论文部分内容阅读
摘 要：以岭山隧道为工程依托，通过有限元分析软件Midas建立了三维隧道计算模型，结合现场监测数据，揭示了小净距隧道施工中围岩变形及应力变化特征。研究结果表明：后行隧道（右洞）开挖对先行隧道（左洞）拱顶沉降影响较小；左洞右拱腰收敛值随着左洞开挖逐渐增大，随着右洞的开挖有减小趋势；在小径距浅埋隧道施工中，两隧道中间岩体存在应力集中现象，在隧道近接拱腰处围岩应力最大，其中左洞右拱腰水平应力随着右洞的开挖逐渐增大。
关键词：小径距；数值模拟；Midas；围岩变形；附加应力
小净距隧道因比连拱隧道施工简单、造价低等特点[1]，越来越受设计者所青睐，但其目前还缺乏较为系统的结构设计和施工等经验，在隧道开挖的过程中，两条隧道间围岩应力重分布变化较大，使得支护结构在受力上较为复杂[2-4]，给隧道的安全施工带来不便，因此，对小净距浅埋隧道进行研究具有一定指导性意义。
随着隧道施工水平的提升，小净距隧道逐渐发展起来，许多学者对其也进行了研究，舒志乐等[5]通过理论分析研究了隧道净距对围岩压力的影响，胡元芳[6]通过有限元分析给出了仙岳山隧道最小净距的参考值，靳晓光等[7]以二维数值分析研究了浅埋小净距隧道开挖方式的优劣性。
本文以恩施岭山隧道为工程依托，借助有限元分析软件MIDAS对小净距浅埋隧道施工过程进行分析，研究了隧道施工过程中围岩压力及隧道变形的分布规律，并探讨了后行洞施工对先行洞周边附件应力及变形的影响，以期为工程施工提供一定指导。
1工程概况
岭山隧道为小净距双线隧道，左、右洞长分别为433m和452m，最大埋深约116～135m。在出口段隧道埋深在20～50m，属于浅埋地段，隧道测设线间距约12m，属于小净距隧道，隧址区出露的地层主要为碎石土及强～中风化石灰岩，地下水不甚发育，主要以裂隙水为主，钻孔未揭露到地下水位。隧道开挖采用光面爆破全断面和台阶开挖。
2计算模型
为减小边界条件对数值计算的影响，选取隧道左右两侧各4倍洞径距离，模型宽度取110m，开挖长度取60m，隧道开挖过程中，每循环爆破3m，在数值计算过程中，为简化计算，左洞先行，左洞开挖完成后再开挖右洞，左右洞各分20次开挖，共有40个开挖循环，根据隧道之间相互位置及钻孔揭露地层情况，将计算模型建立如下：
计算模型中围岩参数根据前期勘察资料与室内试验确定，喷射混凝土、钢拱架、锚杆等计算参数根据《公路隧道设计规范》（JTJ D70-2004）等相关规范与相类似工程确定。其中钢拱架采用等效的方法将强度贡献到喷射混凝土层中，其具体计算公式：
（1）
式中：E是等效喷射混凝土弹性模量，E0是原喷射混凝土弹性模量，Eg为钢拱架弹性模量，Ag为钢架截面面积，Ac为喷射混凝土截面积，喷射混凝土中钢筋网主要起防止喷层开裂拉破坏，计算中不予考虑。导管为超前支护，起到超前加固作用，本计算中也不与考虑。其中HW175型钢截面面积为51.43cm2，HW150型钢截面面积为40.55cm2，材料为HRB335。
3计算结果及分析
3.1变形分析
当两隧道开挖完成后，围岩的最大位移量发生在隧道拱顶处，最大位移量为12.2mm，其中右洞最大位移量略大于左洞，右洞塑形区较左洞大，因地形起伏变化差异，右洞隧道埋深较大，在浅埋小径距施工条件下，右洞围岩压力较大，所受扰动程度大。
左右洞拱顶沉降随着隧道的开挖呈现出相同的变化趋势，当开挖到监测断面时，拱顶沉降速率最大，当掌子面远离监测断面约10环时，拱顶沉降趋于稳定并且两洞的最大沉降量相近，最大沉降量约为12.05mm。在开挖左洞时，两拱腰有向外变形的趋势，左洞开挖完成后，左洞右拱腰水平位移达到最大，约为3mm，而左洞左拱腰随着右洞的开挖逐渐增大，表明右洞开挖对左洞产生外挤作用；从右洞拱腰水平位移曲线可以看出，右洞左拱腰在受左洞开挖影响的基础上逐渐向隧道外侧变形，使得水平位移趋于减小，其变化幅度较大，总变化量约2.5mm，右拱腰总体变形趋于平稳，变化幅度较小。
