软岩隧道小净距段施工力学行为数值分析

吕显福，刘　阳，伍晓军，刘志强，赵占群（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京　100081；.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都　611731）



软岩隧道小净距段施工力学行为数值分析

吕显福1，2，刘阳2，伍晓军2，刘志强2，赵占群1，2
（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731）

摘要以新建兰渝铁路新城子隧道为工程背景，采用有限差分软件FLAC3D对不同净距条件下隧道结构的应力分布、围岩内部位移、塑性区的分布范围进行模拟分析。分析结果表明:隧道最大跨度处的水平收敛、左右拱脚处水平收敛以及拱顶沉降较大，而拱腰和墙脚处的水平收敛较小；隧道净距的变化对中间岩柱最大跨度部位的水平位移影响显著，而对靠近上侧、下侧部位的影响相对较弱；净距为隧道开挖断面宽度的0. 67～1. 33倍时，形成一个类似于单洞开挖的应力场，隧道净距越小，表现越显著；对于Ⅴ级围岩隧道，当中间岩柱厚度小于隧道开挖断面宽度的3. 33倍时可按小净距隧道考虑。

关键词软岩；小净距隧道；大变形；数值分析；围岩压力

1　工程概况

兰渝铁路新城子隧道位于宕昌县剪子河与临江铺之间，位于西秦岭高中山区，山高沟深，山坡、谷坡较陡，隧道全长9 166 m，最大埋深有749 m。受临江铺车站设站影响，隧道出口为喇叭口段，分别经过小间距、双连拱和大跨段，其中小间距段左、右线洞室最小净距为5～6 m，使该段结构处于复杂受力状态中。该段埋深达400 m，根据已施工段实际揭示的地质情况，地层属于高地应力软岩地段，穿过F32-1断层，以三叠系薄层板岩为主，岩层直立，走向与洞轴线呈小角度相交，对围岩稳定性影响较大，边墙自稳能力差，并且易发生软岩较大变形或坍塌情况。施工中隧道围岩及初支变形复杂，且难以控制，左、右线施工时对彼此变形影响较大。右线作为先行洞室，首先发生大变形，且受后行洞室的影响明显，后行洞室的开挖总是引起先行洞室的二次大变形，拱顶累计沉降196. 00 mm，最大下沉速率18. 00 mm/d，累计收敛624. 75 mm，最大收敛速率43. 25 mm/d，施工过程中采取多种补强措施后，仍不能控制变形，造成长段落的喷混凝土开裂，钢架扭曲错断、侵限破坏。

2软岩隧道小净距段数值分析

2. 1数值模型的建立和参数选取

兰渝铁路新城子隧道小净距段围岩十分软弱破碎，围岩等级为Ⅴ级，初期支护采用钢拱架H175，喷射混凝土C20，三台阶开挖，拟对净距0. 67B，1. 00B，1. 33B，2. 00B，2. 67B，3. 33B及4. 00B（B为隧道开挖断面宽度）共7种计算工况进行数值模拟。为简化施工步骤，采用全断面开挖，在初始地应力场生成后，先进行毛洞开挖和支护，然后再施作初期支护，来分析隧道的变形及受力规律。模型大小为120 m×100 m× 1 m。顶部施加均布荷载，等效于上方的岩体自重。

根据地质勘察资料及现场的围岩状况，并参考《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004），选取模拟参数，见表1。

表1　模型计算参数

为了便于观测围岩不同部位随净距变化的位移情况，沿洞室周边布置监测点，每个洞室周边布设9个点，共计18个点，见图1。

图1　隧道周边监测点布置

2. 2模拟结果分析

2. 2. 1隧道不同部位的位移

拱顶和背向中间岩柱侧测点位移曲线见图2。由图2可见：①随着净距的变化，拱顶和背向中间岩柱侧各监测点位移变化规律基本相似。②随着两隧道净距的减小，各测点的位移变化呈增大趋势，且在净距＜2B时，这种变化的趋势更加明显，即两隧道的净距越小，拱顶沉降和背向中间岩柱侧各测点的水平位移绝对值越大。先行隧道洞周各测点中发生最大位移的是6#点（左墙腰）和4#点（左拱脚）。后行隧道的洞周各测点中发生最大位移的是16#点（右墙腰）和14#点（右拱脚）。③隧道左右拱脚水平收敛值、最大跨处的水平收敛值以及拱顶的沉降值较大，而拱腰和墙脚处的收敛值相对较小。而且可以看出，在此类软岩挤压性隧道开挖中，隧道最大跨处的水平收敛很明显大于拱顶沉降，表现出明显的流变特性。因此，在施工过程中应着重隧道最大跨处围岩的水平位移监测，并应加强此处的支护，必要时加强锚杆的布设。

