彭学军，邓皇适，龙勇平，李一萍

（1.中铁五局集团第一工程处有限公司，湖南 长沙 410031；2.中南大学，湖南 长沙 410075）

导洞与正洞的净距影响导洞与正洞的安全和稳定。而导洞与正洞的距离越远，卸荷作用效果越低，且大大增加了工程造价。因此，确定导洞与正洞的合理距离十分重要。

1 大坪山隧道铁路主要技术标准

成昆铁路大坪山隧道起讫里程为DK217+560～DK228+904，正线长11344m，进口紧邻白沙河双线大桥，出口紧邻新林官料河双线大桥，铁路级别及具体技术标准如表1所示。全隧共设1座平导、2座横洞，全长依次为5345.404m、930m、510m。隧道地质情况复杂，山体坡度陡，岩层陡倾，进口段为低瓦斯隧道工区，隧道洞身局部段落岩溶发育、节理裂隙发育，施工过程中易发生涌水、突泥、坍塌掉块现象。该隧道发育红花溪向斜及5条断裂构造。隧道地质构造复杂，其中正洞Ⅲ级围岩长4185m、Ⅳ级围岩长6365m、Ⅴ级围岩长766m，分别占隧道总长的36.9%、56.1%、6.8%；辅助导坑Ⅲ级围岩长2438.404m、Ⅳ级围岩长3645m、Ⅴ级围岩长702m，分别占隧道总长的35.9%、53.7%、10.3%。平导开挖资料如表2、表3所示。大坪山隧道导洞与正洞之间的横通道呈45°斜交，横通道的长度可以根据导洞与正洞之间的距离得到，约为导洞与正洞距离的1.8倍；横通道的造价与导洞的造价基本相同。

2 数值模拟计算

根据上节所述，研究导洞与正洞之间最合理净距应从隧道受力变形以及工程造价两个方面进行。平行导洞的作用主要是改善正洞受力，为此，上述指标因素受力情况的数据值主要针对正洞的受力情况。根据大坪山隧道设计，平行导洞采用台阶法开挖，正洞采用三台阶法开挖，平行导洞与正洞间距为30m，平行导洞开挖超前正洞开挖40m。通过已计算所得的地应力场，构建了平行导洞与正洞同时存在的数值计算模型。模型通过外部建模软件Rhino 6进行建模，再转化为FLAC3D 6.0网格文件，共有193860个节点、1140910个单元体、276个单元组，如图1所示。

表1 大坪山隧道铁路主要技术标准

数值计算模型大小：水平长度为80m，高度为50m，隧道顶部为30m，隧道底部为20m，沿隧道开挖方向取75m。模型边界条件：约束前后左右及底面5个面的法向位移，上表面取为自由表面，同时在两侧施加原始地应力。数值模拟计算步骤：（1）对模型材料赋予约束数值计算模型的边界条件。（2）在初始地应力条件下对模型进行初始地应力的平衡。（3）采用两台阶法开挖导洞。数值模拟中，每开挖步的步长取10000s，约3h；初期支护及衬砌施作时长取6000s，约2h。导洞先超前开挖40m，随后导洞与正洞同时开挖，开挖时长与导洞开挖时长一致。（4）结果分析。为了得到不同情况下平行导洞开挖对正洞的影响，构建了不同工况下的对比分析表，如表4所示。

表2 大坪山隧道开挖长度及支护材料统计表

分别对上述六种工况进行计算，得到工况一～工况四应力结果如图2～图5所示。工况五及工况六得到的数值计算结果与工况三的差别较小，因此不放入数值计算云图，其计算结果将在后续曲线图中进行对比和分析。

表3 大坪山隧道开挖及支护每延米价格统计表

图1 数值计算模型图

表4 工况对比分析表 单位：m

3 数值模拟计算结果分析

从上述数值模拟计算结果可以看出，对比无导洞段，正洞拱顶沉降明显减小，且随着导洞与正洞之间的距离逐渐减小，拱顶沉降下降幅度逐渐增大。这同时也证明了导洞对正洞的卸荷效应随着距离的缩短而增强的机理。