为增强对比，以隧道两拱腰的相对位移为研究对象得到变形曲线，左洞拱腰相对水平位移量随着左洞的开挖逐渐增大，随着右洞的开挖逐渐减小，右洞拱腰相对水平位移量随着隧道的开挖呈现递增的趋势，当掌子面到达监测断面时，左右隧道拱腰处均会出现骤变现象，表明隧道开挖到监测断面时对当前及相邻隧道影响较大。
3.2应力分析
隧道拱顶和拱底处竖向应力较小，在隧道两拱腰处出现应力集中，在右洞左拱腰处豎向应力最大，为2.01MPa。
在小径距隧道开挖过程中，拱腰处受水平应力影响较明显，选取左右隧道第十环为监测断面，得到隧道拱腰处围岩的水平应力变化曲线，左洞开挖时，左洞两拱腰处水平应力变化较大，离拱腰越远，围岩应力变化越小，当掌子面达到监测断面时，水平应力接近最大值，其中右拱腰处水平应力大于左拱腰，应力大小分别为0.66MPa和0.61MPa；右洞开挖时，两隧道间围岩体受力较大，左洞右拱腰水平应力呈现增大趋势，而左拱腰受右洞开挖影响较小，应力基本保持不变，右洞开挖完成后，左洞右拱腰处水平应力最大，其次为右洞左拱腰，而左洞左拱腰处水平应力最小，其中最大水平应力为0.71MPa。
初衬受力最大处基本上位于隧道两拱腰处，其中最大Mises应力约为9.9MPa。
4监测对比分析
选取左洞拱顶沉降、拱腰收敛及拱腰压力监测数据与数值模拟结果进行对比分析，在监测第35天，右洞掌子面到达监测断面。
在实际监测，随着右洞的开挖，左洞拱顶沉降基本保持不变，而拱腰收敛呈现减小趋势，但其变化幅度较数值模拟结果小，实际拱顶最大沉降值和模拟结果较为接近，而实际拱腰收敛最大值大于数值模拟结果，差值约为2mm。左洞拱腰实际监测围岩变化规律和数值模拟结果相近，左洞右拱腰受右洞的影响呈现增加趋势，实际监测中其附加应力约为0.18MPa，数值模拟中其附加应力约为0.05MPa，左洞左拱腰应力受右洞开挖影响小。
5结语
通过有限元模拟软件Midas对浅埋小径距隧道进行数值模拟，得到的结果与实际监测既有相似性也有差异性：
（1）随着隧道的开挖，隧道拱顶、拱腰变形值以及围岩应力变化逐渐增大并趋于稳定状态。
（2）在数值模拟和实际监测中，右洞的开挖对左洞拱顶沉降影响较小，而拱腰收敛值有减小趋势，数值模拟中较实际监测中变化更为明显。另外，数值模拟和实际监测中拱顶沉降最大值较为接近，为11.5mm，而实际监测拱腰收敛最大值较数值模拟大2mm。
（3）在数值模拟中，两隧道中间岩体存在应力集中现象，近接拱腰处围岩应力最大，随着右洞的开挖，左洞右拱腰应力有增大趋势，在实际监测中其变化幅度更加明显，而左洞左拱腰应力基本保持不变。
参考文献：
[1]张建. 浅埋双侧偏压小净距隧道围岩压力及施工力学效应研究[D].重庆大学，2012.
[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（Z2）：4139～4145.
[3]肖明清.小间距浅埋隧道围岩压力的探讨[J].现代隧道技术. 2004， 41（3）： 7～10.
[4]彭园，钱江，翟全磊等. Midas GTS三维数值分析在隧道偏压浅埋洞口段的应用及技术实践[J]. 公路，2016，06：268～274.
[5]舒志乐，刘保县，李月.偏压小净距隧道围岩压力分析[J].地下空间与工程学报，2007，3（3）：430～433.
[6]胡元芳.小线间距城市双线隧道围岩稳定性分析[J].岩石力学与工程学报.2002，21（9）：1335～1338.
