小净距隧道围岩应力分布规律及稳定性研究
【摘 要】 小净距隧道在公路、铁路及城市地下铁道建设中经常出现。由于小净距双线隧道两隧道间净距很小，所以隧道间的相互影响十分明显且修建过程十分复杂。本文应用有限元数值模拟的方法对小净距双线公路隧道围岩应力分布状态随隧道间的净距变化和围岩类别变化的变化规律进行分析。
【关键词】 隧道 小近距 围岩应力分布 有限元法
1 前 言
在城市繁华地区或一些特定地段，受既有建筑物或地质条件的限制及地下空间综合开发利用的影响，隧道间距或隧道与其他结构物间的距离变得越来越小，为了适应这种发展，小净距隧道的修建也越来越多。小净距隧道是介于连拱隧道和普通分离式双洞隧道间的一种结构形式，在工程应用上有自身的特点：(1)造价与普通分离式双洞隧道相比差别较小，但比连拱隧道要低得多；(2)肩章仔公路整体线形规划和优化。目前单洞隧道及分离式双洞隧道的相关技术已趋成熟。但对于小净距隧道，隧道距离近，地质条件又往往是浅埋的软弱围岩，隧道间相互影响，这类隧道的施工仍然十分的困难。本文针对城市隧道小净距的特殊性，通过大型通用软件ANSYS从数值分析着手研究双线小净距平行隧道的围岩受力状态及稳定性随净距变化和围岩类别变化的变化规律，为隧道工程修建提供参考和积累经验。
2 有限元建模计算
计算对象为某城市双线小净距隧道，隧道单洞跨度10．4m，高8．54m。在ANSYS中建模分网如图1，计算范围为宽90m，高60m，围岩采用平面四节点实体单元(plane 42)模拟，围岩材料为线弹性，物理力学参数见表1。
表1 围岩物理力学参数
3 小净距双线隧道的围岩受力及稳定性分析
《公路隧道设计规范》中规定，两相邻隧道的剐、净距应按围岩、地质条件和隧道断面尺寸及施工方法等因素来确定。一般可按表2的数值取用。
表2 两相邻单线隧道的最小净距
注：B-隧道开挖断面的宽度
上表要求的最小净距的主要因素是，将两相邻隧道应分别置于围岩应力相互影响及施工影响范围之外，或者说使其间岩柱具有足够强度和稳定性。但在修建城市隧道时，由于建筑物和地质因素的影响，隧道间距一般难以满足规范规定的要求。因此，本次计算以不同隧道净距和围岩类别来分析双线隧道的围岩受力特性和稳定性。
3．1 净距对双线小净距隧道的围岩受力及稳定性的影响
按埋深30m，围岩类另II-IV净距分别取3．5m、5m、8m、15m、25m等多种工况，计算了各种工况的毛洞开挖围岩的应力重叠区和拱顶位移，图2为III类围岩毛洞开挖的等效应力等值线图 (由于篇幅所限，其他工况等效应力图不再列出)，图中等值线为等效应力等值线。图3为左洞拱顶位移随隧道净距变化图。
d=25m单洞应力
以上为应力等值线图，SEQV=0．14e7Pa
根据计算得出：
(1)随着两隧道净距的减少，隧道周边围岩的受力越来越不利。通过计算发现，对于11类围岩当隧道净距大于3B，对于III类围岩当隧道净距大于2．5B，对于IV类围岩当隧道净距大于2B时两隧道周边围岩的受力状态基本与单洞隧道相同，即两隧道相互影响很小。
以Ⅲ类围岩为例，当隧道净距为3，5m时隧道右洞开挖引起左洞隧道周边围岩的应力大幅上升(左洞先开挖)，特别是中夹层围岩，高应力区重叠严重，可见在小净距隧道中中夹层围岩受力是十分不利的，在实际工程中应该给予高度的重视，采取必要的加强围岩的措施以加强其稳定性，同时也可以看出在隧道开挖过程中，高应力区通常是在隧道两侧首先出现，虽然这并不意味着隧道围岩两侧围岩首先破坏，这是因为围岩的拉压强度不一致即围岩是各向异性体与计算的假设不同的结果，但是由于在净距隧道中，另一洞的修筑会引起本洞的围岩应力的大幅提高所以这时洞周两侧的围岩也应给予足够的重视。而且通过分析还发现随着净距的增大隧道围岩的受力有明显的好转，当净距为15m时隧道围岩的受力与单洞隧道围岩应力已差别不大，当净距为25m时两隧道几乎无相互影响。
(2)随着隧道间净距的减少，隧道的拱顶位移明显的增大，其围岩稳定性就变得越来越不利。以III类围岩为例，拱顶位移随净距变化曲线见图3，从中可以看出，随着隧道净距的增大，隧道左洞拱顶位移明显减少。当净距大于2．5B(25m)时，双洞开挖后左洞拱顶位移和单洞开挖后拱顶位移基本接近，说明两隧道净距大于2．5B后，两隧道几乎无相互影响。
3．2 围岩类别对双线小净距隧道稳定性的影响
由于城市隧道多数埋置在软岩当中，围岩的自承能力很弱，而围岩的物理力学特性对围岩的稳定性有着至关重要的影响，因此围岩类别是影响双线隧道围岩受力的另一重要因素。图4为埋深30m，净距5m时，左洞拱顶位移随围岩类别变化图。
从图中可以看出，随着围岩类别的降低，双洞开挖后左洞拱顶位移比单洞开挖后拱顶位移明显增加。但随着围岩类别的逐步提高，双洞开挖后左洞拱顶位移和单洞开挖后拱顶位移的差值明显减少，如图中所示IV类围岩时，即使两隧道净距仅为5m，两者也基本接近。
通过上述分析，可见围岩类别对双线小净距隧道的围岩稳定性影响很大，随着围岩类别的降低，围岩稳定性变得越来越不利。
4 结 论
根据计算研究，双线净距隧道的围岩受力状态及稳定性与隧道净距和围岩状态有关系切的关系一般有以下特征：
(1)随着两隧道净距的减少，隧道周边围岩的受力越来越不利。通过计算发现，对于II类围岩当隧道净距大于3B，对于111类围岩当隧道净距大于2．5B，对于IV类围岩当隧道净距大于2B时隧道周边围岩的受力状态基本与单洞隧道相同，即两隧道枢影响很小。
(2)随着隧道间净距的减少，隧道的拱顶位移明显的增大，其围岩稳定性就变得越来越不利。
(3)围岩类别对双绷、净距隧道的围岩稳定性影响很大，随着围岩类别的降低，围岩稳定性变得越来越不利。
参考文献
【1】陈少华等.小净距隧道的结构受力特点及工程措施国际隧道研讨会暨公路建设交流大会论文集(上册)．北京：人民交通出版社，2002
【2】JTJ026-94．公路隧道设计规范.北京； 人民交通出版杜
【3】胡元芳.小线距城市隧道围岩稳定性分析．岩石力学与岩石工程学报，2002，21
