浅埋大断面分岔隧道中夹岩柱稳定性数值模拟研究

郭志玉

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710024）

0 引言

大断面分岔隧道作为隧道结构的一种特殊形式，具有一定特点。一般情况下，隧道呈“Y”型分布，同时具有大跨度段、超大跨度段、连拱段、小净距段、分离段等多个部位[1-4]。在连拱段和小净距段，两隧道之间的中夹岩柱厚度较薄，在上部荷载的作用下容易产生屈服和破坏，是大断面分叉隧道设计和施工的重点和难点，因此有必要做进一步研究。

唐陶文等[5]基于分岔隧道小净距段平衡拱的2 种极限情况，结合普氏理论推导分岔隧道中夹岩柱的围岩压力表达式。贺鹏等[6]以裂隙扩展破碎区贯通与否作为中夹岩柱稳定性的评定依据，分别针对无锚、有锚支护条件下的围岩稳定性状况及变形特征进行了对比分析。吴德兴等[7]认为中夹岩柱受力状态控制的关键位置为先行洞的外侧拱脚区域及后行洞开挖期间先行洞外侧拱脚至墙脚及后行洞内侧拱脚至墙脚区域。王梦楠等[8]采用分离式霍普金森压杆试验、场振速及声速监测等研究了爆破对中夹岩柱的影响。雷圣偲[9]认为浅埋小净距隧道中夹岩柱的“支点”效应较为明显，深埋小净距隧道中夹岩柱被包围在压力拱下“支点”效应被弱化。刘佳[10]结合工程实例，针对受力薄弱的中夹岩柱部位提出有效的加固措施。李军[11]研究中空注浆锚杆长度变化对中夹岩及隧道稳定性的影响，得到合理加固参数。此外，还存在不少类似研究[12-19]，但是针对浅埋大断面分岔隧道中夹岩柱稳定性分析尚有不足之处，例如对隧道分步开挖过程中夹岩柱应力转化过程的认识还不是特别清楚，中夹岩柱岩体的破坏模式没有详细的分类等，因此需要对中夹岩柱进行更深入的研究。

本文以重庆市曾家岩北延伸穿越跨内环新增通道工程火凤山隧道为工程背景，对超大断面分叉隧道不同厚度的中间岩柱进行了数值模拟研究，对中夹岩柱两侧隧道围岩变形，中夹岩柱压应力、剪应力等进行了具体分析，并将计算结果与现场监测结果进行了对比。

1 工程概况

重庆市曾家岩北延伸穿越跨内环新增通道工程火凤山隧道左线ZK4+340.332 至ZK4+440.507、右线YK3+962.470 至YK4+108.278 段属于“大跨+超小净距区”，如图1 所示。以该隧道左线为例，大断面分叉区包括以下几个断面：14.45m 标准段断面、17.45m加宽段断面、20m 加宽段断面、25m 加宽段断面、连接线段断面等五个断面，每个断面的支护参数与开挖跨度等如表1所示[20]。分叉段左右两侧分别为14.45m 标准段和连接线，靠近25m 加宽段一侧的中夹岩柱最薄，宽度为1m。

图1 左线隧道分叉示意图

表1 隧道支护参数表

该工程左线ZK4+370 ～ZK4+430 的围岩划分等级为Ⅳ级。隧道围岩以泥岩为主，中风化，节理裂隙较发育，岩体破碎多呈碎石状碎裂结构，为浅埋隧道。岩体富水性弱，开挖时可能存在较小量的滴水、渗水等现象。岩体自稳能力差，开挖时不及时支护或支护（处理）不当易产生较大规模的坍塌，侧壁稳定性差。BQ 修正值：272.75。其中，25m 加宽段拱顶至地面的距离只有11.4m。

根据施工计划，该分叉隧道掘进方向如图2 所示，具体顺序为：（1）14.45m 标准段左侧单侧壁导坑施工；（2）横向导洞转角处施工；（3）横导洞施工；（4）14.45m 标准段右侧壁导坑施工；（5）25m 加宽段与20m 加宽段左侧导坑施工；（6）17.45m 加宽段左侧导坑施工；（7）17.45m 加宽段右侧导坑施工；（8）17.45m 加宽段隧道施工。在上述施工过程中，全部采用非爆开挖。

图2 隧道掘进方向示意图

2 计算参数反演与计算模型

2.1 E 值反演及计算参数

地勘资料显示围岩为Ⅳ级，围岩参数如表2 所示。表2 中的数据为现场取样与室内试验的理论值，没有考虑围岩结构面以及开挖过程中的损伤与劣化，因此本文首先基于已开挖并趋于稳定的某区段位移监测数据，对围岩参数进行反演分析。相关研究表明[11]弹性模量E敏感性明显比其它三个参数高得多，因此本文将弹性模量E作为位移反分析的反演参数。

反演借助有限差分 软 件FLAC 3D 且 采用M-C 模型，共计算三次，在这三次过程中除改变E值外，其余参数均按表2 所示。三次计算所采用的的E值分别为：E1=1630MPa；E2=815MPa；E3=407.5MPa。

表2 地勘参数

当弹性模量E分别为E1、E2、E3时， 围 岩 的竖向位移分别为3.2mm、6.4mm、13mm。根据现场监测数据显示，反演段隧道围岩最终的竖向沉降为13.2mm。因此本次计算采用的弹性模量E为407.5MPa。

2.2 计算模型

本次计算模型见图3，整个三维计算模型尺寸为：130m（x方向）×60m（z 方向）×72m（y 方向）。岩土屈服条件采用Mohr-Coulomb 屈服准则。隧道初期支护采用实体单元，临时支护采用结构单元shell。模型开挖过程中的掘进方向如图2 所示。为简化计算，将锚杆与围岩的弹性模量、强度参数进行折合，将钢支撑与初期支护的弹性模量进行折合[21]，各个断面的开挖方式及支护参数见表1。