图2　拱顶和背向中间岩柱侧测点位移曲线

中间岩柱上监测点位移曲线见图3。由图3可见：①对于两隧道中间岩柱上测点而言，两隧道净距在2. 00B～4. 00B时，各测点的水平位移值随着净距减小而增大，而当净距＜2. 00B时，各测点的位移值随着净距减小而减小，净距为2. 00B时各测点的位移值达到最大。②各测点的水平位移呈洞周中间部位大（5#，7#，13#，15#点）、上下部位小的规律分布，13#点和15#点在净距2. 00B～2. 67B时水平位移值随着净距减小增速较快，而在净距2. 67B～4. 00B时，随净距减少增大的速度明显放缓。净距0. 67B～4. 00B时，靠近洞周上侧及下侧的测点水平位移变化曲线基本一致。由此可知净距大小的变化对中间岩柱上最大跨部位水平位移影响十分明显，而对靠近上侧和下侧部位的影响相对较弱。因此，应该加强对中间岩柱上最大跨部位的支护及监测，控制其大变形的发生。且当两隧道净距接近2. 00B时，要放慢施工速度，及时修改支护参数，加强锚杆的布设密度，并加大监测频率。

图3　中间岩柱上监测点位移曲线

2. 2. 2隧道洞周围岩应力

隧道的稳定性在很大程度上取决于隧道开挖后围岩的应力分布情况。隧道开挖后围岩应力会重新分布，从而引起洞周的变形。当隧道开挖引起围岩应力在洞周产生不利分布时，支护结构所承受的荷载也会相应地处于不利状态。从最大主应力和最小主应力入手，对比分析不同净距下两隧道的围岩应力分布情况，可为支护结构参数的设计提供依据。此处仅分析最大主应力的分布情况。

不同净距下两隧道围岩的最大主应力云图见图4。由图4可以看出：①两隧道在拱顶处最大主应力达到最大值，约为- 4～- 4. 5 MPa，而隧道两侧的边墙及仰拱处的最大主应力最小，约为- 2～- 3 MPa。②两隧道净距＞2. 00B时，在中间岩柱上边墙围岩应力略微大于背向中间岩柱侧的边墙围岩应力。③中间岩柱在先行隧道侧的最大主应力大于后行隧道侧；两隧道的净距＞2. 00B时，两隧道的应力场开始分离，此后两隧道中间岩柱上最大跨部位的围岩应力大于背向中间岩柱侧。

设隧道最大跨处埋深为0，由两隧道中轴线上不同埋深的最大主应力（图5）可知：①两隧道净距为0. 67B～1. 33B时，中间岩柱上最大跨处的最大主应力达到最小，而在净距为2. 00B～4. 00B时，中间岩柱上最大跨处的最大主应力会出现骤然增大的现象。这就说明在净距为0. 67B～1. 33B时，两隧道的开挖会形成一个类似于单洞开挖的围岩应力场，这就解释了净距在0. 67B～1. 33B时，随着净距的减小中间岩柱侧变形减小。②两隧道会在中间岩柱的顶部形成一个压力拱，只有压力拱下面的荷载传递给中间岩柱，这也解释了中间岩柱上围岩的应力和变形均减小。

