第１０卷第５期 铁道科学与工程学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＩ Ｌ＼／＼『ＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖ０ｌ｜１Ｏ ＮＯ．５ ２０１３年１０月 Ｏｃｔ。２０１３ 浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨 张运良。扶晓康，刘海林，郑阳焱 （中南大学土木工程学院，湖南长沙４１００７５） 摘要：运用ＡＮＳＹＳ有限元程序，研究浅埋偏压小净距隧道在不同的偏压角度、间距、埋深条件下，先开挖深埋侧和先开挖 浅埋侧２种不同的开挖顺序下的受力和变形特性，对比分析了围岩最大拉应力、围岩洞周最大位移、中岩柱水平位移和竖 向应力。研究结果表明：随着角度的增加，先开挖深埋侧较先开挖浅埋侧隧道及中岩柱更加安全；当间距小于０．５倍洞径 时，先开挖深埋侧较先开挖浅埋侧安全；当间距大于０．７５倍洞径时，先开挖浅埋侧对于隧道受力更加有利；当埋深在１倍 洞径以下，先开挖深埋侧隧道整体稳定性及受力更加安全，当埋深大于１．５倍洞径时，先开挖浅埋侧隧道受力更加安全。 关键词：小净距；偏压隧道；浅埋；拉应力；中岩柱 中图分类号：Ｕ４５９．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７０２９（２０１３）０５—００５７—０７ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｌｌｏｗ—ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｂｉａｓ ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｓｍａｌＩ ｃｌｅａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎｌｉａｎｇ，ＦＵ Ｘｉａｏｋａｎｇ，ＬＩＵ Ｈａｉｌｉｎ，ＺＨＥＮＧ Ｙａｎｇｙａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｉａｓ ａｎｇｌｅｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｌｅａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｕｒｉａｌ ｄｅｐｔｈｓ， ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＡＮＡＹＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ．Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒ ｗｅｒｅ ｃａｒ－ ｌｆｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒ ａｒｅ ｓａｆｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｅａｒｌｉｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｓｈａｌｌｏｗ ｏｎｅ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｆｉｒｓｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｇｌｅ． Ｉｔ ｉｓ ｓａｆｅｒ ｔｏ ｅｘｃａｖａｔｅ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｅａｒｌｉｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．５ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅ１．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｉｔ ｉＳ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｉｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｆｉｒｓｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｅｘｃｅｅｄｓ ０．７５ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅ１．