小凈距隧道圍巖壓力拱效應的多維度解析與實踐探究一、引言1.1研究背景與意義隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模日益擴大。在公路、鐵路、城市軌道交通等工程中，隧道作為重要的組成部分，其建設(shè)數(shù)量和復雜程度不斷增加。小凈距隧道作為一種特殊的隧道形式，因在地形受限區(qū)域能有效利用空間、節(jié)約建設(shè)成本，同時滿足線路展線要求，在各類交通工程中得到了廣泛應用。例如在城市軌道交通建設(shè)中，由于城市空間有限，小凈距隧道能夠在不占用過多地面空間的情況下，實現(xiàn)線路的合理布局，提高城市交通的便利性；在山區(qū)公路建設(shè)中，小凈距隧道可以適應復雜的地形條件，減少對山體的大規(guī)模開挖，降低工程對環(huán)境的影響。在小凈距隧道的設(shè)計與施工過程中，圍巖壓力拱效應是一個至關(guān)重要的因素。圍巖壓力拱是指在隧道開挖后，圍巖內(nèi)部形成的一種能夠承受部分圍巖壓力的拱形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展對隧道的穩(wěn)定性有著深遠影響。一方面，合理的圍巖壓力拱能夠有效地分擔圍巖壓力，減小作用在隧道支護結(jié)構(gòu)上的荷載，從而保障隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。例如，當圍巖壓力拱能夠充分發(fā)揮作用時，隧道支護結(jié)構(gòu)所承受的壓力可降低30%-50%，大大提高了隧道的承載能力。另一方面，若圍巖壓力拱效應未能得到充分考慮或出現(xiàn)異常，可能導致隧道支護結(jié)構(gòu)受力不均，引發(fā)支護結(jié)構(gòu)的變形、開裂甚至坍塌等嚴重事故。在一些實際工程中，由于對圍巖壓力拱效應認識不足，施工過程中出現(xiàn)了隧道頂部坍塌、邊墻開裂等問題，不僅延誤了工期，還增加了工程成本，甚至對人員安全構(gòu)成威脅。從理論發(fā)展的角度來看，深入研究小凈距隧道圍巖壓力拱效應有助于完善隧道力學理論體系。目前，雖然在隧道力學領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究成果，但對于小凈距隧道這種特殊結(jié)構(gòu)，其圍巖壓力拱的形成機制、演化規(guī)律以及與支護結(jié)構(gòu)的相互作用等方面仍存在許多尚未明確的問題。通過本研究，可以進一步揭示這些內(nèi)在規(guī)律，為隧道力學理論的發(fā)展提供新的思路和依據(jù)，填補該領(lǐng)域在某些方面的理論空白。在工程實踐方面，準確把握圍巖壓力拱效應能夠為小凈距隧道的設(shè)計與施工提供科學指導。在設(shè)計階段，可以根據(jù)圍巖壓力拱的特性，合理確定隧道的支護參數(shù)，如支護結(jié)構(gòu)的類型、強度和剛度等，從而提高設(shè)計的合理性和經(jīng)濟性。在施工過程中，依據(jù)對圍巖壓力拱效應的認識，可以制定更加科學的施工方案，選擇合適的施工方法和施工順序，有效控制圍巖變形，確保施工安全。此外，對圍巖壓力拱效應的研究還有助于優(yōu)化隧道的運營維護策略，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患，保障隧道的長期穩(wěn)定運行。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，對于小凈距隧道圍巖壓力拱效應的研究開展較早。20世紀60年代，一些學者開始關(guān)注隧道開挖后圍巖的力學行為，初步提出了圍巖壓力拱的概念。隨著巖石力學理論的不斷發(fā)展，到了80年代，有限元、邊界元等數(shù)值分析方法被廣泛應用于隧道工程領(lǐng)域，為深入研究小凈距隧道圍巖壓力拱效應提供了有力工具。例如，學者們通過數(shù)值模擬，研究了不同隧道間距、圍巖性質(zhì)和施工方法對圍巖壓力拱形成和發(fā)展的影響，發(fā)現(xiàn)隧道間距越小，圍巖壓力拱的相互作用越明顯，對隧道穩(wěn)定性的影響也越大。進入21世紀，隨著工程實踐的增多，國外對小凈距隧道圍巖壓力拱效應的研究更加深入和全面。一些學者通過現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗，對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證和補充，進一步揭示了圍巖壓力拱的演化規(guī)律。例如，在某山區(qū)公路小凈距隧道工程中，通過在隧道周邊布置壓力傳感器和位移監(jiān)測點，實時監(jiān)測圍巖壓力和變形情況，發(fā)現(xiàn)圍巖壓力拱在隧道開挖后的初期迅速形成，并隨著時間的推移逐漸穩(wěn)定，但在施工擾動或地質(zhì)條件變化時，仍可能發(fā)生調(diào)整和破壞。在國內(nèi)，小凈距隧道的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。20世紀90年代，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開展，小凈距隧道在工程中逐漸得到應用，相關(guān)研究也隨之展開。早期的研究主要集中在小凈距隧道的設(shè)計方法和施工技術(shù)方面，對圍巖壓力拱效應的研究相對較少。近年來，隨著對隧道工程安全性和穩(wěn)定性要求的提高，國內(nèi)學者對小凈距隧道圍巖壓力拱效應的研究日益重視。一方面，通過理論分析，建立了多種圍巖壓力拱的計算模型，如基于極限平衡理論的模型、考慮圍巖非線性特性的模型等，為準確計算圍巖壓力拱提供了理論依據(jù)。例如，有學者基于普氏理論，考慮中夾巖柱的實際支承力，對深埋小凈距隧道的圍巖壓力計算公式進行推導，得出了適用于該類隧道的圍巖壓力計算方法。另一方面，結(jié)合工程實例，運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段，對小凈距隧道圍巖壓力拱效應進行了深入研究。例如，在某城市地鐵小凈距隧道工程中，通過數(shù)值模擬分析了不同施工順序和支護參數(shù)對圍巖壓力拱的影響，結(jié)果表明，合理的施工順序和支護參數(shù)可以有效優(yōu)化圍巖壓力拱的形態(tài)，提高隧道的穩(wěn)定性；同時，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，為工程的順利施工提供了保障。盡管國內(nèi)外在小凈距隧道圍巖壓力拱效應研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，現(xiàn)有的圍巖壓力拱計算模型大多基于一定的假設(shè)條件，對于復雜地質(zhì)條件和施工過程的適應性有待提高。例如，在實際工程中，圍巖往往具有非均勻性、各向異性和流變特性等復雜力學性質(zhì)，而目前的計算模型難以全面考慮這些因素，導致計算結(jié)果與實際情況存在一定偏差。在數(shù)值模擬方面，雖然數(shù)值分析方法能夠較好地模擬隧道開挖過程中圍巖的力學行為，但模型的參數(shù)選取和邊界條件的設(shè)定仍存在一定的主觀性，不同的參數(shù)和邊界條件可能導致模擬結(jié)果的差異較大，影響了模擬結(jié)果的可靠性和準確性。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，由于監(jiān)測技術(shù)和手段的限制，目前對圍巖壓力拱的監(jiān)測主要集中在隧道周邊的有限區(qū)域，難以全面掌握圍巖壓力拱在整個隧道范圍內(nèi)的分布和演化情況；同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理方法也有待進一步完善，以更好地揭示圍巖壓力拱效應與隧道穩(wěn)定性之間的內(nèi)在聯(lián)系。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于小凈距隧道圍巖壓力拱效應，主要涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：圍巖壓力拱效應的原理與形成機制：深入剖析小凈距隧道開挖過程中，圍巖內(nèi)部應力重分布的過程，以及這種重分布如何促使圍巖壓力拱的形成。探究圍巖的力學性質(zhì)、初始地應力狀態(tài)、隧道的幾何形狀和尺寸等因素對壓力拱形成的影響，從理論層面揭示圍巖壓力拱效應的本質(zhì)。例如，通過建立力學模型，分析不同圍巖力學參數(shù)下壓力拱的形成時間和形態(tài)變化，明確各因素在壓力拱形成過程中的作用機制。圍巖壓力拱的分布規(guī)律：運用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等多種手段，全面研究小凈距隧道圍巖壓力拱在空間上的分布特征。包括壓力拱的高度、跨度、形狀以及在隧道周邊不同位置的壓力分布情況，分析不同施工階段圍巖壓力拱分布規(guī)律的動態(tài)變化，為隧道支護設(shè)計和施工安全提供依據(jù)。例如，在數(shù)值模擬中，設(shè)置不同的施工步序，觀察壓力拱分布的實時變化，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證模擬結(jié)果的準確性，總結(jié)出具有普遍性的分布規(guī)律。影響圍巖壓力拱效應的因素：系統(tǒng)分析地質(zhì)條件（如圍巖的巖性、完整性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等）、施工方法（如鉆爆法、盾構(gòu)法、新奧法等）、隧道間距、埋深等因素對圍巖壓力拱效應的影響程度和作用方式。