拱顶沉降曲线图如图6所示。从图6可以看出，工况一～工况四中，距离增加相同幅度，但沉降上升幅度越来越大，说明平行导洞的卸荷效应下降幅度远超距离增加的程度。对比工况三、工况五和工况六可以看出，随着平行导洞超前掘进距离增加，其拱顶沉降越小，导致这一规律产生的主要原因是平行导洞超前开挖将进一步降低隧道正洞开挖前方的荷载，从而引起更小的沉降，说明平行导洞超前掘进距离对平行导洞的卸荷效应影响较小。

侧收敛规律与拱顶沉降规律基本一致，不同工况下拱侧收敛图如图7所示。拱侧收敛值大小与平行导洞和正洞之间的距离有密切的关系，且从云图中可以看出，拱侧收敛值不是对称分布的，在靠近平行导洞的一侧，其水平收敛值明显小于远离平行导洞的一侧。这说明平行导洞一侧对近侧的卸荷效应更加明显。同样，平行导洞超前开挖距离对拱侧收敛值的影响较小。

不同工况下初支最大剪力和最大应力图分别如图8、图9所示。从图中可以看出，初支的最大应力变化规律与拱顶沉降和拱侧收敛的变化规律也大致相同，但最大应力受到平行导洞超前开挖距离的影响较大，变化幅度较大。在以水平构造应力为主导的高地应力场环境下，由于导洞的开挖，使得水平方向较竖直方向释放了更多的应力，直观地体现在导洞周围水平方向应力降低；而竖直方向，在围岩附近应力是先增大后减小（整体上表现为应力的降低）。随着远离导洞的竖直方向上相继出现了应力增加区和应力递减区，这表明了围岩应力向岩体深部进行了转移，这在水平方向上也有所体现，但相比竖直方向并不明显。

图2 工况一应力结果

图3 工况二应力结果

图4 工况三应力结果

图5 工况四应力结果图

图6 拱顶沉降曲线图

图7 不同工况拱侧收敛图

从拱顶沉降、拱侧收敛以及初支应力情况来看，平行导洞与正洞的距离越小，其卸荷效果对正洞开挖的保护作用越明显。但是从数值分析的云图中可以看到，虽然两者越近卸压效果越好，但当平行导洞与正洞距离d=10m时，中夹岩柱塑性区连通，几乎布满整个岩柱，表明中夹岩柱已基本上没有发挥任何作用，土体完全被破坏，也就说明导洞的开挖将会严重影响正洞开挖时的稳定性，导致其难以成洞；当净距d=20m时，中夹岩柱的塑性区已经明显减少，但存在的连通区域对隧道围岩稳定性还是存在一定的危险性；当净距d=30m时，可看出塑性破坏区域不再相交，说明导洞与正洞的隧道围岩较为稳定。如果把塑性区是否连通作为选择净距的原则，那么平行导洞与正洞之间的距离必须大于20m，才能保持平行导洞与正洞之间岩柱不被破坏，不会引起隧道正洞开挖时不稳定。

4 正、导洞间距合理性分析

数值模拟计算得到正洞变形及受力数据如表5所示。

基于表5，在不考虑岩柱塑性区的连通情况下，平行导洞与正洞的距离越近，其综合权重越大，说明此时的经济和受力性越好；在考虑了岩柱塑性区连通情况下，平行导洞与正洞的距离大于30m且小于40m的距离为最优距离。

图8 不同工况最大剪力图

图9 不同工况最大应力图

表5 数值模拟计算结果表

5 结束语

文章基于FLAC3D 6.0，建立了大坪山平行导洞与正洞开挖的数值计算模型，分析了平行导洞开挖对正洞的影响。研究表明，平行导洞与正洞距离越近，平行导洞的卸荷效应越明显，正洞拱顶沉降、拱侧收敛以及初支受力都大幅度减小。在考虑岩柱塑性区连通情况下，平行导洞与正洞的距离大于30m且小于40m的距离为最优距离。