[7]靳晓光，刘伟，郑学贵等.小净距偏压公路隧道开挖顺序优化[J].公路交通科技，2005，22（8）：61～64.
作者简介：
李燕杰，女，1975年生，满族，河北承德人，硕士研究生，高级工程师，主要从事岩土工程研究工作，上海普陀区中山北路2150号中船勘察设计研究院有限公司。
关键词：小径距；数值模拟；Midas；围岩变形；附加应力
小净距隧道因比连拱隧道施工简单、造价低等特点[1]，越来越受设计者所青睐，但其目前还缺乏较为系统的结构设计和施工等经验，在隧道开挖的过程中，两条隧道间围岩应力重分布变化较大，使得支护结构在受力上较为复杂[2-4]，给隧道的安全施工带来不便，因此，对小净距浅埋隧道进行研究具有一定指导性意义。
随着隧道施工水平的提升，小净距隧道逐渐发展起来，许多学者对其也进行了研究，舒志乐等[5]通过理论分析研究了隧道净距对围岩压力的影响，胡元芳[6]通过有限元分析给出了仙岳山隧道最小净距的参考值，靳晓光等[7]以二维数值分析研究了浅埋小净距隧道开挖方式的优劣性。
本文以恩施岭山隧道为工程依托，借助有限元分析软件MIDAS对小净距浅埋隧道施工过程进行分析，研究了隧道施工过程中围岩压力及隧道变形的分布规律，并探讨了后行洞施工对先行洞周边附件应力及变形的影响，以期为工程施工提供一定指导。
1工程概况
岭山隧道为小净距双线隧道，左、右洞长分别为433m和452m，最大埋深约116～135m。在出口段隧道埋深在20～50m，属于浅埋地段，隧道测设线间距约12m，属于小净距隧道，隧址区出露的地层主要为碎石土及强～中风化石灰岩，地下水不甚发育，主要以裂隙水为主，钻孔未揭露到地下水位。隧道开挖采用光面爆破全断面和台阶开挖。
2计算模型
为减小边界条件对数值计算的影响，选取隧道左右两侧各4倍洞径距离，模型宽度取110m，开挖长度取60m，隧道开挖过程中，每循环爆破3m，在数值计算过程中，为简化计算，左洞先行，左洞开挖完成后再开挖右洞，左右洞各分20次开挖，共有40个开挖循环，根据隧道之间相互位置及钻孔揭露地层情况，将计算模型建立如下：
计算模型中围岩参数根据前期勘察资料与室内试验确定，喷射混凝土、钢拱架、锚杆等计算参数根据《公路隧道设计规范》（JTJ D70-2004）等相关规范与相类似工程确定。其中钢拱架采用等效的方法将强度贡献到喷射混凝土层中，其具体计算公式：
（1）
式中：E是等效喷射混凝土弹性模量，E0是原喷射混凝土弹性模量，Eg为钢拱架弹性模量，Ag为钢架截面面积，Ac为喷射混凝土截面积，喷射混凝土中钢筋网主要起防止喷层开裂拉破坏，计算中不予考虑。导管为超前支护，起到超前加固作用，本计算中也不与考虑。其中HW175型钢截面面积为51.43cm2，HW150型钢截面面积为40.55cm2，材料为HRB335。
3计算结果及分析
3.1变形分析
当两隧道开挖完成后，围岩的最大位移量发生在隧道拱顶处，最大位移量为12.2mm，其中右洞最大位移量略大于左洞，右洞塑形区较左洞大，因地形起伏变化差异，右洞隧道埋深较大，在浅埋小径距施工条件下，右洞围岩压力较大，所受扰动程度大。
左右洞拱顶沉降随着隧道的开挖呈现出相同的变化趋势，当开挖到监测断面时，拱顶沉降速率最大，当掌子面远离监测断面约10环时，拱顶沉降趋于稳定并且两洞的最大沉降量相近，最大沉降量约为12.05mm。在开挖左洞时，两拱腰有向外变形的趋势，左洞开挖完成后，左洞右拱腰水平位移达到最大，约为3mm，而左洞左拱腰随着右洞的开挖逐渐增大，表明右洞开挖对左洞产生外挤作用；从右洞拱腰水平位移曲线可以看出，右洞左拱腰在受左洞开挖影响的基础上逐渐向隧道外侧变形，使得水平位移趋于减小，其变化幅度较大，总变化量约2.5mm，右拱腰总体变形趋于平稳，变化幅度较小。