通過對比不同因素組合下的圍巖壓力拱效應，找出影響隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，為工程實踐提供針對性的控制措施。例如，在地質(zhì)條件復雜的區(qū)域，通過現(xiàn)場勘察和實驗室測試，獲取圍巖的詳細參數(shù)，分析其對壓力拱效應的影響，為施工方案的調(diào)整提供參考。圍巖壓力拱效應的計算方法：基于現(xiàn)有的隧道力學理論和研究成果，結(jié)合小凈距隧道的特點，對圍巖壓力拱的計算方法進行研究和改進。建立更加符合實際工程情況的計算模型，考慮圍巖的非線性特性、中夾巖柱的作用以及施工過程的影響，提高計算結(jié)果的準確性和可靠性。例如，在傳統(tǒng)計算模型的基礎(chǔ)上，引入圍巖的流變特性參數(shù)，建立考慮時間因素的計算模型，使計算結(jié)果更能反映實際的圍巖壓力拱效應?；趪鷰r壓力拱效應的工程應用：將研究成果應用于實際的小凈距隧道工程，根據(jù)圍巖壓力拱效應的分析結(jié)果，優(yōu)化隧道的支護設(shè)計和施工方案。合理確定支護結(jié)構(gòu)的類型、參數(shù)和施工時機，提出有效的施工控制措施，確保隧道施工過程中的穩(wěn)定性和安全性，并對工程應用效果進行評估和反饋，進一步完善研究成果。例如，在某實際工程中，根據(jù)圍巖壓力拱的計算結(jié)果，調(diào)整支護結(jié)構(gòu)的強度和剛度，通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證調(diào)整后的方案對隧道穩(wěn)定性的提升效果。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運用多種研究方法，相互驗證和補充，以確保研究結(jié)果的科學性和可靠性。理論分析：運用巖石力學、彈塑性力學、結(jié)構(gòu)力學等相關(guān)理論，對小凈距隧道圍巖壓力拱效應進行深入的理論推導和分析。建立力學模型，求解圍巖的應力、應變和位移，分析壓力拱的形成條件和力學特性，為數(shù)值模擬和工程應用提供理論基礎(chǔ)。例如，基于彈塑性力學理論，推導小凈距隧道圍巖在開挖過程中的應力應變計算公式，分析圍巖進入塑性狀態(tài)后壓力拱的形成機制。數(shù)值模擬：利用有限元、有限差分等數(shù)值分析軟件，如ANSYS、FLAC3D等，建立小凈距隧道的數(shù)值模型，模擬隧道開挖過程中圍巖的力學行為和壓力拱的演化過程。通過改變模型參數(shù)，研究不同因素對圍巖壓力拱效應的影響，對理論分析結(jié)果進行驗證和補充，為工程設(shè)計提供量化依據(jù)。例如，在FLAC3D中建立三維小凈距隧道模型，模擬不同施工順序下圍巖壓力和位移的變化，直觀展示壓力拱的形成和發(fā)展過程。工程案例分析：選取具有代表性的小凈距隧道工程案例，收集工程的地質(zhì)勘察資料、施工監(jiān)測數(shù)據(jù)和運營維護記錄等。對實際工程中的圍巖壓力拱效應進行現(xiàn)場監(jiān)測和分析，驗證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，總結(jié)工程實踐中的經(jīng)驗和教訓，為類似工程提供參考。例如，在某已建小凈距隧道工程中，布置現(xiàn)場監(jiān)測點，實時監(jiān)測圍巖壓力和變形，對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，分析差異原因，提出改進措施。二、小凈距隧道圍巖壓力拱效應基本理論2.1小凈距隧道概述小凈距隧道是指隧道間的中間巖柱厚度較小，兩洞結(jié)構(gòu)彼此產(chǎn)生有害影響的隧道，是介于普通分離式雙洞隧道和連拱隧道之間的一種特殊結(jié)構(gòu)形式。其雙洞的中夾巖柱寬度一般小于1.5倍隧道開挖斷面的寬度，中夾巖柱厚度通常在4-8m之間，但具體數(shù)值會因圍巖級別、隧道斷面尺寸等因素而有所不同。在圍巖條件較差的情況下，為保證隧道的穩(wěn)定性，中夾巖柱厚度可能需要適當增大；而在圍巖條件較好時，中夾巖柱厚度可相對減小。與普通分離式隧道相比，小凈距隧道的中夾巖柱厚度明顯更小，這使得兩洞之間的相互影響更為顯著。在普通分離式隧道中，由于兩洞凈距較大，施工過程中相互干擾較小，每個隧道的施工對另一個隧道的圍巖穩(wěn)定性影響有限。而小凈距隧道由于中夾巖柱較薄，先行洞施工引起的圍巖應力重分布會對后行洞的圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，后行洞施工時也更容易對先行洞已形成的支護結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定造成干擾。在某山區(qū)公路小凈距隧道工程中，先行洞施工后，中夾巖柱內(nèi)的應力發(fā)生了明顯變化，后行洞施工時，中夾巖柱出現(xiàn)了局部的塑性變形，導致先行洞的襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了輕微裂縫。與連拱隧道相比，小凈距隧道在造價和施工工藝上具有一定優(yōu)勢。連拱隧道通常需要設(shè)置較厚的中隔墻，施工工序復雜，造價較高，且對地質(zhì)條件要求較為苛刻，在Ⅳ級以下圍巖中修建難度較大。而小凈距隧道造價和施工工藝同普通分離式雙洞隧道基本相似，相對連拱隧道造價更低，施工工藝也更為簡單。但連拱隧道在空間利用上更為緊湊，對于一些地形狹窄且對線路平面要求較高的區(qū)域具有獨特的優(yōu)勢。在某城市軌道交通項目中，由于線路經(jīng)過的區(qū)域地面建筑物密集，空間狹窄，連拱隧道能夠更好地適應地形條件，減少對周邊環(huán)境的影響；而在山區(qū)公路建設(shè)中，小凈距隧道因其造價和施工工藝的優(yōu)勢，在滿足線路要求的前提下，得到了更廣泛的應用。小凈距隧道在不同工程場景中都有應用。在山區(qū)公路建設(shè)中，當遇到地形狹窄、山體陡峭等情況時，小凈距隧道可以減少對山體的大規(guī)模開挖，降低工程難度和成本，同時滿足線路展線要求。在某山區(qū)高速公路項目中，由于沿線地形復雜，采用小凈距隧道方案，不僅避免了高邊坡的開挖，減少了對山體植被的破壞，而且通過合理的設(shè)計和施工，保證了隧道的穩(wěn)定性和行車安全。在城市軌道交通建設(shè)中，由于城市空間有限，建筑物密集，小凈距隧道能夠在不占用過多地面空間的情況下，實現(xiàn)線路的合理布局，減少對城市交通和周邊環(huán)境的影響。在某城市地鐵線路中，部分區(qū)間采用小凈距隧道形式，成功穿越了繁華的商業(yè)區(qū)和居民區(qū)，有效解決了線路敷設(shè)難題，提高了城市交通的便利性。2.2圍巖壓力拱效應原理2.2.1壓力拱的形成機制在小凈距隧道開挖前，圍巖處于原始應力平衡狀態(tài)，各點應力均勻分布，巖體內(nèi)部相互制約，保持穩(wěn)定。以某深埋小凈距隧道為例，初始地應力場主要由上覆巖體自重應力和構(gòu)造應力組成，在未開挖時，圍巖中的應力分布符合彈性力學的基本規(guī)律。當隧道開挖后，打破了圍巖原有的應力平衡狀態(tài)。開挖空間的出現(xiàn)使周邊圍巖失去了原有的支撐，應力開始重新分布。在隧道周邊，圍巖應力迅速增大，超過巖體的彈性極限，進入塑性變形階段。隨著塑性變形的發(fā)展，圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸調(diào)整，顆粒之間發(fā)生錯動、滑移，部分能量被消耗。在這個過程中，圍巖的強度逐漸降低，變形不斷增大。隨著時間的推移，圍巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定，在隧道周邊一定范圍內(nèi)形成了一個能夠承受部分圍巖壓力的拱形結(jié)構(gòu)，即壓力拱。壓力拱的形成是圍巖自身的一種自穩(wěn)機制，它通過將圍巖壓力傳遞到周圍穩(wěn)定的巖體中，有效地減小了作用在隧道支護結(jié)構(gòu)上的荷載，從而保證了隧道的穩(wěn)定性。壓力拱的形成過程可以分為三個階段：彈性變形階段、塑性變形階段和穩(wěn)定階段。在彈性變形階段，圍巖應力重分布主要遵循彈性力學原理，應力變化較為均勻；進入塑性變形階段后，圍巖開始出現(xiàn)塑性屈服，應力集中現(xiàn)象加劇，變形速率加快；在穩(wěn)定階段，壓力拱基本形成，圍巖變形趨于穩(wěn)定，應力分布也逐漸穩(wěn)定下來。壓力拱的形成與圍巖的力學性質(zhì)密切相關(guān)。對于堅硬完整的圍巖，其強度高、變形小，壓力拱能夠較快形成且較為穩(wěn)定；而對于軟弱破碎的圍巖，由于其強度低、變形大，壓力拱的形成過程較為復雜，且穩(wěn)定性較差。在某軟弱圍巖小凈距隧道工程中，由于圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，壓力拱的形成時間較長，且在施工過程中容易受到擾動而發(fā)生破壞，需要采取加強支護措施來保證隧道的穩(wěn)定。初始地應力狀態(tài)也對壓力拱的形成有重要影響。水平地應力與垂直地應力的比值不同，會導致壓力拱的形狀和位置發(fā)生變化。當水平地應力較大時，壓力拱可能會向水平方向擴展，形狀趨于扁平；而當垂直地應力較大時，壓力拱則更傾向于在垂直方向發(fā)展，形狀較為高聳。在某山區(qū)小凈距隧道工程中，由于該地區(qū)構(gòu)造應力作用明顯，水平地應力較大，實測壓力拱的形狀呈現(xiàn)出明顯的扁平狀，與理論分析結(jié)果相符。隧道的幾何形狀和尺寸也會影響壓力拱的形成。隧道的跨度越大，周邊圍巖所承受的壓力越大，壓力拱的高度和跨度也相應增大；隧道的高度增加，會使壓力拱在垂直方向上的范圍擴大。