小间距隧道结构稳定性预测

小间距隧道结构稳定性预测1.工程概况某隧道隧址区属低中山地貌，隧道进出口端山坡坡度60°~85°，地面标高介于671.09~860.00m之间，相对高差188.91m，基岩裸露，隧道右线最大埋深160.0m，左线最大埋深169.6m，如图1所示。在工程区域内，地层相对单一，主要为古生界奥陶系下统石瓮组灰岩（O1s），深灰色，细晶结构，厚层状构造，夹燧石条带，层理产状220°∠20°，风化裂隙、节理裂隙发育。其中强风化厚度23.0m左右，岩体破碎；弱风化和微风化厚度大于50m，岩体处于较破碎到较完整之间。区域内灰岩岩溶比较发育，发育方向以层理面为主，节理面次之。根据区域地质勘察与调研资料可知，隧址区属南秦岭陆内造山带，地壳相对稳定；但隧道沿线围岩级别为Ⅲ~Ⅴ级，围岩稳定性特别是Ⅴ级围岩区段小间距隧道的稳定性值得进一步考察。为此，本文选择某Ⅴ级围岩区段小间距隧道LK84+332断面，利用数值模拟方法，对某小间距隧道稳定性进行预测研究，其横断面图如图2所示。图1某隧道左线纵断面图图2某左线进口LK84+332.00横断面图2模拟模型及分析过程2.1计算模型某图3计算模型左线进口LK84+332.00处的隧道断面净宽为11.68m,净高为9.75m，左右洞高差0.41m，左右线隧洞间距为7.3m。分析区域根据隧道进口LK84+332.00横断面图，x方向的范围左右隧道外侧各取20m，y方向下边界取隧道下边缘向下15m，上边界为自然地表。边界左右两侧水平方向约束，底部竖向约束，上边界自由。计算模型如图3所示。图3计算模型2.2力学参数左线进口LK84+332.00处的隧道断面位于V类围岩中，计算采用的围岩力学参数按照公路隧道设计规范JTGD70-2004选择。因考虑到隧洞洞周的砂浆锚杆区对围岩的自承能力有一定的提高，则对Ⅴ类围岩的力学参数进行等效计算。如等效弹性模量的计算式为（1）式中：为砂浆锚杆环形区的弹性模量；为砂浆锚杆区的面积；为围岩的弹性模量；为除去砂浆锚杆区的面积；为等效弹性模量；为模型断面总面积。隧道初期锚喷钢架联合支护使用喷C25混凝土和I20a型钢拱架，二次衬砌使用C25钢筋混凝土，衬砌的力学参数同样按照式（1）进行了等效计算。计算模型所采用的力学参数列于表1中。表1计算模型力学参数讨材料幸C(MP渡a)困φ短(惊度嫂)同μ撑E(GP秃a)封γ酒KN/m奸3派C2暖5款，钢拱架级2.66弊63佩0.16外7境36.6灵34因29拦C2达5习钢筋混凝相土是2.28键54构0.2添31.0等84塌25亦V预级围岩坑0.18闻6予30.6叛0.39疑3.36镇8傲18.8矿92.3数值模拟方法及过程采用有限元法模拟隧道分期开挖、初次支护和永久支护的全过程。分析过程中视围岩为弹塑性材料，围岩所处状态采用德鲁克—普拉格准则进行判定。初始地应力场由自重形成，开挖释放荷载模拟方法采用反转应力释放法，支护受力情况根据实际施工距工作面的距离确定。开挖按台阶法施工，支护采用喷锚网钢架联合支护方式的初次支护和钢筋混凝土全断面二次支护的复合式支护结构。按照从左到右，从上到下的施工顺序，每开挖完一步先进行初期支护，单洞开挖完毕，一次完成二次衬砌。第1步开挖左洞上半部分，第2步进行初期支护，第3步再开挖右洞上半部分，第4步进行初期支护，第5步开挖左洞下半部分，第6步进行初期支护，第7步完成左洞二次衬砌，第8步开挖右洞下半部分，第9步进行初期支护，第10步完成右洞二次衬砌。模拟施工过程如图4所示。图4施工过程模拟示意图蔽3惩帐数值模拟基结果分析乡轰缝按照以上磨建立的计广算模型和种确定的力朱学参数，炭通过蒸数值模拟末分析与孤计算，得蔬到了隧洞诸不同施工等步的位移语，应力及栏塑性区破仅坏规律。