小净距隧道是一种介于分离式隧道和连拱隧道之间的隧道结构形式, 该隧道形式既克服了分离式隧道接线难度大、占地面积广、高边坡等缺陷, 又比连拱隧道更容易控制施工质量且工期短、造价低, 在国内山区公路隧道建设中广泛应用^[1]。目前也不乏关于小净距隧道的相关研究, 如王刚等^[2]以京石线施工的不等高三连拱隧道为工程依托, 针对跨高不相等的特殊连拱隧道分析了其受力变形特点, 指出衬砌在围岩压力作用下, 衬砌结构整体有逆时针转动的趋势。万民科^[3]以湖南省炎汝高速公路田螺隧道为工程背景, 采用数值模拟方法分析了浅埋偏压小净距隧道不同施工阶段、左右洞掌子面错距及台阶步之间的变化规律, 得出了V级围岩条件下最优施工方案。彭琦^[4]以工程实例为依托, 对浅埋偏压小净距隧道用数值模拟和理论分析2种方法进行对比分析, 论证了在实际工程条件下围岩压力理论计算法的可靠性。赵玉翔^[5]采用FLAC3D数值模拟软件对双连拱隧道三导洞施工工法进行围岩力学响应分析, 理清了位移场与应力场的变化趋势。奚正兵等^[6]运用数值模拟方法分析超大断面隧道不同工法引起的软弱围岩变形机理特征, 得出同一围岩条件下其塑性区分布、地层沉降的特性和机理。文献[7-9]对两隧道处于不同位置时的相互影响特征进行研究分析, 得出其后行洞开挖后的塑性发展程度要大于先行洞。

影响隧道偏压的因素大致分为地形偏压、地质偏压和施工方法3种。以往对地形偏压的数值模拟研究中, 以地形表面坡度作为变量来分析偏压的方法最多, 同时对单洞和小净距隧道的受力及变形影响分析成果也较多, 但对于不等高程小净距隧道的偏压影响研究成果较少。故本文以海新2号隧道为例, 采用数值模拟的方法对不同地形条件下围岩的偏压变化程度进行研究。

许多设计者与施工单位面对偏压小净距隧道设计与施工时, 往往简单地将偏压隧道相对于无偏压隧道提高1~2个等级进行处理, 具有一定的盲目性和随意性。因此, 有必要研究地形条件对小净距隧道偏压程度的影响。

1) 模型中, 围岩采用莫尔-库仑本构模型, 用平面应变单元模拟;喷射混凝土和锚杆支护结构按线弹性材料计算, 其中喷射混凝土采用梁单元模拟, 锚杆采用植入式桁架模拟;由于二次衬砌是在隧道断面稳定后再施加的, 距离开挖掌子面较远, 故本文不考虑二次衬砌。两洞周网格取0.8m, 围岩网格取2m。

2) 围岩初始应力场仅考虑自重应力。

3) 施工过程模拟时, 围岩应力释放率按40%, 30%, 30%分配, 分别对应于台阶开挖阶段、初支阶段、混凝土硬化阶段。

4) 为降低模型边界条件对计算结果产生不利影响, 计算域在水平方向上向左、右各取5倍洞宽, 共计177m, 从左隧道拱底竖直方向向下取62m, 向上取至地面。模型尺寸、支护结构及施工阶段设置如图1所示 (内侧锚杆每延米7根, 长6m) 。

模型中, 围岩为中风化花岗岩, 重度为25k N/m³, 弹性模量为31.95GPa, 泊松比为0.25, 黏聚力为100k Pa, 内摩擦角为50°;边墙初支软喷和硬喷重度均为22k N/m³、泊松比均为0.2、厚度均为0.3m, 软喷弹性模量2.3GPa, 硬喷弹性模量23GPa;临时支撑结构初支软喷和硬喷重度、泊松比及弹性模量与边墙相同, 厚度为0.22m;边墙锚杆和支撑锚杆的重度均为78.5k N/m³, 弹性模量200GPa, 泊松比0.3, 边墙锚杆直径25mm, 支撑锚杆直径22mm。

模型结点太多, 故选用特征点分析不等高程小净距隧道不同地形条件对围岩最大主应力的影响, 其计算工况特征点如图2所示。

1) 地表坡度设置地表坡度分别取0°, 10°, 20°, 30°, 40°共5种工况, 进行围岩偏压程度分析。地表坡度20°时模型尺寸如图3a所示, 网格模型如图3b所示。

2) 埋深设置计算模型中两洞高程差均为6m, 净距均为11.5m, 左洞埋深分别取20, 40, 60, 80, 100m, 共计5种工况进行不等高程小净距隧道围岩偏压程度研究。左洞埋深20m的模型尺寸及网格模型如图4所示。

3) 不同高程差设置计算模型以右洞埋深10.5m为不动点, 净距11.5m不变, 左洞埋深分别取10.5m (左右两洞高程差0m) 、30.5m (左右两洞高程差20m) 、50.5m (左右两洞高程差40m) 、70.5m (左右两洞高程差60m) 、90.5m (左右两洞高程差80m) 、110.5m (左右两洞高程差100m) , 共计6种工况进行不等高程小净距隧道围岩偏压影响研究。左右两洞高程差100m的模型尺寸及网格模型如图5所示。