在某大跨度小凈距隧道工程中，由于隧道跨度較大，施工過程中壓力拱的形成難度增加，對支護結(jié)構(gòu)的要求也更高，需要采用更加強勁的支護形式來保證隧道的穩(wěn)定。2.2.2相關(guān)理論基礎(chǔ)在圍巖壓力拱效應研究中，普氏理論和太沙基理論是兩個重要的理論基礎(chǔ)，它們從不同角度對圍巖壓力拱的形成和計算進行了闡述。普氏理論由俄羅斯學者普羅托季亞科諾夫提出，該理論基于自然平衡拱的概念，認為隧道開挖后，圍巖會形成一個拱形的坍塌體，這個拱形坍塌體的高度和跨度與圍巖的性質(zhì)和隧道的尺寸有關(guān)。普氏理論的基本假設(shè)包括：圍巖是松散的、各向同性的介質(zhì)；隧道開挖后，圍巖的坍塌是由于重力作用引起的；坍塌體的形狀為拋物線形?；谶@些假設(shè)，普氏理論給出了圍巖壓力的計算公式：q=\frac{\gammah}{f}其中，q為圍巖垂直均布壓力，\gamma為圍巖容重，h為自然平衡拱高度，f為普氏系數(shù)，反映圍巖的堅固程度。在小凈距隧道中，普氏理論具有一定的適用性，但也存在一些局限性。由于普氏理論假設(shè)圍巖為松散介質(zhì)，對于堅硬完整的圍巖，計算結(jié)果可能會偏大；而對于軟弱破碎的圍巖，計算結(jié)果又可能偏小。普氏理論沒有考慮隧道開挖過程中的施工擾動和圍巖的變形特性，在實際應用中需要結(jié)合工程實際情況進行修正。在某小凈距隧道工程中，采用普氏理論計算圍巖壓力時，發(fā)現(xiàn)對于堅硬圍巖段，計算壓力比實際監(jiān)測值大20%-30%；而對于軟弱圍巖段，計算壓力比實際監(jiān)測值小10%-20%。太沙基理論由美籍匈牙利學者太沙基提出，該理論從土體力學的角度出發(fā)，考慮了土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力等因素對圍巖壓力的影響。太沙基理論的基本假設(shè)包括：圍巖是連續(xù)的、均勻的土體；隧道開挖后，圍巖的變形是由于土體的剪切破壞引起的；土體的抗剪強度符合摩爾-庫侖準則?；谶@些假設(shè)，太沙基理論給出了深埋隧道圍巖垂直壓力的計算公式：q=\gammaH\left(1-e^{-\frac{2\lambdaH\tan\varphi}{B}}\right)其中，q為圍巖垂直壓力，\gamma為圍巖容重，H為隧道埋深，\lambda為側(cè)壓力系數(shù)，\varphi為圍巖內(nèi)摩擦角，B為隧道寬度。在小凈距隧道中，太沙基理論同樣有其適用性和局限性。太沙基理論主要適用于土體或軟巖隧道，對于堅硬巖石隧道，由于其假設(shè)與實際情況差異較大，計算結(jié)果可能不準確。太沙基理論沒有考慮隧道之間的相互影響，在小凈距隧道中應用時，需要對中夾巖柱的作用進行特殊考慮。在某軟巖小凈距隧道工程中，運用太沙基理論計算圍巖壓力，結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)在趨勢上基本一致，但在數(shù)值上存在一定偏差，通過考慮中夾巖柱的承載作用對計算結(jié)果進行修正后，偏差明顯減小。三、小凈距隧道圍巖壓力拱效應的分布規(guī)律3.1豎向壓力分布在小凈距隧道中，豎向圍巖壓力沿隧道軸線和橫斷面的分布呈現(xiàn)出復雜而有規(guī)律的變化特征，深入研究這些規(guī)律對于隧道的設(shè)計與施工具有重要意義。從理論推導的角度來看，基于普氏理論，對于深埋小凈距隧道，其豎向圍巖壓力可通過自然平衡拱高度來計算。假設(shè)隧道開挖后形成的自然平衡拱高度為h，圍巖容重為\gamma，普氏系數(shù)為f，則豎向圍巖壓力q=\frac{\gammah}{f}。在實際的小凈距隧道中，由于兩洞之間的相互影響，中夾巖柱的存在使得圍巖壓力的分布更為復雜。中夾巖柱承擔了一部分豎向荷載，使得靠近中夾巖柱的區(qū)域豎向壓力相對較小，而遠離中夾巖柱的區(qū)域豎向壓力相對較大。通過數(shù)值模擬可以更直觀地觀察豎向壓力的分布規(guī)律。利用有限元軟件ANSYS建立小凈距隧道模型，模擬不同埋深和凈距條件下的隧道開挖過程。當埋深較淺時，如在某淺埋小凈距隧道模型中，埋深為20m，隧道凈距為5m，模擬結(jié)果顯示，隧道拱頂?shù)呢Q向壓力相對較小，而邊墻和底部的豎向壓力較大。這是因為淺埋隧道受上覆巖體自重影響較大，邊墻和底部需要承受更大的荷載。隨著埋深的增加，如將埋深增加到50m，在相同凈距條件下，拱頂?shù)呢Q向壓力逐漸增大，且在整個橫斷面上的分布更為均勻。這是由于深埋隧道中，圍巖的自承能力逐漸發(fā)揮作用，壓力拱的范圍擴大，使得豎向壓力在橫斷面上的分布更加均勻。凈距對豎向壓力的影響也十分顯著。當凈距較小時，如凈距為3m，兩隧道之間的相互作用強烈，中夾巖柱的應力集中明顯，導致中夾巖柱附近的豎向壓力急劇增大。在某小凈距隧道工程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測也發(fā)現(xiàn)，當凈距較小時，中夾巖柱出現(xiàn)了明顯的變形和開裂，這與數(shù)值模擬結(jié)果相符。隨著凈距的增大，如凈距增大到10m，兩隧道之間的相互影響逐漸減弱，豎向壓力的分布逐漸趨于單洞隧道的情況，中夾巖柱附近的豎向壓力逐漸減小，趨于正常水平。在隧道軸線上，豎向壓力也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在隧道洞口段，由于地形和施工的影響，豎向壓力一般較小，且分布不均勻。隨著向隧道內(nèi)部延伸，豎向壓力逐漸增大并趨于穩(wěn)定。在某山區(qū)小凈距隧道工程中，對隧道軸線不同位置的豎向壓力進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)洞口段的豎向壓力比洞身中部小20%-30%，且波動較大；而洞身中部的豎向壓力相對穩(wěn)定，變化較小。在施工過程中，隨著開挖面的推進，豎向壓力也會發(fā)生動態(tài)變化。在先行洞開挖后，圍巖應力重分布，形成初始的壓力拱，此時豎向壓力分布呈現(xiàn)出一定的特征。當后行洞開挖時，會對先行洞的壓力拱產(chǎn)生擾動，導致豎向壓力重新分布。在某小凈距隧道施工過程中，通過實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，后行洞開挖時，先行洞靠近后行洞一側(cè)的豎向壓力明顯增大，最大增幅可達50%，這表明后行洞開挖對先行洞的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響，需要采取相應的支護措施來保證隧道的安全。3.2水平壓力分布小凈距隧道水平圍巖壓力的分布特征與豎向壓力密切相關(guān)，且受多種因素影響，其分布規(guī)律的研究對于全面認識隧道圍巖的力學行為具有重要意義。在小凈距隧道中，水平圍巖壓力沿隧道周邊呈現(xiàn)出不均勻分布的特點。在隧道的拱肩和邊墻部位，水平壓力相對較大，而在拱頂和拱底部位，水平壓力相對較小。這是因為拱肩和邊墻是隧道結(jié)構(gòu)中承受水平荷載的主要部位，在隧道開挖后，圍巖的應力重分布使得水平方向的應力在這些部位集中。以某小凈距隧道工程為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在隧道邊墻中部，水平壓力達到了豎向壓力的0.6-0.8倍，而在拱頂部位，水平壓力僅為豎向壓力的0.2-0.3倍。水平壓力與豎向壓力之間存在著一定的比例關(guān)系，通常用側(cè)壓力系數(shù)\lambda來表示，即\lambda=\frac{\sigma_{h}}{\sigma_{v}}，其中\(zhòng)sigma_{h}為水平圍巖壓力，\sigma_{v}為豎向圍巖壓力。側(cè)壓力系數(shù)的大小受到多種因素的影響，包括圍巖的性質(zhì)、初始地應力狀態(tài)、隧道的埋深和凈距等。在軟巖隧道中，由于圍巖的強度較低，變形較大，側(cè)壓力系數(shù)相對較大，一般在0.5-1.0之間；而在硬巖隧道中，圍巖強度高，變形小，側(cè)壓力系數(shù)相對較小，通常在0.3-0.6之間。隧道凈距對水平壓力的影響較為顯著。當隧道凈距較小時，兩隧道之間的相互作用強烈，中夾巖柱的應力狀態(tài)復雜，水平壓力明顯增大。在某小凈距隧道數(shù)值模擬中，當凈距從8m減小到4m時，中夾巖柱兩側(cè)的水平壓力增大了30%-50%，且水平壓力的分布更加不均勻，中夾巖柱靠近隧道一側(cè)的壓力遠大于另一側(cè)。隨著凈距的增大，兩隧道之間的相互影響逐漸減弱，水平壓力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。圍巖性質(zhì)對水平壓力的影響也不容忽視。對于節(jié)理裂隙發(fā)育的圍巖，由于巖體的完整性較差，在隧道開挖過程中，巖體更容易發(fā)生變形和破壞，導致水平壓力增大。在某節(jié)理發(fā)育的小凈距隧道工程中，由于圍巖的節(jié)理走向與隧道軸線夾角較小，在隧道開挖后，節(jié)理面發(fā)生了滑移和張開，使得水平壓力急劇增加，對隧道支護結(jié)構(gòu)造成了較大的壓力。而對于完整的巖體，水平壓力相對較小，分布也更為均勻。在施工過程中，水平壓力同樣會隨著施工順序和施工方法的不同而發(fā)生變化。先行洞開挖后，會引起圍巖應力的重分布，改變原有的水平應力場。當后行洞開挖時，會進一步擾動先行洞周邊的圍巖，導致水平壓力重新分布。在采用臺階法施工的小凈距隧道中，上臺階開挖后，拱肩部位的水平壓力會迅速增大，隨著下臺階的開挖，邊墻部位的水平壓力也會逐漸增大。因此，在施工過程中，合理選擇施工順序和施工方法，對于控制水平壓力的變化，保證隧道的穩(wěn)定性至關(guān)重要。3.3壓力拱形態(tài)特征小凈距隧道圍巖壓力拱呈現(xiàn)出獨特的形態(tài)特征，其形狀通常近似為拱形，但并非標準的幾何拱形，而是在隧道周邊一定范圍內(nèi)，由圍巖的應力分布和變形特性所決定的復雜曲線形狀。