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｒｅ ｓａｆｅｒ ｉｆ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｉＳ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｅａｒｌｉｅｒ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｂｕｒｉａｌ ｄｅｐｔｈ ｉＳ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅ１．Ｗｈｅｒｅａｓ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｅａｒｌｉｅｒ ｉＳ ｓａｆｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｂｕｒｉａｌ ｄｅｐｔｈ ｅｘｃｅｅｄｓ １．５ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｌｌ ｃｌｅａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ；ｂｉａｓ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｈａｌｌｏｗ—ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ；ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌｒ ａ近年来，对于浅埋偏压小净距隧道合理开挖顺 塑性区较小，右洞拱顶塑性区较小，左洞拱顶不会出 现围岩拉裂区；李星平等 通过对两车道偏压隧道 施工数值模拟得到先开挖深埋侧能避免出现较危险 的施工状；孙亮 通过对观音庙隧道进口小净距 序，众多学者进行了一些研究工作，如：杨小礼等 。 通过对浅埋小净距双洞六车道偏压公路隧道不同开 挖顺序施工数值模拟得到先开挖深埋一侧隧道围岩 收稿日期：２０１３一Ｏｌ一０２ 作者简介：张运良（１９６３一），男，湖南湘潭人，副教授，从事隧道及地下工程教学及研究 ５８ 铁道科学与工程学报 ２０１３年ｌ０月 段的数值模拟研究，比较不同开挖顺序下的围岩应 力及衬砌内力，认为先开挖浅埋一侧对隧道施工更 加安全；靳晓光等 等通过对京福高速公路三明、福 州段小净距偏压隧道开挖顺序研究，分析了隧道开 挖顺序对围岩破坏接近度、围岩变形位移以及对空 问围岩体塑性破坏和位移的影响，得到了先开挖浅 埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道的结果。由此可 见，对于浅埋偏压小净距隧道合理开挖顺序一直处 在探索阶段，本文在此基础上，通过比较不同的偏压 角度、净距、埋深条件，来探究各种因素对于小净距 偏压隧道开挖顺序的影响。 ｌ有限元模型建立 采用大型通用软件ＡＮＳＹＳ进行两车道偏压公 路隧道数值模拟分析，隧道开挖宽度为１１．０１ ｍ， 高度为８．１３ ｍ，围岩级别为ＩＶ级，二衬采用Ｃ２５ 混凝土，各部分具体物理力学参数见表ｌ和表２。 模型水平 轴方向从隧道外侧起选取３～４倍洞径 作为计算范围，竖直Ｙ向自隧道底部向下去４～５ 倍洞径，模型底部竖直约束，左右边界水平约束，顶 部为自由边界 ｊ。根据围岩特性，数值模拟采用 弹塑性模型和Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ屈服准则，围岩选 用ｓｏｌｉｄ单元，支护结构选用ｂｅａｍ单元。计算模型 网格如图１所示。 表１ 围岩物理力学参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃａｌ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ 表２支护结构物理力学参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｈｙｓｉｃａｌ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 容重 弹性模量 泊松比 厚度 抗压强度尺 二次 ／（ｋＮ・ｍ－３）Ｅ／ＧＰａ ｈ／ｃｍ ＭＰａ 衬砌 ２５ ２９ Ｏ．２ ５０ ２２．５ 依据《公路隧道设计规范》 对于浅埋和小净 距的界定，本文从偏压角度、埋深、间距３个方面来 研究偏压小净距隧道开挖顺序影响因素分析，具体 工况包括： （１）在５ ｍ间距、１０ ｍ埋深情况下，偏压为 ｌ５。，２５。和４５。； （２）在２５。偏压、１０ ｍ埋深情况下，间距为 ２．５，５，７．５和１０ ｍ； （３）在２５。偏压、５ ｍ间距情况下，埋深为５， １０，１５和２０ ｍ。 图１ 计算网格模型 Ｆｉｇ．１ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｓｈ 根据文献［７一ｌ０］可知，小净距偏压隧道受力 不安全位置主要集中在拱顶及靠近中岩柱附近，因 而选用如图２所示的特征点来分析偏压隧道在不 同条件下结构受力和变形规律。 图２隧道洞周特征点分布 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｆｉｎｅｄ ｐｏｉｎｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ２偏压角度对开挖顺序影响 ２．