为增强对比，以隧道两拱腰的相对位移为研究对象得到变形曲线，左洞拱腰相对水平位移量随着左洞的开挖逐渐增大，随着右洞的开挖逐渐减小，右洞拱腰相对水平位移量随着隧道的开挖呈现递增的趋势，当掌子面到达监测断面时，左右隧道拱腰处均会出现骤变现象，表明隧道开挖到监测断面时对当前及相邻隧道影响较大。
3.2应力分析
隧道拱顶和拱底处竖向应力较小，在隧道两拱腰处出现应力集中，在右洞左拱腰处豎向应力最大，为2.01MPa。
在小径距隧道开挖过程中，拱腰处受水平应力影响较明显，选取左右隧道第十环为监测断面，得到隧道拱腰处围岩的水平应力变化曲线，左洞开挖时，左洞两拱腰处水平应力变化较大，离拱腰越远，围岩应力变化越小，当掌子面达到监测断面时，水平应力接近最大值，其中右拱腰处水平应力大于左拱腰，应力大小分别为0.66MPa和0.61MPa；右洞开挖时，两隧道间围岩体受力较大，左洞右拱腰水平应力呈现增大趋势，而左拱腰受右洞开挖影响较小，应力基本保持不变，右洞开挖完成后，左洞右拱腰处水平应力最大，其次为右洞左拱腰，而左洞左拱腰处水平应力最小，其中最大水平应力为0.71MPa。
初衬受力最大处基本上位于隧道两拱腰处，其中最大Mises应力约为9.9MPa。
4监测对比分析
选取左洞拱顶沉降、拱腰收敛及拱腰压力监测数据与数值模拟结果进行对比分析，在监测第35天，右洞掌子面到达监测断面。
在实际监测，随着右洞的开挖，左洞拱顶沉降基本保持不变，而拱腰收敛呈现减小趋势，但其变化幅度较数值模拟结果小，实际拱顶最大沉降值和模拟结果较为接近，而实际拱腰收敛最大值大于数值模拟结果，差值约为2mm。左洞拱腰实际监测围岩变化规律和数值模拟结果相近，左洞右拱腰受右洞的影响呈现增加趋势，实际监测中其附加应力约为0.18MPa，数值模拟中其附加应力约为0.05MPa，左洞左拱腰应力受右洞开挖影响小。
5结语
通过有限元模拟软件Midas对浅埋小径距隧道进行数值模拟，得到的结果与实际监测既有相似性也有差异性：
（1）随着隧道的开挖，隧道拱顶、拱腰变形值以及围岩应力变化逐渐增大并趋于稳定状态。
（2）在数值模拟和实际监测中，右洞的开挖对左洞拱顶沉降影响较小，而拱腰收敛值有减小趋势，数值模拟中较实际监测中变化更为明显。另外，数值模拟和实际监测中拱顶沉降最大值较为接近，为11.5mm，而实际监测拱腰收敛最大值较数值模拟大2mm。
（3）在数值模拟中，两隧道中间岩体存在应力集中现象，近接拱腰处围岩应力最大，随着右洞的开挖，左洞右拱腰应力有增大趋势，在实际监测中其变化幅度更加明显，而左洞左拱腰应力基本保持不变。
参考文献：
[1]张建. 浅埋双侧偏压小净距隧道围岩压力及施工力学效应研究[D].重庆大学，2012.
[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（Z2）：4139～4145.
[3]肖明清.小间距浅埋隧道围岩压力的探讨[J].现代隧道技术. 2004， 41（3）： 7～10.
[4]彭园，钱江，翟全磊等. Midas GTS三维数值分析在隧道偏压浅埋洞口段的应用及技术实践[J]. 公路，2016，06：268～274.
[5]舒志乐，刘保县，李月.偏压小净距隧道围岩压力分析[J].地下空间与工程学报，2007，3（3）：430～433.
[6]胡元芳.小线间距城市双线隧道围岩稳定性分析[J].岩石力学与工程学报.2002，21（9）：1335～1338.
[7]靳晓光，刘伟，郑学贵等.小净距偏压公路隧道开挖顺序优化[J].公路交通科技，2005，22（8）：61～64.
作者简介：
李燕杰，女，1975年生，满族，河北承德人，硕士研究生，高级工程师，主要从事岩土工程研究工作，上海普陀区中山北路2150号中船勘察设计研究院有限公司。