2. 2. 3隧道围岩塑性区分布

不同净距下围岩塑性区分布云图见图6。从图6可以看出：隧道开挖后由于应力重分布，导致洞周围岩发生剪切破坏进而引起塑性区向围岩内部深处发展。当两隧道净距为0. 67B时，两隧道洞周1. 00B之内的围岩均发生了塑性变形，塑性区呈“蝴蝶状”分布，背向中间岩柱侧的拱腰部位塑性区发展范围更大，为1. 30B左右。随着两隧道净距的增大，洞周塑性区范围逐渐减小，中间岩柱区域的塑性区变化不明显。隧道净距达到2. 67B时，塑性区仍然贯通整个中间岩柱区域，而当净距≥3. 33B时，仅在两隧道的洞周形成塑性区，中间岩柱区域围岩没有完全进入到塑性区。对于新城子隧道而言，当两隧道净距＜3. 33B时，可认为其已处于小净距范围，在考虑支护参数时应该按照小净距隧道的要求进行设计，这与《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）中对于Ⅴ级围岩，当中间岩柱厚度＜3. 5B时即当做小间距隧道处理的结论相符。

图4　不同净距下两隧道围岩的最大主应力云图

图5　两隧道中轴线上不同埋深的最大主应力

图6　不同净距下围岩塑性区分布云图

3　结论

1）当净距为0. 67B～2. 00B，两隧道中间岩柱上各测点水平位移值随净距减小而减小；当净距为2. 00B ～4. 00B，随净距减小而增大。

2）对于高地应力软岩隧道，拱顶沉降值、最大跨以及左右拱脚处水平收敛值较大，而拱腰和墙脚处的水平收敛值较小；净距大小的变化对中间岩柱上最大跨部位的水平位移影响十分显著，而对上侧和下侧部位的影响相对较小。

3）围岩塑性区主要集中在洞周轮廓外1B及中间岩柱体的范围内。随着两隧道净距的增大，塑性区逐渐减小，围岩稳定区逐渐变大。当净距≤2. 67B时，中间岩柱完全进入到塑性区；当净距＞3. 33B时，两隧道中间岩柱塑性区没有完全贯通。因此，小净距隧道施工中需加强对隧道中间岩柱上位移的监测，必要时需要采取措施对周边塑性区进行加固。

4）隧道背向中间岩柱侧的围岩应力和变形都随着净距的增大而减小，中间岩柱侧围岩的应力和变形在净距为2B时达到最大值。

5）对于Ⅴ级围岩隧道，当中间岩柱厚度＜3. 33B时，即可按照小净距隧道考虑。

参考文献

［1］中华人民共和国交通部. JTG D70—2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］段方倩.软弱围岩中小净距公路隧道的稳定性分析［D］.长沙：中南大学，2008.

［3］杜菊红.小间距隧道动态施工力学研究［D］.上海：同济大学，2008.

［4］刘艳青，钟世航，卢汝绥，等.小净距并行隧道力学状态的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（5）：590-594.

［5］赵斌，敖芃，李文涛.不同埋深下小净距隧道最优净距的探讨［J］.铁道建筑，2013（6）：68-71.

（责任审编葛全红）

Numerical Analysis on Mechanical Behavior of Soft Rock Tunnels Section with Small Space in Construction

LYU Xianfu1，2，LIU Yang2，WU Xiaojun2，LIU Zhiqiang2，ZHAO Zhanqun1，2
（1. Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. China Railway Southwest Research institute Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 611731，China）

AbstractT aking Xinchengzi tunnel of Lanyu railway as the engineering background，the stress distribution，internal displacement of surrounding rock and the plastic zone distribution of tunnel structure with different space was simulated by using finite difference software FLAC3D. T he results showed that the horizontal convergence value of the maximum span and the left and right arch feet，and vault settlement value is large，but horizontal convergence value of the arch waist and the wall feet is smaller，the change of tunnel space has a very significant influence on the horizontal displacement value at the maximum span position of the middle rock pillar while has a small influence on the horizontal displacement value near the upper and lower parts，the stress field similar to the single tunnel excavation is formed when the net distance is 0. 67～1. 33 times of the tunnel excavation section width，and the performance is more obvious with the smaller tunnel space，forⅤclass surrounding rock tunnel，a small space tunnel should be considered when the middle rock pillar thickness is smaller than 3. 33 times of the tunnel excavation section width.

Key wordsSoft rock；Small space tunnel；Large deformation；Numerical analysis；Surrounding rock pressure

中图分类号U455. 4

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 18

文章编号：1003-1995（2016）06-0066-04

收稿日期：2015-03-10；修回日期：2016-04-05

作者简介：吕显福（1990—），男，硕士研究生。