１围岩应力分析 在３种不同偏压角度下，先浅埋后深埋和先深 埋后浅埋２种开挖顺序所得到围岩各特征点应力 如表３所示。 第５期 张运良，等：浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨 ５９ 表３不同开挖顺序下围岩各特征点应力 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｄｅｆｉｎｅｄ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ １ ４９．２６０ ７５．１ｏｏ ５１．５ｏ０ ８２．１０ｏ １５２．３００ １６８．９０ｏ ２ ４８．９２０ ８５．７００ ７３．９４０ １１１．２０ｏ １５８．２ｏｏ ２３２．ｏｏｏ ５ ９６．４８０ ７９．７５０ ｌ１５．５ｏｏ ｌｏｏ．９００ ３８１．５０ｏ ２７１．２００ ６ １８．０８０ ４．０４０—１．２０２—７．４２５ 一１５．０５０ —５３．１７０ 由表３可以看出：隧道开挖后左右洞拱顶都出 现了拉应力，拉应力随着角度的增加不断增大，并 且增加的幅度明显变大；从０。到１５。，围岩最大拉 应力从８１．３２ ｋＰａ增加到９６．４７ ｋＰａ，增加了 １８．６％；从１５。到２５。围岩最大拉应力有９６ ｋＰａ增 加到１１５ ｋＰａ，增加了１９．７％；从２５。到４５。，围岩最 大拉应力由１１５ ｋＰａ增加３８１ ｋＰａ，增加２３１％。因 而，当角度大于２５。时，角度的增加会急剧增加隧 道围岩破坏的可能性。 从表３同时可以看出：这２种开挖方式下深埋 侧拱顶的拉应力均大于浅埋侧的拱顶拉应力，浅埋 侧靠近中岩柱的拱腰一直处与拉应力状态，并随着 角度的增加拉应力不断增大；而深埋侧靠近中岩柱 侧的拱腰在角度大于２５。下开始出现压应力，因而 浅埋侧靠近中岩柱的拱腰要比深埋侧靠近中岩柱 的拱腰更加危险施工中要重点加固处理浅埋侧靠 近中岩柱的拱腰。 图３不同开挖顺序下围岩最大拉应力与偏压角度关系 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓａｔ－ ｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｂｉａｓ ａｎｇｌｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｅａｖａ— ｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ 因此，从控制围岩最大拉应力的角度出发， 先开挖深埋侧围岩最大拉应力较先开挖浅埋侧要 小，并且随着角度的增加，先开挖深埋侧围岩最 大拉应力与先开挖浅埋侧围岩最大拉应力差值越 来越大，如图３所示。同时，随着角度的增加， 先开挖深埋侧，深埋侧靠近中岩柱的拱腰会由拉 应力变为压应力，这对于深埋侧隧道围岩受力是 有利的。 ２．２洞周及地表变形分析 表４所示为洞周特征点的位移及地表控制点 位移。 表４不同开挖顺序下洞周位移及地表位移 Ｔａｂｌｅ ４ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｅｅ ｄｉｓ— ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ 左拱顶沉降 一８．３５—９．３２—８．７０—９．８３—１４．９６—１６．５２ 右拱顶沉降 —１３．１Ｏ—ｌ２．３８—１６．１２—１５．３９—２８．１４—２６．９５ 左洞收敛 ５．４５ ５．５Ｏ ６．７０ ６．２１ ５．２３ ６．２１ 右洞收敛 ４．５５ ４．６４ ３．６４ ４．５０ ３．２８ ２．４７ Ａ水平位移 １．４６ １．４２ Ｏ．９６ Ｏ．９８ —１．６５—１．５６ ８水平位移 —１．７０一１．８９—１．６０—１．９９—２．０８—２．５２ 由表４可以得出：隧道开挖后，由于存在偏压 的受力条件，使深埋侧拱顶的沉降远大于浅埋侧拱 顶沉降，并随着角度的增加，两者的差距越来越大， 甚至相差１倍；然而，两洞的水平收敛则刚好相反， 即浅埋侧隧道洞周收敛要较深埋侧大。 从地表水平位移变化上来看：２种开挖方式地 表水平位移相差并不大；当偏压角度小于２５。时， 浅埋隧道轴线位置上地表水平位移为正，表示地表 有向深埋侧运动趋势，这对于控制滑坡是有利的； 当角度为４５。时，左右两隧道轴线位置上的地表水 平位移均为负，表示地表有向浅埋侧滑动的趋势， 这预示着的滑坡将可能失去稳定性。因而，当偏压 角度大于２５。时，施工之前要采取必要的防滑坡支 护措施。 比较２种不同开挖方式后洞周各点位移可以 得到，先开挖浅埋侧隧道时，左拱顶沉降和右洞水 平收敛都较先开挖深埋侧要小，但是，右拱顶沉降 和左洞的水平收敛都较先开挖深埋侧要大。因而， 从控制洞周最大位移出发，先开挖深埋侧隧道，整 个洞周最大位移（即深埋侧拱顶沉降）要较先开挖 ６０ 铁道科学与工程学报 ２０１３年１Ｏ月 浅埋侧小，优选选择开挖深埋侧隧道。洞周最大位 移随偏压角度变化如图４所示。 