广州瀚阳工程咨询有限公司 510330
摘要：小净距隧道作为分岔隧道的其中一段，结构受力复杂，施工难度较大。现以某铁路隧道为依据，针对埋深大，地质状况复杂的小净距隧道，利用有限元模拟分析当隧道净距改变时先后行洞之间的影响，分析包括围岩塑性区，衬砌位移和应力。计算模型为二维平面模型，通过应力释放的方法模拟隧道三维应力问题。本构模型基于Drucker-Prager屈服准则，研究结果表明：隧道净距增大，后行洞对先行洞衬砌和围岩的影响逐渐减小，当隧道净距达到2.5倍~3.0倍的隧道开挖宽度时，先后行洞之间的影响可以忽略不计。
关键词：小净距隧道；先后行洞；塑性区
1 引 言
小净距隧道是一种上下行双洞洞壁净距较小，不能按独立双洞考虑的隧道结构[1]，先行洞的开挖会影响后行洞围岩的应力以及应变。小净距隧道多出现在分岔隧道中，其连接隧道分离段和连拱段，结构受力复杂，工序转换频繁，设计、施工的综合难度较大。
国内很多学者采用理论分析、数值模拟以及现场监测的方法研究小净距隧道的力学特性。龚建伍等[2]提出了浅埋小净距隧道考虑双洞先后施工过程的围岩压力分析模型和计算方法；杨建平等[3]结合漆树槽分岔隧道，通过数值模拟分析不同荷载释放比例对隧道围岩稳定性的影响；姚勇等[4]以紫坪埔隧道为背景，对该隧道小净距段进行衬砌内力、围岩压力、位移及地表沉降等项目展开监测工作。
本文以铁路隧道为依托，拟通过数值模拟，研究小间距隧道的受力特点，侧重于定性规律的分析与研究。从而为小间距隧道的设计和施工提供科学依据和参考。
2 工程概况
隧道左线全长14069m，分修段右线全长3412.41m。隧道设计轨面高程为733.927~980.048；线路纵坡为17.8‰及6‰的单面上坡；最大埋深约680m。
隧道处于龙门山山脉，属中低山构造侵蚀地貌。隧道穿越地层主要为中生代和古生代（T～D）沉积岩，可溶岩段落约9.5km（T2j+l、P2、P1、C1zn、D3tn、D2gn），非可溶岩段落约为3.57km（T3x，T1f+t），岩溶弱～中等发育，局部强烈发育。隧址区属龙门山带地槽之前龙门山褶断印支构造层，隧道主要穿越龙门山前山断裂带、太平场倒转向斜构造带、龙门山中央断裂带三大构造体系，共穿越13条断层，6条褶皱核部，及2条褶皱的一翼，其中穿越的龙门山前山断裂——彭县—灌县断裂以及龙门山中央断裂——映秀—北川断裂都属于活动断裂，在5.12地震中发生错断活动。
图1 隧道平面示意图
3 数值模拟
3.1 计算模型
计算模型为二维平面模型，通过应力释放的方法模拟隧道三维应力问题。模型以隧道为中心，高140m，宽146m(如图2所示)；隧道尺寸依据隧道开挖断面，模拟4个不同的隧道净距（如表1所示）。模型设定为四周铰支约束的边界条件，围岩、初期支护以及二次衬砌均采用Drucker-Prager屈服准则，单元类型为平面应变单元。
3.2 初始应力场
隧道埋深较大，又穿越多条断层和褶皱，地质构造十分复杂。现假设隧道埋深为200m，围岩的初始应力场为静水压力的构造应力场，围岩重度为23KN/m3。忽略模型的大小，计算区域内围岩受四周均匀压应力，大小为-4.6MP（）。
3.3 计算参数
隧道小间距段主要穿越地层为Ⅳ、Ⅴ级围岩，围岩岩层泥灰岩含量居多，岩质较软的地层。支护和衬砌主要采用钢筋混凝土材料。鉴于数值模拟主要是了解围岩和衬砌的变形和受力规律，隧道的计算参数是根据其他相似隧道地质条件类比得到的（如表2所示）。
表2 岩体和支护材料物理力学参数
4 数值模拟结果
4.1 围岩塑性区分析
表4为隧道不同净距塑性区分布，研究对象从后行洞开挖时的塑性区开始，依次为后行洞施作支护、后行洞施作衬砌。通过对隧道塑性区的观察，得到隧道不同净距先后行洞的相互影响。
表4 隧道不同净距塑性区分布
图3 先行洞参考点选择示意图
分析选取先行洞拱顶处衬砌外侧、左右两侧边墙处衬砌外侧以及仰拱处衬砌外侧4处特征点（A、B、C、D），如图3所示。
表5为隧道净距变化时，由后行洞的施工引起的先行洞衬砌位移的变化量。
表5 先行洞衬砌位移增量表
图4 先行洞衬砌位移增量变化示意图
由表5和图4可知，随着隧道净距的不断增大，后行洞施工引起的先行洞拱顶、仰拱的竖向位移以及边墙的水平位移逐渐减小；后行洞施工对先行洞右边墙的水平位移影响最大。
由表5可知隧道净距为30m时，后行洞的施工对先行洞衬砌位移的影响很小。
4.3 左线（先行洞）衬砌受力分析
分析选取先行洞拱顶处衬砌外侧、左右两侧边墙处衬砌外侧以及仰拱处衬砌外侧4处特征点（A、B、C、D），如图2所示。
表6为隧道净距变化时，由后行洞的施工引起的先行洞衬砌最小主应力的变化量。
表6 先行洞衬砌最小主应力增量表
图5 先行洞最小主应力增量变化示意图
由表6和图5可知，随着隧道净距的不断增大，后行洞施工引起先行洞拱顶、仰拱以及边墙的第一主应力逐渐趋于零；后行洞的施工使先行洞衬砌和仰拱产生较大拉应力，边墙产生较大压应力。
由表6可知净距在30m时，后行洞的施工对先行洞衬砌的受力影响很小。
5 结论
①隧道净距增大，后行洞对先行洞衬砌和围岩的影响逐渐减小。
②为达到节约施工成本以及施工安全的目的，在后行洞施工过程中，可以在靠近先行洞一侧的拱顶和仰拱处减少锚杆数量。
③净距在30m时，后行洞的施工对先行洞的影响可以忽略，计算结果与《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）中建议两相邻单线隧道间的最小净距为2.5倍~3.0倍的隧道开挖宽度相符。
参考文献(References)：
[1]重庆交通科研设计院. 公路隧道设计规范(JTG D70-2004)[S]. 北京：人民交通出版社，2004，11.
[2]龚建伍，夏才初，雷学文. 浅埋小净距隧道围岩压力计算与监测分析[J]. 岩石力学与工程学报，2010,29(增2)
[3]杨建平，陈卫忠，郭小红.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，2008,29(2) ：483-490.
[4]姚 勇，何 川，张玲玲. 紫坪埔隧道小净距段现场监测试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(增1)
论文作者:刘长帅
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/19
标签：隧道论文; 围岩论文; 应力论文; 后行论文; 位移论文; 塑性论文; 模型论文; 《防护工程》2019年第1期论文;