在隧道的拱頂部位，壓力拱相對較為平緩，這是因為拱頂上方的圍巖在重力作用下，主要承受豎向壓力，且由于兩側(cè)圍巖的約束作用，使得拱頂部位的壓力拱形態(tài)較為穩(wěn)定。在某小凈距隧道的數(shù)值模擬中，拱頂部位的壓力拱曲線斜率較小，其矢跨比約為0.2-0.3。而在隧道的邊墻和拱肩部位，壓力拱的曲率相對較大，這是由于這些部位不僅承受豎向壓力，還受到水平方向的圍巖壓力作用，導致壓力拱形態(tài)發(fā)生明顯變化。在實際工程監(jiān)測中，邊墻和拱肩部位的壓力拱曲線曲率明顯大于拱頂，使得壓力拱在這些部位呈現(xiàn)出較為陡峭的形狀。不同工況下，小凈距隧道圍巖壓力拱的形態(tài)會發(fā)生顯著變化。在淺埋工況下，由于上覆巖體厚度較小，隧道開挖后，圍巖壓力拱的高度相對較小，跨度較大，形狀較為扁平。在某淺埋小凈距隧道工程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，淺埋段壓力拱高度僅為隧道高度的1.0-1.2倍，而跨度則達到隧道跨度的1.5-2.0倍。這是因為淺埋隧道受到的上覆巖體自重壓力相對較小，圍巖的自穩(wěn)能力較弱，壓力拱難以向上充分發(fā)展，只能在水平方向上擴展以維持穩(wěn)定。隨著埋深的增加，圍巖壓力拱的高度逐漸增大，跨度相對減小，形狀趨于高聳。當埋深達到一定程度時，壓力拱高度可達到隧道高度的1.5-2.0倍，跨度則縮小至隧道跨度的1.2-1.5倍。這是由于深埋隧道圍巖的初始應力較大，在隧道開挖后，圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮，壓力拱能夠向上發(fā)展，形成較為高聳的形狀。隧道凈距對壓力拱形態(tài)也有重要影響。當隧道凈距較小時，兩隧道之間的相互作用強烈，中夾巖柱的應力集中明顯，導致壓力拱在中夾巖柱附近發(fā)生明顯變形。在某小凈距隧道工程中，當凈距為3m時，通過數(shù)值模擬觀察到，中夾巖柱兩側(cè)的壓力拱出現(xiàn)了明顯的扭曲和變形，壓力拱的軸線向中夾巖柱方向偏移，且中夾巖柱附近的壓力拱厚度明顯減小。這是因為凈距較小時，兩隧道的壓力拱相互重疊，中夾巖柱承受了較大的壓力，使得壓力拱的形態(tài)發(fā)生改變。隨著凈距的增大，兩隧道之間的相互影響逐漸減弱，壓力拱形態(tài)逐漸趨于單洞隧道的情況。當凈距增大到10m時，中夾巖柱附近的壓力拱變形明顯減小，壓力拱的形態(tài)基本恢復正常，與單洞隧道的壓力拱形態(tài)相似。圍巖性質(zhì)對壓力拱形態(tài)的影響也不容忽視。對于堅硬完整的圍巖，壓力拱形態(tài)較為規(guī)則，邊界清晰，能夠較好地承受圍巖壓力。在某硬巖小凈距隧道中，通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察和數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)硬巖段的壓力拱形狀近似為標準的拋物線形，壓力拱的邊界清晰可辨，圍巖的變形較小，壓力拱能夠有效地將圍巖壓力傳遞到周圍穩(wěn)定的巖體中。而對于軟弱破碎的圍巖，壓力拱形態(tài)則較為復雜，邊界模糊，穩(wěn)定性較差。在某軟弱圍巖小凈距隧道工程中，由于圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，壓力拱的形狀不規(guī)則，邊界模糊，在施工過程中容易受到擾動而發(fā)生破壞。這是因為軟弱破碎圍巖的強度較低，變形較大，在隧道開挖后，圍巖難以形成穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)，導致壓力拱形態(tài)不穩(wěn)定。壓力拱形態(tài)與圍巖壓力分布之間存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系。壓力拱的形狀決定了圍巖壓力的分布規(guī)律，壓力拱較高的部位，圍巖壓力相對較小；而壓力拱較低的部位，圍巖壓力相對較大。在隧道拱頂，由于壓力拱較高，圍巖壓力相對較??；而在邊墻和拱肩部位，壓力拱較低，圍巖壓力相對較大。這是因為壓力拱較高的部位，圍巖的自承能力得到較好發(fā)揮，能夠分擔較多的圍巖壓力，使得作用在隧道支護結(jié)構(gòu)上的壓力減??；而壓力拱較低的部位，圍巖的自承能力相對較弱，圍巖壓力主要由隧道支護結(jié)構(gòu)承擔，導致該部位的圍巖壓力較大。圍巖壓力的分布也會反作用于壓力拱形態(tài)，當圍巖壓力分布發(fā)生變化時，壓力拱形態(tài)也會相應調(diào)整。在施工過程中，隨著開挖面的推進，圍巖壓力重新分布，壓力拱形態(tài)也會隨之發(fā)生改變。若某部位的圍巖壓力突然增大，壓力拱會在該部位發(fā)生變形，以適應新的壓力分布狀態(tài)，從而保證隧道的穩(wěn)定性。四、影響小凈距隧道圍巖壓力拱效應的因素4.1地質(zhì)條件4.1.1圍巖性質(zhì)圍巖的物理力學性質(zhì)對小凈距隧道圍巖壓力拱效應有著至關(guān)重要的影響，其中強度、彈性模量、泊松比等參數(shù)在壓力拱的形成與發(fā)展過程中扮演著關(guān)鍵角色。圍巖強度是決定其承載能力的重要指標。當圍巖強度較高時，如堅硬的花崗巖、石英巖等，巖體內(nèi)部顆粒間的聯(lián)結(jié)力強，在隧道開挖過程中，能夠承受較大的荷載而不易發(fā)生破壞。在某花崗巖小凈距隧道工程中，圍巖單軸抗壓強度達到100MPa以上，開挖后圍巖壓力拱能夠迅速形成，且形狀較為規(guī)則，穩(wěn)定性良好。這是因為高強度的圍巖能夠在隧道周邊形成有效的承載結(jié)構(gòu)，將圍巖壓力傳遞到周圍穩(wěn)定的巖體中，從而減小作用在隧道支護結(jié)構(gòu)上的荷載。相反，對于強度較低的圍巖，如軟弱的頁巖、泥巖等，其顆粒間聯(lián)結(jié)力較弱，在隧道開挖后，容易產(chǎn)生較大的變形和破壞，導致壓力拱的形成受到阻礙。在某泥巖小凈距隧道工程中，圍巖單軸抗壓強度僅為10MPa左右，開挖后圍巖出現(xiàn)了明顯的坍塌現(xiàn)象，壓力拱難以正常形成，支護結(jié)構(gòu)承受了巨大的壓力，需要采取加強支護措施來保證隧道的穩(wěn)定。彈性模量反映了圍巖在受力時的變形特性。彈性模量較大的圍巖，在受到相同荷載作用時，變形較小，能夠更好地保持自身的穩(wěn)定性。在某砂巖小凈距隧道中，圍巖彈性模量為30GPa，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在隧道開挖過程中，圍巖的變形量較小，壓力拱的形態(tài)較為穩(wěn)定，其高度和跨度變化不大。這表明彈性模量較大的圍巖能夠有效地抵抗變形，使壓力拱能夠充分發(fā)揮其承載作用。而彈性模量較小的圍巖，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形，導致壓力拱的形態(tài)發(fā)生改變，甚至破壞。在某軟巖小凈距隧道中，圍巖彈性模量僅為5GPa，開挖后圍巖變形迅速增大，壓力拱出現(xiàn)了明顯的扭曲和變形，對隧道的穩(wěn)定性造成了嚴重威脅。泊松比則描述了圍巖在橫向變形與縱向變形之間的關(guān)系。泊松比越大，圍巖在受到縱向壓力時，橫向變形越大。在小凈距隧道中，泊松比的大小會影響圍巖壓力拱的形狀和應力分布。當泊松比較大時，隧道周邊圍巖在受到壓力時，橫向變形增大，使得壓力拱在水平方向上的跨度增大，形狀趨于扁平。在某小凈距隧道數(shù)值模擬中，將圍巖泊松比從0.25增大到0.35，發(fā)現(xiàn)壓力拱的水平跨度增加了10%-20%，拱頂?shù)膲毫τ兴鶞p小，而邊墻部位的壓力增大。這是因為泊松比的增大導致圍巖的橫向變形增加，改變了壓力拱的受力狀態(tài)，使得壓力在邊墻部位集中。相反，當泊松比較小時，壓力拱在垂直方向上的發(fā)展更為明顯，形狀較為高聳。通過大量的室內(nèi)實驗和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以進一步驗證圍巖性質(zhì)對壓力拱效應的影響。在室內(nèi)實驗中，選取不同性質(zhì)的巖石試件，模擬隧道開挖過程中的受力情況，測量試件的變形和破壞特征，分析壓力拱的形成過程。實驗結(jié)果表明，隨著巖石強度的降低、彈性模量的減小和泊松比的增大，壓力拱的形成難度增加，穩(wěn)定性降低。在現(xiàn)場監(jiān)測中，對不同圍巖性質(zhì)的小凈距隧道進行長期監(jiān)測，記錄圍巖壓力、變形等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)圍巖性質(zhì)的變化與壓力拱效應的變化具有明顯的相關(guān)性。在某軟弱圍巖小凈距隧道中，隨著圍巖含水率的增加，圍巖強度降低，彈性模量減小，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示壓力拱的高度逐漸減小，跨度增大，支護結(jié)構(gòu)的變形也隨之增大。4.1.2地質(zhì)構(gòu)造斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造是影響小凈距隧道圍巖壓力拱效應的重要地質(zhì)因素，它們對壓力拱的形成和發(fā)展以及隧道的穩(wěn)定性有著顯著的影響。斷層是巖體中的一種不連續(xù)面，其存在使得巖體的完整性遭到破壞，力學性質(zhì)發(fā)生改變。當小凈距隧道穿越斷層時，斷層破碎帶內(nèi)的巖體通常較為破碎，強度低，滲透性大。在隧道開挖過程中，斷層破碎帶內(nèi)的巖體容易發(fā)生坍塌和變形，導致壓力拱的形成受到嚴重影響。在某小凈距隧道工程中，隧道穿越一條正斷層，斷層破碎帶寬度達到5m，開挖過程中，斷層破碎帶內(nèi)的巖體大量坍塌，壓力拱無法正常形成，支護結(jié)構(gòu)承受了巨大的壓力，出現(xiàn)了嚴重的變形和開裂。