综合以上分析结果并结合工程实际，随着偏压 角度增加，优先选择先开挖深埋侧隧道，洞周最大 位移和围岩最大拉应力都较先开挖浅埋侧小，优先 选择开挖深埋侧隧道。 、 糕 匝 １５ ３Ｏ ４５ 偏压角度／（。） 图４不同开挖顺序下洞周最大位移与偏压角度的关系 Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａ— ｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｂｉａｓ ａｎｇｌｅ ３ 间距对开挖顺序影响 ３．１ 中岩柱位移及应力分析 ２种不同开挖方式下中岩柱中心线处水平位 移及应力随着间距变化如图５和图６所示。 图５不同间距下两种开挖顺序中岩柱竖向应力 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒ－ ｅｎｔ ｓｐａｃｅｓ 从图５和图６可以看出：偏压隧道在２种开挖 方式下，中岩柱都会发生向浅埋一侧的变形，因而 施工过程中我们要及时对中岩柱采取支撑措施，以 控制它向浅埋侧偏移的危险；同时，随着两洞间距 的不断扩大，中岩柱的水平位移和竖向应力都不断 地减少。 ｌ ＼ 龄 ｊ 吾 Ｉ闭 巨／Ｉｎ 图６不同间距下２种开挖顺序中岩柱水平位移 ｉＦｇ．６ Ｔｈｅ ｈｏｆｉｚｏｎｔＭ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｅｓ 比较２种开挖方式下，中岩柱的位移及竖向应 力可以得到，当左右隧道间距小于５ ｍ（０．５倍洞 径）时，先开挖深埋侧隧道，中岩柱的水平位移和 竖向应力均要小于先开挖浅埋侧条件下的中岩柱 水平位移和竖向应力；随着间距的不断增大，在２ 种开挖方式下，中岩柱水平位移和竖向应力差距越 来越小。因而，从控制中岩柱安全性的角度分析， 在左右隧道间距小于０．５倍洞径时，优先选择开挖 深埋侧隧道，对于隧道施工更加安全。 ３．２围岩应力分析 ２种开挖方式下围岩各特征点应力如表５ 所示。 表５不同间距下２种开挖顺序围岩各特征点应力 Ｔａｂｌｅ ５ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｄｅｆｉｎｅｄ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｅｓ １ ５４．０９ ８４．０３ ５１．５４ ８２．１０ ５８．５７ ７５．５２ ６４．１１ ７１．７３ ２ ８４．０７ １１０．６ ７３．９１ ｌ１１．２ ８７．６２ １１８．８ ９５．３１ １１９．９ ５ １２４．３ １０１．２ １１５．５ １０ｏ．９ ｌ１２．５ １０３．３ １１２．０ １０６．１ ６—６８．９ ２７．６４—１２．０—７．４２ ８１．３１ ８６．１０ １５．５２ ７５．９０ 第５期 张运良，等：浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨 ６１ 由洞周各特征点的围岩应力可以发现，２种开 挖方式下两洞的拱顶及靠净中岩柱侧的拱腰均出 现了拉应力。当两洞间距小于５ ｍ（即０．５倍洞 径）时，深埋侧的拱顶拉应力是整个洞周围岩拉应 力中的最大值，并随着间距的增大不断地减小；当 两洞间距大于５ ｍ时，浅埋侧靠近中岩柱的拱腰拉 应力将迅速增大，随着间距增大这点的拉应力将超 过深埋侧拱顶的拉应力成为整个洞周围岩最大拉 应力。 比较２种开挖方式下围岩最大拉应力（图６） 可以得到：在间距小于５ ｍ（即０．５倍洞径）时，深 埋侧拱顶围岩应力是整个洞周围岩的最大拉应力， 在这种情况下先开挖深埋侧，该点的围岩拉应力要 比先开挖浅埋侧小，从控制围岩最大拉应力的角度 出发，选择优先开挖深埋侧隧道是最佳的开挖方 式；当间距大于５ ｍ（即５倍洞径）时，随着间距的 增大，深埋侧拱顶围岩拉应力不断减小，浅埋侧靠 近中岩柱的拱腰拉应力不断增大并慢慢成为洞周 围岩最大拉应力，浅埋侧靠近中岩柱的拱腰拉应力 成为控制隧道开挖安全判别依据，这种先开挖浅埋 侧隧道，拱腰拉应力较先开挖深埋侧的小，因而，优 先选择开挖浅埋侧隧道对于隧道施工安全是有 利的。 重 、 －Ｒ 捐 匠 暖 烬 图７不同开挖顺序下洞周围岩最大拉应力 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｍ￣ｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｕｎ— ｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ４埋深对开挖顺序的影响 ４．１围岩应力分析 不同埋深条件下２种开挖顺序后围岩特征点应力见表６。 表６不同埋深下２种开挖顺序围岩各特征点应力 Ｔａｂｌｅ ６ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｄｅｆｉｎｅｄ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｖｅｒｂｕｒ— ｄｅｎ ｄｅｐｔｈｓ １ ２９．７ ４２．１ ５１．５ ８２．