对各类小净距隧道展开了相关研究，因中岩墙受隧道开挖的多次扰动影响，受力变形异常复杂，不利于隧道结构的稳定，故核心问题集中在合理净距的研究及优化上。Dharls对不同位置关系的双线隧道失效机理研究表明，双线隧道的破坏主要发生在中岩墙。

具体典型研究有：杉本光隆运用能量理论对平行双洞隧道研究认为当隧道间距小于1.7 B（B为隧道跨度）时，围岩稳定性必须综合考虑双洞的叠加效应。

以上研究主要针对在较小净距下，隧道开挖对中岩墙的扰动所引起的围岩受力和变形影响，而对于在小净距情况下，在先行隧道支护结构已完成的情况下，后掘隧道对先行隧道支护结构和中岩墙的综合效应的研究较少。

本文依托浙江温州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分软件分析手段，通过模拟不同净距下，采用三台阶法开挖，分析后掘隧道对先行隧道支护结构的内力变化以及隧道开挖的多次扰动对中岩墙的应力和变形的影响，对于进一步推动浅覆大跨度小净距隧道的发展和应用，具有重要的现实意义。

2 工程概况

温州某公路隧道左线里程K3+555～K4+955，长1 400 m，右线K3+550～K4+977，长1 427 m。隧道穿越段地层主要为强中风化粉砂岩、细砂岩夹泥岩，地层条件相对复杂。

浅埋段隧道埋深为10～20 m，围岩级别为V级，隧道毛洞净跨度为16.47 m，高度为10.84 m，两隧净距在10～20 m之间，V级围岩支护结构如图1所示。

左右两洞均采用三台阶法开挖，先行开挖左洞，后行开挖右洞，两洞纵向间距以左洞支护结构达到一定强度作为控制指标。左洞开挖步骤如图2所示：右洞开挖方式与左洞相同，故不再重复叙述。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

采用FLAC2D数值分析软件进行模拟，取隧道洞跨B=16.47 m，洞高H=10.84 m，隧道埋深取将近一倍洞跨为16 m。为消除应力边界影响，左、右及下边界取3倍隧道开挖直径，上边界取为自由面；左右边界约束x方向位移，下边界约束y方向的位移。数值模型如图3所示。

围岩采用平面四边形等参单元，判定准则采用Mohr-Cou-

lomb屈服准则，喷射混凝土采用结构单元liner单元模拟，钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土，拱顶120 ？觷范围的超前双排Φ42 mm小导管和初支中的Φ25 mm中空注浆锚杆均采用适当提高围岩参数进行模拟，各力学参数见表1。

采用FLAC2D进行施工过程模拟，具体模拟步骤如图3所示。初始应力场根据岩体的自重应力场计算得到，计算平衡后通过修改加固圈的围岩参数来模拟小导管和中空注浆锚杆的作用效果。

每一步开挖支护分为两个阶段，第一阶段模拟隧道开挖应力释放60%，第二阶段模拟隧道施作初期支护后应力放40%。根据新奥法施工原理，二次衬砌仅作为强度储备，故本次计算中未考虑二次衬砌的影响。

为了分析在不同净距情况下，右洞开挖对左洞支护结构的受力影响以及隧道开挖多次扰动引起中岩墙受力和变形特性的改变，分别取中岩墙厚度D约为0.5 B（8 m），0.75 B（12 m），1 B（16 m），1.25 B（20 m），1.5 B（24 m），2 B（32 m）情况下进行研究。

3.2 中岩墙塑性区分布特性分析

采用三台阶法开挖，支护完成后隧道周边围岩所形成的塑性区分布如图4所示。

从图中可看出单洞开挖完成后，围岩塑性区呈“×”形分布，在拱腰和拱脚部分形成较大的塑性区，拱脚处尤其严重，塑性区延伸至拱脚以下5 m左右，而隧道边墙塑性区沿径向为3 m左右。

随着中岩墙厚度的不断减少，在D/B为1.25～2的范围内，右洞开挖后对中岩墙塑性区的变化影响比较小，塑性区范围基本与单洞情况下相同；随着中岩墙厚度的进一步减小，在D/B为0.75～1的范围内，临近两隧道边墙和拱脚处的中岩墙塑性区范围有所扩大，隧道拱脚以下塑性区延伸至9 m左右，但中岩墙塑性区仍未贯通；当D/B=0.5时，即中岩墙厚度为8 m时，随着右洞上台階的开挖，中岩墙上部区域塑性区已贯通，围岩处于塑性阶段，随着右洞中、下台阶的开挖，围岩塑性区进一步扩大，最终中岩墙范围内塑性区基本完全贯通。

故在浅覆软弱围岩条件下，对于大跨度隧道尽可能的通过控制中岩墙的厚度来防止塑性区贯通，即尽量将D/B值控制在0.75以上。

4 结 语

本文通过模拟在不同的D/B情况下，通过分析后掘隧道对中岩墙多次扰动引起中岩墙的塑性区分布、应力和变形的变化规律以及先行隧道初支结构的内力变化，得出如下结论：

①小净距隧道中岩墙的厚度对于隧道支护结构的受力和中岩墙的力学特性影响很大，应尽量将D/B值控制在0.75以上。

②当采用三台阶法开挖时，后掘隧道上、中台阶的开挖对中岩墙的受力和变形影响显著，施工中应该严格控制后掘隧道上、中台阶的开挖尺寸，同时应加强对临近中岩墙先行洞拱脚处围岩的水平位移及围岩应力进行监控量测。

③从先行隧道初支结构的内力变化来看，临近中岩墙的边墙和拱脚处是结构受力的薄弱点，应保证支护结构的强度，同时严格控制后掘隧道与先行隧道合适的纵向间距。

本文依托浙江温州某隧道工程，利用FLAC2D有限差分软件分析手段，通过模拟不同净距下，采用三台阶法开挖，分析后掘隧道对先行隧道支护结构的内力变化以及隧道开挖的多次扰动对中岩墙的应力和变形的影响，对于进一步推动浅覆大跨度小净距隧道的发展和应用，具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[2] Dharls B B，Ratan S，Sharma D K，et al.Model study of fracture around underground excavations[M].Proceedings of the International Sympo-sium on Weak Rock，1981.

[3] 蒋树屏.用能量理论对平行双洞隧道进行稳定分析[J].隧道译丛，1990，（2）.