這是因為斷層破碎帶內(nèi)的巖體無法有效地傳遞圍巖壓力，使得壓力集中在隧道周邊，破壞了壓力拱的形成條件。斷層還會導致圍巖應力分布的異常。由于斷層兩側(cè)巖體的力學性質(zhì)和初始應力狀態(tài)不同，在隧道開挖后，應力會在斷層附近重新分布，形成應力集中區(qū)。在某小凈距隧道穿越逆斷層的工程中，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在斷層上盤靠近隧道一側(cè)，出現(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象，應力值比正常圍巖區(qū)域高出30%-50%。這種應力集中會加劇圍巖的變形和破壞，進一步影響壓力拱的穩(wěn)定性。在實際工程中，為了應對斷層對隧道的影響，通常需要采取加強支護、超前預加固等措施，如在斷層破碎帶內(nèi)進行注漿加固，提高巖體的強度和穩(wěn)定性，以保證壓力拱的正常形成和隧道的安全。節(jié)理是巖體中廣泛存在的一種地質(zhì)構(gòu)造，它將巖體分割成大小不等的塊體。節(jié)理的發(fā)育程度、產(chǎn)狀和間距等因素都會對小凈距隧道圍巖壓力拱效應產(chǎn)生影響。節(jié)理發(fā)育程度越高，巖體的完整性越差，強度越低，在隧道開挖過程中，節(jié)理面容易發(fā)生滑移和張開，導致圍巖的變形和破壞加劇，壓力拱的形成和發(fā)展受到阻礙。在某節(jié)理發(fā)育的小凈距隧道工程中，通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，巖體中節(jié)理密度達到每平方米5-8條，開挖后，節(jié)理面大量滑移，圍巖出現(xiàn)了明顯的松動和坍塌，壓力拱的形狀不規(guī)則，穩(wěn)定性較差。節(jié)理的產(chǎn)狀也會影響圍巖壓力拱的形態(tài)和穩(wěn)定性。當節(jié)理的走向與隧道軸線夾角較小時，節(jié)理面在隧道開挖后容易成為巖體滑動的軟弱面，導致圍巖向隧道內(nèi)變形，壓力拱的形狀發(fā)生改變。在某小凈距隧道中，節(jié)理走向與隧道軸線夾角為30°，開挖后，節(jié)理面發(fā)生了明顯的滑移，壓力拱在節(jié)理面附近出現(xiàn)了扭曲和變形，隧道周邊的圍巖壓力分布不均勻，對支護結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生了不利影響。而當節(jié)理的走向與隧道軸線夾角較大時，節(jié)理對壓力拱的影響相對較小。節(jié)理的間距也會對圍巖壓力拱效應產(chǎn)生影響。節(jié)理間距越小，巖體被分割得越破碎，壓力拱的形成難度越大。在某小凈距隧道工程中，節(jié)理間距為0.5-1.0m，開挖后，圍巖的變形較大，壓力拱的形成時間較長，且在施工過程中容易受到擾動而發(fā)生破壞。而在節(jié)理間距較大的區(qū)域，如節(jié)理間距為3-5m，圍巖的完整性相對較好，壓力拱能夠較為順利地形成，穩(wěn)定性也較高。在實際工程中，地質(zhì)構(gòu)造往往是復雜多樣的，斷層和節(jié)理可能同時存在，相互影響，進一步增加了小凈距隧道圍巖壓力拱效應的復雜性。因此，在隧道設(shè)計和施工過程中，必須充分考慮地質(zhì)構(gòu)造的影響，通過詳細的地質(zhì)勘察，準確掌握地質(zhì)構(gòu)造的特征，采取相應的工程措施，如優(yōu)化施工方法、加強支護等，以確保隧道的穩(wěn)定性和壓力拱效應的正常發(fā)揮。4.2隧道設(shè)計參數(shù)4.2.1隧道凈距隧道凈距作為小凈距隧道的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)之一，對圍巖壓力拱效應有著極為顯著的影響，其變化會導致壓力拱的相互作用以及圍巖壓力的復雜改變。當隧道凈距較小時，兩隧道的壓力拱相互重疊、干擾明顯。以某小凈距隧道工程為例，凈距為4m時，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，兩隧道間中夾巖柱的應力集中系數(shù)高達2.5-3.0，遠高于正常水平。這是因為凈距過小使得兩隧道開挖引起的圍巖應力重分布區(qū)域相互交織，中夾巖柱承受了來自兩側(cè)隧道的壓力，導致其內(nèi)部應力急劇增大。在這種情況下，中夾巖柱的穩(wěn)定性受到嚴重威脅，容易發(fā)生塑性變形甚至破壞。在實際工程監(jiān)測中，也觀察到中夾巖柱出現(xiàn)了明顯的裂縫和位移，這表明凈距過小會對隧道的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。隨著凈距的增大，兩隧道壓力拱的相互作用逐漸減弱。當凈距增大到10m時，中夾巖柱的應力集中系數(shù)降低至1.5-2.0，圍巖壓力分布逐漸趨于單洞隧道的情況。這是因為凈距增大后，兩隧道開挖引起的圍巖應力重分布區(qū)域相互影響減小，中夾巖柱所承受的壓力相對減小，其穩(wěn)定性得到提高。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)也驗證了這一規(guī)律，當凈距增大時，中夾巖柱的變形和位移明顯減小，隧道的整體穩(wěn)定性得到增強。為了確定合理的隧道凈距，需要綜合考慮多個因素。圍巖的力學性質(zhì)是關(guān)鍵因素之一，對于堅硬完整的圍巖，其承載能力較強，能夠承受較大的隧道間相互作用，因此凈距可以適當減??；而對于軟弱破碎的圍巖，由于其承載能力較弱，為保證隧道的穩(wěn)定性，凈距應適當增大。在某花崗巖小凈距隧道工程中，由于圍巖堅硬完整，通過計算和分析，確定其合理凈距為6m；而在某軟弱頁巖小凈距隧道工程中，考慮到圍巖的軟弱特性，合理凈距確定為8m。施工方法也會對隧道凈距的確定產(chǎn)生影響。不同的施工方法對圍巖的擾動程度不同，進而影響隧道間的相互作用。采用鉆爆法施工時，由于爆破震動對圍巖的擾動較大，為減少對相鄰隧道的影響，凈距應適當增大；而采用盾構(gòu)法施工時，對圍巖的擾動較小，凈距可以相對減小。在某采用鉆爆法施工的小凈距隧道工程中，為減小爆破震動對相鄰隧道的影響，將凈距設(shè)置為9m；而在某采用盾構(gòu)法施工的小凈距隧道工程中，凈距設(shè)置為7m。隧道的埋深也是確定凈距時需要考慮的因素。深埋隧道由于上覆巖體的壓力較大，圍巖的自承能力較強，凈距可以適當減小；而淺埋隧道由于上覆巖體壓力較小，圍巖的自承能力較弱，凈距應適當增大。在某深埋小凈距隧道工程中，通過計算和分析，確定其合理凈距為5m；而在某淺埋小凈距隧道工程中，合理凈距確定為7m。在實際工程中，通常采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法來確定合理凈距。利用有限元軟件如ANSYS、FLAC3D等建立小凈距隧道模型，模擬不同凈距下隧道開挖過程中圍巖的應力、應變和位移情況，分析壓力拱的相互作用和圍巖壓力的變化規(guī)律，從而為合理凈距的確定提供依據(jù)。結(jié)合工程經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范，對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證和調(diào)整，最終確定出符合工程實際的合理凈距。4.2.2隧道埋深隧道埋深是影響小凈距隧道圍巖壓力拱效應的重要因素，它與壓力拱效應之間存在著密切的關(guān)系，不同的埋深情況會導致壓力拱呈現(xiàn)出不同的特點，同時也影響著圍巖壓力的計算方法和工程設(shè)計。在深埋情況下，由于上覆巖體厚度較大，圍巖的初始應力較高，隧道開挖后，圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮，壓力拱能夠較好地形成并承擔圍巖壓力。在某深埋小凈距隧道工程中，埋深達到100m以上，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，壓力拱高度較大，一般可達到隧道高度的1.5-2.0倍，且壓力拱形狀較為規(guī)則，邊界清晰。這是因為深埋隧道圍巖的初始應力較大，在隧道開挖后，圍巖能夠在較大范圍內(nèi)進行應力調(diào)整，形成穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)。在這種情況下，圍巖壓力的計算可以采用基于普氏理論或太沙基理論的相關(guān)公式，并結(jié)合工程實際情況進行修正?；谄帐侠碚?，深埋小凈距隧道圍巖垂直壓力可通過公式q=\frac{\gammah}{f}計算，其中\(zhòng)gamma為圍巖容重，h為自然平衡拱高度，f為普氏系數(shù)。在實際應用中，需要考慮中夾巖柱的承載作用以及隧道間的相互影響，對計算結(jié)果進行適當修正。在淺埋情況下，上覆巖體厚度較小，隧道開挖后，圍巖的自承能力相對較弱，壓力拱的形成受到一定限制。在某淺埋小凈距隧道工程中，埋深僅為20m，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，壓力拱高度較小，一般為隧道高度的1.0-1.2倍，且壓力拱形狀不規(guī)則，邊界模糊。這是因為淺埋隧道受到的上覆巖體自重壓力相對較小，圍巖在隧道開挖后難以形成穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)，壓力拱容易受到外界因素的干擾而發(fā)生變形和破壞。在淺埋小凈距隧道中，圍巖壓力的計算通常采用經(jīng)驗公式或基于彈性力學理論的方法。