１ ６ｏ．７ １０６．６ ５９．９ １１７．４ ２ ６６．６ ９１．２ ７３．９ ｌ１１．２ ７９．１ ｌ３６．６ ８３．６ １５２．６ ５ ９５．７ ９Ｏ．５ １１５．５ １００．９ １２７．５ １０５．２ １３２．２ ｌｏ７．５ ６—８．３７—９．９０—１２．０ —７．４２ ７．２７—５．２９ ２２．３２一１．１７ 从表６可以看出：埋深小于１５ ｍ时，深、浅埋 侧拱顶及浅埋侧靠近中岩柱的拱腰均处在受拉状 态，并且这些些点的拉应力均随着埋深的增加而增 加，而深埋侧靠近中岩柱的拱腰处在压应力状态； 当埋深大于１５ ｍ，深埋侧靠净中岩柱的拱腰处开 始由压应力向拉应力转化。 ２种开挖顺序下围岩最大拉应力与埋深关系 图如图７所示。比较围岩应力结果可以得到：当埋 深小于１０ ｍ时，在２种开挖方式下，都是先开挖深 埋侧围岩的最大拉应力要小于先开挖浅埋侧，此 时，从控制围岩最大拉应力出发，先开挖深埋侧隧 道时最优选择；当埋深大于１５ ｍ时，２种开挖方式 比较都是先开挖浅埋侧围岩的最大拉应力要小于 先开挖深埋侧，因而，优先选择开挖浅埋侧。 图８两种开挖顺序下围岩最大拉应力与埋深之间关系 Ｆｉｇ．８ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍ￣ｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｄｅｐｔｈ ｕｎｄｅｒ ｔｗｏ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ４．２中岩柱水平位移及竖向应力 在不同开挖顺序下，中岩柱水平位移随埋深 Ｒ 擐 ６２ 铁道科学与工程学报 ２０１３年１０月 变化图和竖向应力随埋深变化如图９和图１０ 所示。 ｌ 、 龄 ＊ 岳 图９不同开挖顺序下中岩柱水平位移与埋深关系 Ｆｉｇ．９ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔｌａ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒ ａｎｄ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｄｅｐｔｈ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆ－ ｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ 图１０不同开挖顺序下中岩柱竖向应力与埋深之间关系 Ｆｉｇ．１０ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒ ａｎｄ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｄｅｐｔｈ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａ— ｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ 从图９和图ｌＯ可以看出：当埋深小于１５ ｍ 时，中岩柱的水平位移随着埋置深度的增加不断减 少；当埋深大于１５ ｍ开始，中岩柱的水平位移开始 随着埋深的增加而增加；在埋深从５ ｍ到２０ ｍ过 程中，中岩柱竖向应力一直是随着埋置深度的增加 不断增加。 对比２种开挖顺序的结果可以看出：先开挖深 埋侧中岩柱的水平位移要明显小于先开挖浅埋侧 位移，但是，不管是先开挖哪一侧，岩柱的水平位移 都非常小，基本上为…１ ２ ｍｍ；然而，当埋深在 ５～２０ ｍ时，中岩柱受到的竖向应力基本都会在 １００ ｋＰａ以上，因此，中岩柱的竖向应力是控制其安 全性的判别依据；当埋深在１５ Ｉｎ以下时，先开挖深 埋侧中岩柱的竖向应力要较先开挖浅埋侧小；当埋 深大于１５ ｍ时，先开挖浅埋侧中岩柱的竖向应力 要较先开挖深埋侧小。 因此，综合以上各种结果分析并考虑工程实 际，当埋深小于１０ ｍ时，先开挖深埋侧隧道围岩最 大拉应力及中岩柱竖向应力都较先开挖浅埋侧的 小，优先选择开挖深埋侧隧道；当埋深大于１５ Ｉｎ 时，先开挖浅埋侧隧道拉应力及岩柱竖向应力较 小，并且有防止滑坡的效果，优先选择开挖浅埋侧 隧道。 ５结论 （１）随着偏压角度的增加，两隧道洞顶及浅 埋侧靠近中岩柱的拱腰均出现拉应力，最大拉应 力随着角度增加急剧增加，先开挖深埋侧隧道围 岩的最大拉应力要比先开挖浅埋侧的小。 （２）中岩柱在隧道２种开挖方式下均出现向 浅埋一侧的位移，在施工中应及时采取支护措施。 当两洞间距小于５ ｍ（即０．５倍洞径）时，先开 挖深埋侧隧道中岩柱的水平位移和竖向应力及围 岩的最大拉应力均要比先开挖浅埋侧隧道的小； 当隧道间距大于７．５ ｍ（０．７５倍洞径）之后， 先开挖浅埋侧隧道中岩柱的水平位移和竖向应力 和先开挖深埋侧相差不大，但围岩的最大拉应力 要小一些。 （３）随着埋深的增加围岩最大拉应力、中岩 柱水平位移及竖向应力均不断地增大。当埋深小 于１０ ｍ（１倍洞径）时，先开挖深埋侧隧道围岩 最大拉应力及岩柱的竖向应力均比先开挖浅埋侧 的小；当埋深大于１５ ｍ（１．