在地表坡度不同条件下, 两洞围岩最大主应力、围岩抗剪安全系数及围岩最大主应力特征点不对称差值百分比随地表坡度的变化趋势如图6~8所示。

从图6可知, 围岩最大主应力值随地表坡度增大而增加, 且左洞围岩最大主应力值整体比右洞大。右洞最大拉应力出现在右拱腰附近, 最大压应力出现在右墙角附近;左洞最大拉应力出现在右拱脚附近, 最大压应力出现在右墙角附近。

由图7可知, 随着地表坡度的增大, 两洞各特征点围岩抗剪安全系数整体下降, 洞室周边围岩越来越不稳定。尤其在两洞拱腰、拱脚处围岩的稳定状态极差, 在施工过程中必须采取一定的加强措施。

由图8可知, 对于围岩最大主应力不对称差值百分比而言, 左洞拱腰处围岩最大主应力不对称差值百分比随地表坡度的增大而减小, 这是由于左洞右拱腰围岩最大主应力值随地表坡度的增大, 其值从拉、压应力的临界点附近开始逐渐增大, 整体呈拉应力状态, 而左洞左拱腰一直处于压应力状态中, 且其值较右拱腰大, 但随地表坡度的增大, 右拱腰拉应力不断增加, 逐渐缩小了其与左拱腰所受的压应力差值。虽然在地表坡度为0°时, 左洞拱腰围岩最大主应力不对称差值百分比最大, 但其围岩最大主应力却很小, 围岩抗剪安全系数较其他地表坡度高;左洞其余特征点和右洞特征点的围岩最大主应力不对称差值百分比整体随地表坡度的增大而增大。

在不同埋深条件下, 两洞围岩对应特征点不对称差值百分比随埋深的变化趋势如图9所示。

由图9可知, 对于左洞而言, 两洞埋深的改变对其拱腰特征点的围岩应力不对称差值百分比影响最大, 两洞埋深越大, 不对称差值百分比越小, 偏压影响越小;埋深对左洞拱脚特征点的偏压影响最小。当左洞埋深为20m时, 其围岩应力不对称差值百分比已在10%以下, 随着埋深的增加, 偏压影响逐渐变小, 故左洞拱脚点可不考虑其偏压影响;左洞边墙和墙脚围岩应力不对称差值百分比随着埋深的增加, 变化并不明显, 且均大于10%, 在100m埋深范围内一直处于偏压状态。

对于右洞而言, 拱腰特征点围岩应力变化趋势同左洞;拱脚围岩应力不对称差值百分比随着埋深的增加在10%上下浮动, 偏压影响很小;边墙和墙脚特征点围岩应力不对称差值百分比随着埋深的增加一直处于10%以下, 故这2个特征点基本已不处于偏压状态。

随着埋深的增加, 右洞的偏压影响明显小于左洞。在单洞情况下, 隧道的偏压影响是随着埋深的增加而减小, 但在不等高程小净距隧道中, 左洞的偏压影响因素除了与地表坡度、埋深、施工工艺和围岩地质条件等有关外, 还与右洞施工对其造成的二次偏压影响有关, 故左洞的偏压影响大于右洞。

由于6种工况中右洞埋深10.5m始终不变, 根据3.1节、3.2节的研究可知, 右洞各特征点均不处于偏压状态, 故重点分析左洞的围岩应力变化 (见图10) 。

由图10可知, 当左右两洞高程差≥40m时, 围岩最大主应力的不对称差值百分比逐步趋于稳定。除左洞边墙点围岩最大主应力不对称差值百分比在高程差>40m后逐步稳定在10%以上附近, 其余各点的最大主应力不对称差值百分比在高程差>40m后逐步稳定并小于10%。换言之, 在本文研究的模型基础上, 采用双侧壁导坑法施工的不等高程小净距隧道在左、右洞高程差≥40m时, 围岩最大主应力不对称差值百分比基本稳定, 偏压影响大幅减小。

1) 不等高程小净距隧道两洞的偏压程度均随地表坡度的增加而增加;随埋深的增加而减小;随不同高程差的增大而减小。

2) 不同地表坡度对左洞 (两洞高程较低的隧洞) 围岩的偏压程度影响最大, 当净距为11.5m、高程差为6m和左洞埋深10.5m保持不变时, 即使地表坡度为0°, 两洞依然处于偏压状态。

3) 不同高程差对左洞 (两洞高程较低的隧洞) 围岩的偏压程度影响较地表坡度条件小, 较埋深条件大;当坡度为0°且净距保持11.5m不变, 左右两洞高程差<40m时, 两洞均处于偏压状态;当地表坡度为0°且净距保持11.5m不变, 两洞高程差≥40m时, 右洞 (两洞高程较高的隧洞) 由于埋深浅、施工工艺等原因一直处于偏压状态, 但左洞 (两洞高程较低的隧洞) 围岩应力不对称性已经≤10%, 偏压程度甚小, 也从侧面反映出当两洞高程差≥40m时, 该不等高程隧道已经不在小净距范畴内。针对此类隧道设计与施工时, 为简化其过程, 可看作无偏压隧道。