在某淺埋小凈距隧道設(shè)計中，采用經(jīng)驗公式q=\gammaH(1-e^{-\frac{2\lambdaH\tan\varphi}{B}})計算圍巖垂直壓力，其中\(zhòng)gamma為圍巖容重，H為隧道埋深，\lambda為側(cè)壓力系數(shù)，\varphi為圍巖內(nèi)摩擦角，B為隧道寬度。同時，需要考慮隧道開挖對地表的影響，以及施工過程中的動態(tài)變化，對圍巖壓力進行實時監(jiān)測和調(diào)整。對于不同埋深的小凈距隧道，在工程設(shè)計和施工中需要采取不同的措施。在深埋隧道中，由于圍巖壓力較大，應加強隧道的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高支護結(jié)構(gòu)的強度和剛度，以確保隧道的穩(wěn)定性?？梢圆捎酶邚姸鹊腻^桿、錨索以及厚壁襯砌等支護形式，增強支護結(jié)構(gòu)對圍巖壓力的承載能力。在某深埋小凈距隧道施工中，采用了直徑為25mm的高強度錨桿，間距為1.0m，同時增加了襯砌的厚度，從原來的40cm增加到50cm，有效保證了隧道的穩(wěn)定。在淺埋隧道中，由于壓力拱的穩(wěn)定性較差，應注重對圍巖的加固和保護，采用超前支護、注漿加固等措施，提高圍巖的自承能力。在某淺埋小凈距隧道施工中，采用了超前小導管注漿加固技術(shù)，在隧道開挖前，向圍巖中注入水泥漿，提高圍巖的強度和穩(wěn)定性，有效控制了圍巖的變形。在施工過程中，應根據(jù)隧道埋深的變化及時調(diào)整施工方法和支護參數(shù)。隨著隧道埋深的增加，可適當加大爆破參數(shù)，提高開挖效率，但要注意控制爆破震動對圍巖的影響；而在淺埋段，應采用弱爆破或非爆破開挖方法，減少對圍巖的擾動。在某小凈距隧道施工中，在深埋段采用了較大的爆破進尺和藥量，而在淺埋段則采用了機械開挖和微震爆破技術(shù)，有效保證了施工安全和隧道的穩(wěn)定性。同時，要加強對隧道圍巖壓力和變形的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整支護參數(shù)，確保隧道施工過程中的安全。4.2.3隧道斷面形狀隧道斷面形狀是影響小凈距隧道圍巖壓力分布和壓力拱效應的重要因素之一，不同的斷面形狀在隧道開挖過程中會導致圍巖應力的不同分布，進而對壓力拱效應產(chǎn)生顯著影響。圓形斷面在受力方面具有獨特的優(yōu)勢。由于其形狀的對稱性，在隧道開挖后，圍巖壓力能夠較為均勻地分布在隧道周邊。在某圓形斷面小凈距隧道的數(shù)值模擬中，通過分析圍巖應力云圖可以清晰地看到，隧道周邊的應力分布相對均勻，最大值與最小值之間的差值較小。這是因為圓形斷面能夠?qū)鷰r壓力有效地分散到整個周邊巖體，減少了應力集中現(xiàn)象的發(fā)生。在圓形斷面中，壓力拱的形狀也較為規(guī)則，近似為圓形，其高度和跨度相對穩(wěn)定。在實際工程中，圓形斷面常用于盾構(gòu)法施工的隧道，因為盾構(gòu)機的圓形結(jié)構(gòu)與圓形斷面相匹配，施工過程中對圍巖的擾動較小，有利于保持圍巖的穩(wěn)定性。圓形斷面也存在一些局限性，例如在相同的開挖面積下，圓形斷面的空間利用率相對較低，對于一些對空間要求較高的隧道，可能不太適用。馬蹄形斷面是小凈距隧道中常用的另一種斷面形狀。馬蹄形斷面在拱頂和邊墻部位的曲率不同，這種形狀使得隧道在承受圍巖壓力時，能夠更好地適應不同方向的荷載。在拱頂部位，馬蹄形斷面的曲率較大，能夠有效地分散垂直方向的圍巖壓力，減少拱頂?shù)膲毫?；在邊墻部位，曲率相對較小，能夠提供較強的側(cè)向支撐力，抵抗水平方向的圍巖壓力。在某馬蹄形斷面小凈距隧道工程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在隧道開挖后，拱頂和邊墻部位的圍巖壓力分布較為合理，隧道的穩(wěn)定性良好。馬蹄形斷面的壓力拱形狀相對復雜，在拱頂和邊墻部位的壓力拱高度和跨度有所不同。在拱頂部位，壓力拱高度相對較大，跨度相對較??；在邊墻部位，壓力拱高度相對較小，跨度相對較大。這是因為不同部位的受力情況不同，導致壓力拱的形態(tài)也有所差異。馬蹄形斷面的施工難度相對較大，在開挖和支護過程中需要更加精細的施工工藝和技術(shù)，以確保斷面形狀的準確性和圍巖的穩(wěn)定性。為了深入分析不同斷面形狀的優(yōu)劣，采用數(shù)值模擬方法進行對比研究。利用有限元軟件ANSYS建立圓形和馬蹄形斷面的小凈距隧道模型，模擬隧道開挖過程中圍巖的應力、應變和位移情況。通過對比分析不同斷面形狀下的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)圓形斷面在控制圍巖位移方面表現(xiàn)較好，隧道周邊的位移相對較??；而馬蹄形斷面在抵抗圍巖壓力方面具有優(yōu)勢，能夠承受更大的荷載。在某小凈距隧道數(shù)值模擬中，當施加相同的圍巖壓力時，圓形斷面隧道周邊的最大位移為10mm，而馬蹄形斷面隧道周邊的最大位移為12mm；但馬蹄形斷面隧道能夠承受的最大圍巖壓力比圓形斷面高出20%左右。在實際工程中，選擇隧道斷面形狀需要綜合考慮多種因素。地質(zhì)條件是首要考慮的因素之一，對于軟弱圍巖，應選擇能夠更好地分散圍巖壓力、增強圍巖穩(wěn)定性的斷面形狀，如馬蹄形斷面；而對于堅硬圍巖，圓形斷面和馬蹄形斷面都有較好的適用性。隧道的使用功能也會影響斷面形狀的選擇，對于交通流量較大、對空間要求較高的隧道，可能更適合采用馬蹄形斷面，以提高空間利用率；而對于一些對施工速度要求較高、對空間要求相對較低的隧道，圓形斷面可能是更好的選擇。施工方法和成本也是選擇斷面形狀時需要考慮的因素，不同的斷面形狀在施工難度和成本上存在差異，應根據(jù)實際情況進行綜合評估。4.3施工因素4.3.1施工方法不同施工方法對小凈距隧道圍巖壓力拱效應的影響顯著，施工過程中圍巖的擾動情況和壓力拱的動態(tài)變化因施工方法而異。新奧法強調(diào)充分發(fā)揮圍巖的自承能力，采用柔性支護，讓圍巖在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生變形，形成穩(wěn)定的壓力拱。在某小凈距隧道工程中采用新奧法施工，初期支護采用噴射混凝土和錨桿，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在開挖后的初期，圍巖變形迅速發(fā)展，隨著噴射混凝土和錨桿的及時施作，圍巖變形得到有效控制，壓力拱逐漸形成。在這個過程中，由于新奧法的柔性支護特點，允許圍巖有一定的變形，使得圍巖內(nèi)部應力能夠得到較好的調(diào)整，有利于壓力拱的形成。在開挖后的1-3天內(nèi)，圍巖變形速率較大，達到5-10mm/d，但隨著支護的施加，變形速率逐漸減小，在7-10天后基本穩(wěn)定，壓力拱也基本形成。鉆爆法是通過爆破手段開挖隧道，爆破震動會對圍巖產(chǎn)生較大擾動，影響壓力拱的形成和穩(wěn)定性。在某采用鉆爆法施工的小凈距隧道工程中，爆破震動導致圍巖松動范圍增大，壓力拱的形狀發(fā)生改變，邊界模糊。在爆破后的短時間內(nèi)，圍巖壓力明顯增大，支護結(jié)構(gòu)承受的荷載也隨之增加。通過對爆破震動速度的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)當爆破震動速度超過10cm/s時，圍巖的松動范圍會明顯增大，壓力拱的穩(wěn)定性受到嚴重威脅。為了減小爆破震動對圍巖的影響，通常會采取控制爆破參數(shù)、采用微差爆破等措施，如減小單段起爆藥量、增加起爆段數(shù)等，以降低爆破震動速度，保證壓力拱的正常形成和隧道的穩(wěn)定性。盾構(gòu)法利用盾構(gòu)機進行隧道開挖，對圍巖的擾動相對較小，能夠較好地保持圍巖的原始狀態(tài)，有利于壓力拱的穩(wěn)定。在某盾構(gòu)法施工的小凈距隧道工程中，盾構(gòu)機的刀盤切削土體，同時通過盾尾同步注漿對隧道周邊進行填充和加固，有效地控制了圍巖的變形。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，采用盾構(gòu)法施工時，隧道周邊圍巖的位移較小，壓力拱的形態(tài)較為規(guī)則，穩(wěn)定性良好。與鉆爆法相比，盾構(gòu)法施工時圍巖的最大位移可減小30%-50%，壓力拱的穩(wěn)定性得到顯著提高。盾構(gòu)法施工成本較高，對地質(zhì)條件的適應性相對較弱，在一些復雜地質(zhì)條件下可能受到限制。在某城市地鐵小凈距隧道工程中，通過數(shù)值模擬對比了新奧法、鉆爆法和盾構(gòu)法施工對圍巖壓力拱效應的影響。模擬結(jié)果顯示，新奧法施工時，壓力拱形成較為規(guī)則，高度和跨度適中，圍巖壓力分布相對均勻；鉆爆法施工時，壓力拱受到爆破震動的影響，形狀不規(guī)則，壓力分布不均勻，在爆破影響區(qū)域，圍巖壓力明顯增大；盾構(gòu)法施工時，壓力拱穩(wěn)定性最好，圍巖壓力分布最為均勻，且圍巖變形最小。在實際工程中，應根據(jù)地質(zhì)條件、隧道埋深、斷面尺寸等因素綜合選擇合適的施工方法。對于地質(zhì)條件較好、圍巖穩(wěn)定性較高的小凈距隧道，可優(yōu)先考慮新奧法施工，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力，降低工程成本；對于地質(zhì)條件復雜、圍巖穩(wěn)定性較差的隧道，如穿越斷層破碎帶、軟弱圍巖等區(qū)域，可采用盾構(gòu)法施工，以減小對圍巖的擾動，保證隧道的安全；而在一些地形條件受限、無法采用盾構(gòu)法施工的情況下，若采用鉆爆法施工，則需嚴格控制爆破參數(shù)，采取有效的減震措施，以減小對圍巖壓力拱效應的不利影響。4.3.2施工順序小凈距隧道不同施工順序?qū)鷰r壓力和壓力拱有著重要影響，合理的施工順序能夠有效控制圍巖變形，保證隧道的穩(wěn)定性。以某小凈距隧道工程為例，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了先左后右、先右后左等不同施工順序下的圍巖壓力和壓力拱變化情況。