５倍洞径）时，先 开挖浅埋侧隧道围岩最大拉应力及中岩柱竖向应 力较小。 第５期 张运良，等：浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨 ６３ 参考文献： ［１］杨小礼，眭志荣．浅埋小净距偏压隧道施工工序的数 值分析［Ｊ］．中南大学学报：自然科学版，２００７，３８（４）： ７６４—７７０． ＹＡＮＧ Ｘｉａｏｌｉ，ＫＵＩ Ｚｈｉｒｏｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｕｎ— ｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｍａ］ｌ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｂｉａｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，３８（４）：７６４—７７０． ［２］李星平，陈力华．小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨 ［Ｊ］．公路隧道，２０１１，２：１—３． Ｉ Ｉ Ｘｉｎｇｐｉｎｇ．ＣＨＥＮ Ｌｉｈｕａ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｅｘｅａ— ｖａｔｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｔ ｂｉａｓ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｃｌｅａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ］．Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ，２０１１，２：１—３． ［３］孙亮，徐林生．观音庙隧道进口小净距段动态施工的数 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ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒ ｆｏｒ ｓｈａｌｌｏｗ ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｃｌｅａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ＆Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ，２０１１（４），１８—２３． ［８ 王立川．浅埋偏压隧道围岩压力与开挖进尺优化的极 限分析方法［Ｄ］．长沙：中南大学土木工程学院， ２０１１． ＷＡＮＧ Ｌｉｃｈｕａｎ．Ｌｉｍｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｎ— ｓｙｍｍｅｔｉｒｃａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｈａｌｌｏｗ ｔｕｎｎｅｌ［Ｄ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ： Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１１． ［９］巫峰．大跨小净距隧道施工期中岩柱力学分析及应用 研究［Ｄ］．广州：广东工业大学土木与交通工程学院， ２０１１． ＷＵ Ｆｅｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｐｉｌｌａｒ ｏｆ ａ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒ——ｌａｒｇｅ——ｓｐａｎ ａｎｄ Ｓｍａｌｌ——ｓｐａｃｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｄ］．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：Ｆａｃｕｈｙ ｏｆ Ｃｉｖ— ｉｌ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１ １． ［１０］赵永国，邵生俊，韩常领，等．浅埋偏压隧道开挖施工 方案的仿真分析［Ｊ］．岩土力学，２００９，３０（２）：５１０— ５１３． ＺＨＡＯ Ｙｏｎｇｇｕｏ，ＳＨＡＯ ＳｈｅｎＮｕｎ，ＨＡＮ Ｃｈａｎｇｌｉｎｇ，ｅｔ １ａ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ—ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ［Ｊ］．Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００９，３０（２）：５１０— ５】３．
