小净距隧道围岩稳定性数值模拟分析

杜 飞

(中铁十八局集团第四工程有限公司， 天津 300350)

小净距隧道围岩稳定性数值模拟分析

杜 飞

(中铁十八局集团第四工程有限公司， 天津 300350)

鉴于小净距隧道的特点，研究围岩稳定性的影响因素。以石家庄至冀晋界曹家庄公路曹家庄小净距隧道为研究背景依托，采用FLAC3D有限差分法，模拟不同的净距、埋深、施工顺序等影响因素条件下，小净距隧道的围岩影响程度，得出有用结论，为类似工程做参考。

小净距隧道； 有限差分法； 稳定性

1 概述

围岩失稳模式和影响稳定性的主要因素是高速公路小净距隧道修建过程中的关键研究问题。在偏压条件下，给施工安全带来风险和隐患。本文以高速公路小净距隧道的围岩稳定影响因素为主要研究对象，结合已经顺利完成施工的京昆高速公路晋冀界石家庄段曹家庄浅埋、偏压、小净距隧道，进行了较全面的FLAC3D有限差分法模拟计算。曹家庄小净距隧道施工见图1。

图1 京昆高速晋冀界曹家庄小净距隧道施工

2 小净距隧道围岩稳定性影响因素

2.1 计算参数

围岩参数、围岩加固参数及具体锚杆力学参数、初期支护喷射混凝土力学参数分别见表1～表3。

表1 围岩及加固区计算参数

本次模拟计算使用岩土工程专业软件FLAC3D进行有限差分法模拟，根据其单元特性选择实体单元进行模拟围岩以及支护结构体。模型中x轴方向为水平方向,向左为正；y轴为开挖纵向,以开挖方向为正；z轴为竖直方向,以竖直向上为正，具体模型见图2。

表2 锚杆力学参数

表3 初期支护计算力学参数

2.2 施工顺序优化

在隧道施工时，先里后外(先开挖深埋侧，再开挖浅埋侧)，还是先外后里(先开挖浅埋侧，再开挖埋深侧)，往往是施工中关键的问题。因此，采用数值模拟，以V级围岩为例进行计算，不考虑注浆加固和支护结构条件下，不同施工顺序条件开挖引起围岩变形情况见图3。

从图3(a)可以看出，“先里后外”施工引起隧道最大沉降为2.94cm。从图3(b)可以看出，如果采用“先外后里”施工，最大沉降为2.47cm。因此，施工采用“先外后里”，即先开挖浅埋侧，再开挖埋深侧，有利于隧道整体围岩稳定性。

2.3 不同隧道净距对比分析

2.3.1 先行洞拱顶沉降影响

数值模拟过程中，考虑支护结构的作用，不同净距条件下，先行洞拱部沉降最大值见图4。

(a)整体模型

(b)衬砌结构

(a)先里后外

(b)先外后里

(a)埋深10 m

(b)埋深20 m

(c)埋深40 m

(d)埋深80 m

从图4看出,随着净距的增大，先行洞(右洞)拱部沉降减小。对于Ⅲ级、Ⅳ级围岩来说，净距大于或等于6m时，拱部沉降基本稳定。而对于Ⅴ级围岩，间距大于等于16m时，位移才能稳定。对于小净距隧道，当净距很小时，由于变形相互叠加和影响，有大跨整体变形的趋势。随着净距增大，双洞变形慢慢分开，向着单洞变形发展。拱部沉降最大值均发生在断面大后行洞拱部，且靠近中岩墙一侧。

2.3.2 后行洞拱顶沉降影响

各种净距条件下，后行洞(左洞)拱部变化曲线见图5。

从图5看出，后行洞相对先行洞来说，拱部沉降最大值更大。不同级别围岩沉降差别明显，Ⅳ级围岩变形基本上是Ⅲ级围岩变形2倍以上，Ⅴ级围岩更大。均随着净距的增大，变形逐渐减小。

(a)埋深10 m

(b)埋深20 m

(c)埋深40 m

(d)埋深80 m

2.4 埋深对中岩墙塑性区影响

不同净距条件下，中岩墙弹性区厚度曲线见图6。

从图6看出，对于净距较小时，不管埋深多少，Ⅲ级围岩呈现明显弹性，Ⅳ级围岩呈现弹塑性，Ⅴ级围岩完全塑性。随着间距的增大，中岩墙弹性区厚度随着埋深增大，呈线性增大，说明逐渐呈现单洞特性，间距12m为最小安全净距。

(a)净距2 m

(b)净距3 m

(c)净距4 m

(d)净距6 m

(e)净距8 m

(f)净距12 m

(g)净距16 m

(h)净距24 m

3 结论

针对曹家庄小净距隧道的施工顺序，“先里后外”施工引起隧道最大沉降为2.94cm，而“先外后里”施工最大沉降为2.47cm。因此施工中采用“先外后里”，即先开挖浅埋侧，再开挖埋深侧，有利于隧道整体围岩稳定性。FLAC3D数值模拟计算的结果表明，后行洞(深埋测左洞)相对先行洞(浅埋测右洞)来说，拱部沉降最大值更大。不同级别围岩沉降差别明显，Ⅳ级围岩变形基本上是Ⅲ级围岩变形2倍以上，Ⅴ级围岩更大。均随着净距的增大，变形逐渐减小。对于净距较小时，不管埋深多少，Ⅲ级呈现明显弹性，Ⅳ级围岩呈现弹塑性，Ⅴ级围岩完全塑性。

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[2] 杨建平.小净距公路隧道支护时机对围岩稳定性影响研究[J].岩土力学，2008(2).

[3] 于天生.小净距隧道爆破开挖対临近隧道的影响分析[J].工程与建设，2013(5).

[4] 唐雨春.小净距隧道建设的若干问题总述[J].隧道建设，2007(2).

[5] 姚勇. 并设小净距隧道爆破振动响应分析及控爆措施研究[J].岩土力学，2009(9).

杜飞(1985～)，男，本科，工程师，主要从事施工技术及施工管理工作。

U452.1+2

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[定稿日期]2016-09-06