小净距隧道拓宽前后围岩应力应变分析

周成涛，陈俊涛

（1.重庆市勘测院，重庆400020；2.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074）

渝州隧道位于重庆市渝北区龙王洞背斜东翼，岩层倾角稍陡，线路走向为44°～48°，与地质构造线小角度斜交，属构造剥蚀浅丘地貌，地形坡度一般为10°～20°，局部由于人工开挖形成陡坎，坡度达60°～70°，上覆土层为残坡积粉质粘土，一般厚为0m～1m，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩、砂质泥岩。

经调查，隧道现状分左、右双洞，均为单向两车道隧道，平面成喇叭型布置，进口段两隧道结构间净距约10m，出口段为15m。隧道净宽10m，净高6.6m，圆拱直墙，拱厚75cm，边墙厚110cm。采用矿山法施工，复合式衬砌，初期支护以喷射混凝土，锚杆和钢筋网为主要支护手段；二次衬砌采用钢筋混凝土结构，现洞壁稳定，无变形迹象，局部有水痕。

根据设计方案，现拟对原有的渝州隧道进行扩挖，但不改变原隧道走向及长度。扩挖后，隧道洞净跨17.5m，洞高约8m，双向四车道，拟采用复合式衬砌，矿山法施工。

上述工程为典型的小净距隧道施工问题。在采用钻爆法进行隧道拓宽施工过程，将对围岩进行二次扰动，这是一个周边松动围岩发生进一步变形及围岩应力场、应变场重新建立的过程［1－5］。一般小净距隧道施工对隧道围岩受力分布及围岩变形有重要的影响［6－11］。针对渝州隧道工程特点，本文基于有限元理论方法对小净距隧道拓宽前后围岩应力应变分析，为类似工程安全施工提供理论支持。

1 隧道有限元模型

模型取隧道受偏压最严重的最不利断面进行分析；为了减小边界效应，设置隧道边缘至模型边缘为隧道宽度的3倍，隧道低部至模型边缘设置为隧道高度的3倍，模型的尺寸为72m×152m［12］。

计算模型左、右边界为X方向约束，底部边界为Y方向约束，顶部边界为自由面。计算模型详见图1［13］。

另外，在模拟岩土体开挖时，采用单元的生死状态模拟计算。根据“杀死”单元部分的应力值，计算得到开挖边界面各节点处，由 “死”单元作用的节点力，通过把与上述节点力等值反向的力施加到开挖边界对应的节点上。“杀死”单元时，程序用一个很小的因数乘以单元的刚度系数，并从总的质量矩阵中消去单元的质量来实现“杀死”单元［14］。

图1 有限元分析模型

2 计算结果分析

隧道围岩开挖后，改变了之前原始的应力状态，选取围岩作为分析对象，可以更加直观地反应出隧道拓宽前后围岩的稳定情况［15］。

2.1 围岩位移对比分析

如图2、图3所示分别为原有隧道及隧道拓宽后围岩所发生的水平位移云图。从图2中我们可以看出，由于受偏压影响，围岩的最大水平位移主要发生在地表上部、隧道左洞右上角：向左方向的水平位移最大值为0.5mm，向右的水平位移最大值约0.4mm；由图3我们可看到隧道拓宽后围岩水平位移明显增大，向左方向最大值达到1mm。同时，我们可以发现左洞隧道拱顶右侧围岩松动圈的范围明显扩大。

图2 原有隧道施工完成时水平位移云图（m）

图3 隧道拓宽后水平位移云图（m）

如图4、图5所示分别为原有隧道及隧道拓宽后围岩所发生的竖向位移云图。从图4可以看出，由于受偏压影响，隧道右洞的竖向位移大于左洞，并且右洞拱顶围岩的松动范围也比左洞更大。其中，最大拱顶沉降位移为2.7mm。由图5可看到隧道拓宽后围岩竖向位移明显增大，最大拱顶沉降位移为5.0mm。

2.2 围岩拉应力对比分析

如图6、图7所示分别为原有隧道及隧道拓宽后围岩拉应力云图。从图6中可以看出最大拉应力主要发生在右洞拱顶右侧附近，其中最大值为0.33MPa。从图7中可以看出最大拉应力主要发生在右洞右边墙附近，其中最大值为0.49MPa。

图4 原有隧道施工完成时竖向位移云图（m）

图5 隧道拓宽后竖向位移云图（m）

图6 原有隧道围岩拉应力分布云图（Pa）

图7 隧道拓宽后围岩拉应力分布云图（Pa）

2.3 围岩压应力对比分析

如图8、图9所示分别为原有隧道施工完成时、隧道拓宽后围岩压应力云图。从图5中可以看出最大压应力主要发生在两隧道的左右边墙附近，其中右洞压应力明显大于左洞，最大值为－2.86MPa。从图5可以看出围岩压应力分布情况基本同隧道拓宽以前一样，但是最大值增大为－3.22MPa。

2.4 围岩塑性区对比分析

如图10所示为原隧道围岩塑性区主要发生在两隧道的右边墙附近，但是塑性变形并不大，为0.21×10－3。从图11中，我们可以看到塑性应变的分布状况基本不变，但是塑性变形增大到0.39×10－3。

图8 原有隧道围岩压应力分布云图（Pa）

图9 隧道拓宽后围岩压应力分布云图（Pa）

图10 原有隧道塑性变形云图

图11 隧道拓宽后塑性变形云图

3 结 论

通过以上对隧道拓宽前后围岩位移、应力应变及塑性区的分析，可以得出以下结论：

1）隧道拓宽后，围岩竖向位移明显增大；左右隧道拱顶松动圈扩展也较迅速，甚至可能贯通至地表，建议在拓宽施工过程中及时对拱顶进行支护。

2）隧道拓宽后，围岩的拉应力及压应力明显增大；受上部偏压影响，其最大值主要是分布在中央岩柱及右洞右边墙附近。

3）通过对塑性区的分析，可以发现右洞右边墙塑性应变较大，在隧道拓宽施工过程中需要加强支护力度。

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