當采用先左后右的施工順序時，先行洞（左洞）開挖后，圍巖應力重分布，形成初始壓力拱。在這個過程中，先行洞周邊圍巖向洞內(nèi)變形，壓力拱逐漸形成，圍巖壓力在拱頂和邊墻部位出現(xiàn)集中現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬分析，先行洞開挖后，拱頂圍巖壓力增大了20%-30%，邊墻圍巖壓力增大了15%-20%。后行洞（右洞）開挖時，由于中夾巖柱的存在，后行洞開挖對先行洞的影響主要集中在靠近中夾巖柱的一側(cè)。在某小凈距隧道現(xiàn)場監(jiān)測中，后行洞開挖時，先行洞靠近中夾巖柱一側(cè)的邊墻位移增大了10-15mm，壓力拱在該部位出現(xiàn)了明顯的變形和調(diào)整。這是因為后行洞開挖引起的圍巖應力重分布，使得中夾巖柱的應力狀態(tài)發(fā)生改變，進而影響了先行洞壓力拱的穩(wěn)定性。當采用先右后左的施工順序時，情況與先左后右類似，但由于施工順序的改變，先行洞和后行洞的受力和變形特征也會有所不同。在某小凈距隧道數(shù)值模擬中，先右后左施工時，先行洞（右洞）開挖后，圍巖壓力在拱頂和邊墻部位的集中程度與先左后右施工時略有差異，拱頂圍巖壓力增大了25%-35%，邊墻圍巖壓力增大了18%-22%。后行洞（左洞）開挖時，對先行洞的影響同樣集中在靠近中夾巖柱的一側(cè)，但影響程度和具體位置會有所變化。通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，先右后左施工時，先行洞靠近中夾巖柱一側(cè)的拱頂位移增大了8-12mm，壓力拱在拱頂部位的變形更為明顯。為了確定最優(yōu)施工順序，綜合考慮多種因素。地質(zhì)條件是關(guān)鍵因素之一，對于軟弱圍巖，應優(yōu)先選擇對圍巖擾動較小的施工順序。在某軟弱圍巖小凈距隧道工程中，通過對比分析，發(fā)現(xiàn)先開挖一側(cè)圍巖條件相對較好的隧道，后開挖另一側(cè)，能夠有效控制圍巖變形，保證隧道的穩(wěn)定性。隧道的埋深和凈距也會影響施工順序的選擇。深埋隧道由于圍巖初始應力較大，施工順序?qū)鷰r壓力拱效應的影響更為顯著；而凈距較小的隧道，施工順序不當可能導致中夾巖柱的穩(wěn)定性受到嚴重威脅。在某深埋小凈距隧道工程中，由于凈距較小，經(jīng)過計算和分析，確定采用先開挖埋深較淺一側(cè)隧道的施工順序，以減小兩隧道之間的相互影響，保證中夾巖柱的穩(wěn)定。在實際工程中，還可以結(jié)合一些工程措施來優(yōu)化施工順序的效果。在中夾巖柱內(nèi)設(shè)置對拉錨桿，增強中夾巖柱的穩(wěn)定性，減小施工順序?qū)ζ涞挠绊懀徊捎贸爸ёo措施，如超前小導管注漿、管棚支護等，在隧道開挖前對圍巖進行加固，降低施工過程中圍巖的變形和破壞風險。在某小凈距隧道施工中，采用了先左后右的施工順序，并在中夾巖柱內(nèi)設(shè)置了對拉錨桿，同時對后行洞采用了超前小導管注漿加固，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隧道圍巖的變形得到了有效控制，壓力拱的穩(wěn)定性良好，保證了隧道的安全施工。4.3.3支護措施初期支護和二次襯砌等支護措施在小凈距隧道中對圍巖壓力拱效應起著至關(guān)重要的作用，它們與圍巖共同作用，是保證隧道穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。初期支護通常采用噴射混凝土、錨桿、鋼支撐等結(jié)構(gòu)，其主要作用是及時限制圍巖的變形，防止圍巖過度松弛，促進壓力拱的形成和穩(wěn)定。在某小凈距隧道工程中，初期支護采用噴射混凝土和錨桿聯(lián)合支護形式。噴射混凝土能夠及時封閉圍巖表面，防止圍巖風化和松動，同時與圍巖緊密結(jié)合，共同承受圍巖壓力。錨桿則通過將圍巖與深部穩(wěn)定巖體連接在一起，提供錨固力，增強圍巖的整體性和穩(wěn)定性。在該工程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在初期支護施作后，圍巖的變形速率明顯降低，壓力拱逐漸形成并趨于穩(wěn)定。在初期支護施作后的1-2天內(nèi)，圍巖變形速率從初期的8-10mm/d降低到3-5mm/d，壓力拱的高度和跨度逐漸穩(wěn)定，有效地減小了作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載。二次襯砌作為隧道的永久性支護結(jié)構(gòu)，在初期支護的基礎(chǔ)上，進一步承擔圍巖壓力，提高隧道的承載能力和穩(wěn)定性。在某小凈距隧道中，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。二次襯砌的施作時機對圍巖壓力拱效應有著重要影響。如果施作過早，圍巖變形尚未充分發(fā)展，二次襯砌可能會承受過大的荷載，導致結(jié)構(gòu)受力不合理；如果施作過晚，圍巖可能會出現(xiàn)過度變形甚至破壞，影響隧道的穩(wěn)定性。在該工程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析，確定在初期支護變形基本穩(wěn)定后，約在開挖后的15-20天施作二次襯砌較為合適。此時，圍巖壓力拱已經(jīng)基本形成，二次襯砌能夠與初期支護和圍巖共同作用，分擔圍巖壓力，保證隧道的長期穩(wěn)定。支護結(jié)構(gòu)與圍巖的共同作用是一個復雜的力學過程。支護結(jié)構(gòu)通過與圍巖之間的摩擦力、粘結(jié)力等相互作用，形成一個共同的承載體系。在這個體系中，圍巖的變形受到支護結(jié)構(gòu)的約束，而支護結(jié)構(gòu)則承受圍巖傳來的壓力。在某小凈距隧道數(shù)值模擬中，通過建立考慮支護結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的模型，分析了不同支護參數(shù)下的共同作用效果。結(jié)果表明，合理的支護參數(shù)能夠使支護結(jié)構(gòu)與圍巖更好地協(xié)同工作，提高隧道的穩(wěn)定性。增加錨桿的長度和密度，可以提高圍巖的錨固效果，增強圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的連接，從而減小圍巖的變形和壓力拱的波動；增大噴射混凝土的厚度和強度，能夠提高支護結(jié)構(gòu)的承載能力，更好地分擔圍巖壓力。在實際工程中，為了保證支護措施的有效性，需要根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、施工方法、圍巖壓力拱效應等因素合理設(shè)計支護參數(shù)。在軟弱圍巖小凈距隧道中，應適當增加支護結(jié)構(gòu)的強度和剛度，加密錨桿和鋼支撐的布置，提高噴射混凝土的厚度和強度；在硬巖隧道中，可根據(jù)實際情況適當減小支護參數(shù)，但仍需保證支護結(jié)構(gòu)能夠有效地與圍巖共同作用，確保隧道的穩(wěn)定。同時，要加強對支護結(jié)構(gòu)和圍巖的監(jiān)測，及時掌握其變形和受力情況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整支護參數(shù)，確保隧道施工和運營的安全。五、小凈距隧道圍巖壓力拱效應的計算方法5.1理論計算方法在小凈距隧道圍巖壓力拱效應的研究中，基于普氏理論和太沙基理論的計算方法是重要的理論基礎(chǔ)，它們?yōu)樯钊肜斫夂陀嬎銍鷰r壓力提供了基本的思路和公式。普氏理論以自然平衡拱為核心概念，認為隧道開挖后，圍巖會在重力作用下形成一個拋物線形的自然平衡拱。該理論的關(guān)鍵假設(shè)是圍巖為松散介質(zhì)，且自然平衡拱的高度和跨度與反映巖體特征的堅固性系數(shù)f值以及隧道寬度密切相關(guān)。在深埋小凈距隧道中，根據(jù)普氏理論，圍巖垂直均布壓力q的計算公式為q=\frac{\gammah}{f}，其中\(zhòng)gamma為圍巖容重，h為自然平衡拱高度。自然平衡拱高度h的計算需考慮兩種情況：在堅硬且自穩(wěn)性好的巖體中，拱的寬度即為隧道的寬度；而在自穩(wěn)性較差的圍巖中，拱的寬度需考慮滑移面，計算公式為b=b_0+h_0\cdot\tan(45^{\circ}-\frac{\varphi_0}{2})，其中b_0為隧道的半跨度，h_0為隧道的凈高，\varphi_0為巖體的計算摩擦角，可根據(jù)巖體的堅固性系數(shù)f確定，\varphi_0=\arctanf。在某深埋小凈距隧道工程中，圍巖為IV級砂巖，普氏系數(shù)f取值為4，隧道凈高h_0為6m，半跨度b_0為5m。根據(jù)上述公式計算，自然平衡拱高度h約為3m，圍巖垂直均布壓力q約為150kPa。普氏理論在計算圍巖壓力時，忽略了圍巖的彈性變形和應力重分布過程，且假設(shè)圍巖為松散介質(zhì)，這與實際情況存在一定差異。對于堅硬完整的圍巖，計算結(jié)果往往偏大；而對于軟弱破碎的圍巖，計算結(jié)果可能偏小。在實際應用中，需要根據(jù)工程實際情況對計算結(jié)果進行修正。太沙基理論從土體力學的角度出發(fā)，考慮了土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力等因素對圍巖壓力的影響。該理論假設(shè)跨度為2b的矩形洞室開挖在深度為H的巖體中，隧道上覆巖層中任意深度h處的垂直土壓力計算公式為\sigma_v=\gammah(1-e^{-\frac{2\lambdah\tan\varphi}})，其中\(zhòng)lambda為側(cè)壓力系數(shù)，\varphi為圍巖內(nèi)摩擦角。