图3 计算模型

本次计算分析共选取4 个断面来分析不同厚度下中夹岩柱的变形与应力，如表3 所示。

表3 不同工况下中夹岩柱厚度（m）

3 计算结果

3.1 中夹岩柱上部围岩沉降变形分析

通过模拟计算得出断面Ⅰ—断面Ⅳ中围岩竖向位移均在1.8 ～2.0cm 之间，断面Ⅰ处的围岩竖向位移分布云图见图4。由于隧道埋深较浅，属于浅埋隧道，隧道开挖导致的地表沉降值也相对较大，最大值达到1.24cm。当两隧道之间的中夹岩柱厚度较薄时，连接线与14.45m 标准段的拱顶围岩竖向沉降均较大，如图4 断面Ⅰ所示，标准段的拱顶围岩竖向沉降为1.9cm，连接线的拱顶围岩沉降为1.26cm。随着中夹岩柱厚度的增加，连接线拱顶围岩竖向沉降值明显减小，标准段拱顶围岩竖向沉降值变化不大，当中夹岩柱厚度达到5m 以上时，两隧道之间的进阶效应明显降低，围岩沉降主要集中在标准段隧道上方。

图4 中夹岩柱上部围岩竖向沉降分布图（断面Ⅰ）

3.2 中夹岩柱岩体竖向应力分析

分别计算分叉段隧道中夹岩柱的围岩竖向应力，如图5 所示。当中夹岩柱厚度较小时，两隧道拱腰间的围岩竖向应力达到5.5MPa。由于前方大断面隧道的存在，使得连接线拱顶上方围岩竖向应力均较大（大断面投影范围内），平均值达到2.0MPa。随着中夹岩柱厚度的增加，连接线拱顶上方围岩竖向应力值逐渐下降，当中夹岩柱厚度达到2.5m 时（断面Ⅱ），连接线拱顶上方围岩竖向应力值恢复常规分布状态。

图5 中夹岩柱上部围岩竖向应力分布图（断面Ⅱ）

当中夹岩柱厚度在2.5 ～4.0m 时（断面Ⅱ与断面Ⅲ），围岩竖向应力约为3.5MPa 左右，当中夹岩柱厚度达到5m 以上时，围岩竖向应力约为2.5MPa 左右，两隧道之间的近接效应明显降低。

3.3 中夹岩柱岩体剪应力分析

同时计算分叉段隧道中夹岩柱各断面的围岩剪应力。断面Ⅰ时，中夹岩柱由于厚度较薄，受力形式较为复杂，平均剪应力也较大，达到了3.0MPa，如图6 所示。此外连接线上部的围岩剪应力也明显大于其他三种工况，平均值为2.15MPa。随着中夹岩柱厚度的增大，该部位围岩剪应力逐渐降低，两隧道之间的近接效应逐渐减小，当两隧道之间的净距达到5m 以上时，该部位围岩剪应力降低到1.4MPa 左右。

图6 中夹岩柱上部围岩剪应力分布图（断面Ⅰ）

3.4 初期支护最小主应力

计算分叉段两隧道的初期支护最小主应力，断面Ⅱ处的初期支护最小主应力如图7 所示。连接线初期支护最小主应力值较大的部位主要位于右侧拱腰与左侧拱肩处，两处最小主应力值分别为5.8MPa、4.7MPa；14.45m 标准段初期支护最小主应力值较大的部位位于两侧拱腰处，为3.86MPa。因此连接线隧道的初期支护整体上在两侧拱腰处受到了较为明显的偏压作用，有可能会造成一定程度的变形，施工过程中必须加强监测。

图7 初期支护最小主应力（断面Ⅱ）

标准段隧道的初期支护整体上受力较为均匀，每种工况下的两侧拱腰最小主应力相差不大。

4 围岩监测数据对比分析

从现场监测数据分析得到：两隧道中夹岩柱厚度为1.0m 时，标准段隧道围岩拱顶最大沉降值为1.95cm，连接线隧道围岩拱顶最大竖向位移为1.17cm；两隧道中夹岩柱厚度为3.0m 时，标准段隧道围岩拱顶最大沉降值为1.88cm，连接线隧道围岩拱顶最大竖向位移为1.04cm。将此监测数据与本文模拟计算数据进行对比分析，得到模拟结果与计算结果吻合较好，符合工程实际。

5 结论

本文首先对隧道变形影响较大的弹性模量E 进行反演分析，然后借助FLAC 3D 有限差分软件对大断面分叉隧道的中夹岩柱上部围岩变形、岩柱应力、初期支护等进行了分析，得出了以下结论：

（1）中间岩柱厚度较薄时，两隧道拱顶围岩沉降均较大，随着岩柱厚度的增大，上部围岩沉降偏向标准段隧道；

（2）中间岩柱厚度越薄，开挖造成的岩柱竖向应力越大，随着岩柱厚度的增大，岩体竖向应力逐渐降低，当其厚度增大至5m 以上时，两隧道之间的近接效应逐渐降低；

（3）中间岩柱厚度较薄时，岩柱岩体剪应力较大，且由于施工转换的原因，连接线上方的岩体剪应力值同样较大，当岩柱厚度达到3m 以上时，此现象逐渐消失；

（4）由于存在近接效应且中夹岩柱厚度较薄，使得连接线隧道的初期支护左、右两侧拱腰最小主应力相差较大，存在明显的偏压现象，当岩柱厚度达到5m 以上时，偏压现象逐渐减弱。