器3.1膝陪隧道塑性艘区发展规耗律危图瓜5视~时图遮1某0绪给出了不晒同施工步围隧道围岩睡塑性区分酱布情况，童图中蓝色剖区为应力面状态已达招到屈服状豆态的区域馅。贴图纯5象去第鞋1曲步施工后沟塑性区扫图屑途暮惰暴禽图段6物破第唇3段步施工后虑塑性区图粘图帖7采凭第刘5垂步施工后狗塑性区管图魄袜今耗毫姥图歼8赢肌第桌7鸡步施工后妇塑性区图在蜜图权9哭话第满8怀步施工后薄塑性区钳图司饶赖俭秘纷图扣10妇余第境1黑0勉步施工后待塑性区图打由究图夹5梢可见，第饮一步左隧下道上半断亏面开挖后划仅在靠隧省道底板右填侧墙处出猜现了很小茅的塑性区柜，随着施王工掌子面选的不断推捏进、初次捞支护的施插作和右隧在道上半断谨面的开挖倒，左隧道探围岩塑性裕有所增大驴，而且右承隧道受左错隧道的影册响，开挖造上半断面幸时围岩出薪现了比左票隧道围岩夕更大的塑筑性区，如饼图址6棕所示。从辛图舱7宫~因图次1锻0兼塑性区发鱼展图可以服看出，在南开挖支护栽施工过程案中两隧道丸相互影响丝，先施工怕的左隧道践比后施工杏的右隧道朝影响要小瞎的多。表冷现在塑性帅区不仅主询要分布在抽两隧道靠集底板仰拱肉两侧处和决拱腰附近未，而且由丝于施工扰助动，右隧母道围岩塑殖性区面积塞要明显大授于左隧道盾，尤其是萌在拱腰附澡近，两隧栽道相邻的图底板仰拱掏处和拱腰都塑性区面毅积较大，需如减图混6票~听图紫1狐0代所示。卡因此，在车各步开挖掘施工后应班及时进行闹初次支护紫，特别是赵对右洞的务施工过程坊中要及时毅进行初次城支护。各由猎图罢6~1瓜0缺可见，虽江然塑性区信随施工步屡在变化和忘发展，但思初次支护交和二次支设护在整个证施工过程累中始终处心于弹性状搜态，说明己在支护结迎构的加固妨条件下隧靠道是稳定说安全的。倦隧道周边屋变形规律包鉴于篇幅汉有限，现键仅给出隧贤道周边最糠后一步的觉位移图如脂图争1洒1望所示。从买隧道周边膀位移图看馒到，饥周边较大汉的变形量枪是拱顶垂芝直向下的杰位移和底嚷板垂直向滚上的底鼓尾量，其中史底板中点眨是洞周最悲大位移发圆生点；两察隧道边墙钉的水平方演向位移相钢对较小。伶进一步考睬察一些关籍键点位移始量值随施病工步骤的律变化规律繁，关键点领位置及点渣号见独图附1浩2陈所示，兼位移随施南工过程的们变化规律葱如场图剥1撇3漆所示亦。宜图薪11革榜第惜1孩0混步洞周位白移分布图寸图耗12激灵关键点几各何位置示关意图辞图胁13眼危位移随施劲工过程的惊变化侮隧道周边啄应力变化炕规律嘉图腔14沙~1吊6怪给出了唉第而1品0细施工步后至隧道周边绳主应力和欣最大剪应腰力分布图淹。由稻图偷1惨4信和科1桐6献可见，隧顾道拱肩偏最下处为最晋大应力发秘生处，而鱼且由于小颗间距隧道村的相互影常响，应力窄分布不具列有对称性汤，左隧道透左拱肩处弹应力受影围响最大。念从梯图坟1秋5烤可见，隧堡道周边最极小压应力遣分布在上朵下台施工毅分界处有逮突变情况塞，特别是谜右隧道此淡处的应力掀已经变为在拉应力。傻如众所知坛，岩体的栗抗拉强度挣很低，在乒这些部位戒极易出现壁受拉破坏牧的现象。缠因此，在别施工过程樱中应特别甜注意对分纲期施工分驴界面处的猪及时支护存或加固处最理。贞图饶14温饶第糖1竖0惊步隧道周元边最大压餐应力分布职图屈图赞15点镰第朱1极0侍步隧道周闷边最小压的应力分布肢图默图拢16处壳第克1壤0孤步隧道周医边最大剪碑应力分布鬼图劈4.评轻结论防根据工程鸭实际地质泄资料，通仪过对陪某恒Ⅴ哀级围岩区宝段小间距蛋隧步道谎LK84虑+33竟2番断面的实泡际施工过育程的逼真纲有限元数绣值模拟分肃析，表明带只要紧跟滔施工掌子议面及时进因行初次支琴护，该区佩域小间距两隧道支护依结构与围碧岩均基本挤稳定；施率作二次支序护后能确悼保隧道支削护结构与氧围岩长期旬处于稳定堆状态。判数值模拟骆结果表明惰，右隧道饱受小间距巨隧道施工糕方案的影片响较大，瓣表现在围愚岩塑性区睬面积明显肯大于左隧卵道，关键起点位移高鞠于左隧道雁对应位置姥点的