隨著h的增加，指數(shù)項趨近于零，豎向壓力趨于某一固定值，可視為深淺埋的臨界點。太沙基根據(jù)實驗結(jié)果，給出\lambda=1\sim1.5。在某小凈距隧道工程中，隧道埋深H為50m，圍巖內(nèi)摩擦角\varphi為30°，側(cè)壓力系數(shù)\lambda取1.2，隧道半跨度b為4m。通過太沙基理論計算，在隧道頂部（h=H）處的垂直土壓力約為200kPa。太沙基理論在考慮圍巖的力學性質(zhì)方面相對普氏理論更為全面，但它主要適用于土體或軟巖隧道，對于堅硬巖石隧道，由于其假設(shè)與實際情況差異較大，計算結(jié)果可能不準確。太沙基理論在小凈距隧道應用中，未充分考慮兩隧道之間的相互影響，尤其是中夾巖柱的作用，這在一定程度上限制了其應用范圍。在實際工程中，若要運用太沙基理論計算小凈距隧道圍巖壓力，需要對中夾巖柱的承載作用進行特殊考慮和修正。為了推導適用于小凈距隧道的計算公式，考慮中夾巖柱的實際支承力至關(guān)重要。中夾巖柱在小凈距隧道中承擔了部分圍巖壓力，其承載能力與巖柱的厚度、強度以及巖體的完整性等因素密切相關(guān)。以某小凈距隧道為例，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬分析，建立了中夾巖柱承載能力與圍巖壓力之間的關(guān)系模型。假設(shè)中夾巖柱的承載能力為P，根據(jù)力的平衡原理，在考慮中夾巖柱作用后，小凈距隧道圍巖垂直壓力q'的計算公式可修正為q'=\frac{\gammah}{f}-\frac{P}{A}，其中A為隧道的計算面積。在實際工程中，中夾巖柱的承載能力P可通過現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗以及數(shù)值模擬等方法確定。通過這種修正，能夠更準確地計算小凈距隧道的圍巖壓力，為隧道的設(shè)計和施工提供更可靠的依據(jù)。理論計算方法在小凈距隧道圍巖壓力拱效應研究中具有重要的理論指導意義。它們?yōu)槔斫鈬鷰r壓力的形成機制和計算提供了基本框架，在一些簡單地質(zhì)條件和工程要求不高的情況下，能夠快速估算圍巖壓力，為工程設(shè)計提供初步參考。理論計算方法也存在明顯的局限性。由于其基于一定的假設(shè)條件，與實際復雜的地質(zhì)條件和工程情況存在差異，計算結(jié)果可能與實際情況有較大偏差。在實際應用中，需要結(jié)合工程實際，綜合考慮多種因素，對理論計算結(jié)果進行驗證和修正，以確保其準確性和可靠性。五、小凈距隧道圍巖壓力拱效應的計算方法5.2數(shù)值模擬方法5.2.1有限元法有限元法在小凈距隧道圍巖壓力拱效應分析中具有重要作用，其應用原理基于將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體。以某小凈距隧道工程為例，在進行有限元分析時，首先將隧道及其周邊圍巖劃分成若干個三角形或四邊形單元。這些單元通過節(jié)點相互連接，節(jié)點上的位移作為基本未知量。根據(jù)彈性力學中的虛功原理或變分原理，建立每個單元的剛度方程，然后將所有單元的剛度方程集合起來，形成整個結(jié)構(gòu)的平衡方程組。在求解平衡方程組時，考慮隧道開挖過程中的荷載變化、圍巖的力學性質(zhì)以及邊界條件等因素，從而得到各節(jié)點的位移、應力和應變等力學參數(shù)。在小凈距隧道圍巖壓力拱效應分析中，常用的有限元軟件有ANSYS和ABAQUS等。ANSYS是一款功能強大的通用有限元分析軟件，具有豐富的單元庫和材料模型，能夠模擬各種復雜的工程問題。ABAQUS則以其強大的非線性分析能力著稱，尤其在處理巖土工程中的大變形、材料非線性等問題時表現(xiàn)出色。以ANSYS軟件為例，其建模過程和分析步驟如下：首先，根據(jù)隧道的設(shè)計圖紙和地質(zhì)勘察資料，確定模型的幾何尺寸和邊界條件。對于小凈距隧道，需要準確設(shè)定兩隧道的間距、埋深、斷面形狀等參數(shù)。在某小凈距隧道建模中，隧道間距設(shè)置為6m，埋深為30m，斷面形狀為馬蹄形。然后，選擇合適的單元類型對模型進行網(wǎng)格劃分。在小凈距隧道分析中，常用的單元類型有Solid45（三維實體單元）、Beam3（梁單元）等。為了保證計算精度，在隧道周邊和中夾巖柱等關(guān)鍵部位，需要適當加密網(wǎng)格。接著，定義材料屬性，包括圍巖的彈性模量、泊松比、密度等物理力學參數(shù)，以及支護結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)。在某小凈距隧道工程中，圍巖為IV級砂巖，彈性模量為20GPa，泊松比為0.25，密度為2500kg/m3；支護結(jié)構(gòu)采用C25混凝土，彈性模量為28GPa，泊松比為0.2。之后，施加荷載和邊界條件，荷載包括圍巖的自重、初始地應力等，邊界條件根據(jù)實際情況設(shè)置，如模型底部施加豎向約束，四周施加水平約束。在模擬隧道開挖過程時，采用生死單元技術(shù)，模擬隧道的分步開挖和支護過程。在某小凈距隧道模擬中，先開挖先行洞，激活先行洞周邊的支護單元，再開挖后行洞，激活后行洞周邊的支護單元。最后，提交計算，對計算結(jié)果進行后處理，通過查看應力云圖、位移云圖等，分析圍巖壓力拱的形成過程、分布規(guī)律以及支護結(jié)構(gòu)的受力情況。在某小凈距隧道的計算結(jié)果中，通過應力云圖可以清晰地看到，在隧道開挖后，圍巖壓力拱逐漸形成，在拱頂和邊墻部位出現(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象。有限元法在小凈距隧道圍巖壓力拱效應分析中具有諸多優(yōu)勢，能夠考慮復雜的地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)和施工過程，得到較為準確的計算結(jié)果。有限元法也存在一定的局限性，如計算結(jié)果的準確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的選取，計算過程較為復雜，需要一定的專業(yè)知識和計算資源。在實際應用中，需要結(jié)合工程經(jīng)驗和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對有限元模型進行驗證和修正，以提高計算結(jié)果的可靠性。5.2.2離散元法離散元法作為一種適用于非連續(xù)介質(zhì)力學分析的數(shù)值方法，在小凈距隧道研究中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。其基本原理是將所研究的對象離散為相互獨立的單元，這些單元之間通過接觸力相互作用。在小凈距隧道的模擬中，圍巖被看作是由眾多離散的巖塊組成，巖塊之間的節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面則通過接觸模型來模擬。離散元法在模擬節(jié)理巖體方面具有顯著優(yōu)勢。節(jié)理巖體的力學行為復雜，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學方法難以準確描述其特性。離散元法能夠考慮節(jié)理的產(chǎn)狀、間距、粗糙度以及節(jié)理面的力學性質(zhì)等因素。通過合理設(shè)置接觸模型的參數(shù)，可以真實地模擬節(jié)理巖體在隧道開挖過程中的變形、破壞和滑移等現(xiàn)象。在某小凈距隧道穿越節(jié)理發(fā)育巖體的工程中，采用離散元法進行模擬，能夠清晰地觀察到節(jié)理面在隧道開挖后的張開、閉合和錯動情況，以及這些變化對圍巖壓力拱形成和發(fā)展的影響。在小凈距隧道研究中，離散元法有著廣泛的應用場景。在分析隧道開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性時，離散元法可以模擬圍巖的漸進破壞過程，預測圍巖的破壞范圍和破壞模式。通過模擬不同施工順序和支護措施下圍巖的響應，為施工方案的優(yōu)化提供依據(jù)。在某小凈距隧道施工方案的比選過程中，利用離散元法模擬了先左后右和先右后左兩種施工順序下圍巖的變形和破壞情況，結(jié)果表明先開挖圍巖條件相對較好一側(cè)的隧道，能夠有效控制圍巖變形，提高隧道的穩(wěn)定性。離散元法還可以用于研究小凈距隧道中夾巖柱的力學行為。中夾巖柱是小凈距隧道的關(guān)鍵部位，其穩(wěn)定性直接影響隧道的整體安全。離散元法能夠考慮中夾巖柱內(nèi)節(jié)理裂隙的分布和連通性，分析中夾巖柱在隧道開挖過程中的應力分布、變形特征以及破壞機制。在某小凈距隧道中夾巖柱穩(wěn)定性研究中，通過離散元法模擬發(fā)現(xiàn)，中夾巖柱內(nèi)的節(jié)理裂隙會導致應力集中，當應力超過巖體的強度時，中夾巖柱會出現(xiàn)局部破壞，進而影響隧道的穩(wěn)定性。離散元法在小凈距隧道研究中的應用效果顯著。通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他數(shù)值模擬方法的對比驗證，證明了離散元法能夠較為準確地模擬小凈距隧道圍巖的力學行為和壓力拱效應。在某小凈距隧道工程中，將離散元法模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測的圍巖位移和應力數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在變化趨勢和數(shù)值上具有較好的一致性，驗證了離散元法的可靠性。離散元法也存在一些不足之處，如計算效率相對較低，模型參數(shù)的選取較為困難，需要通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行標定。在實際應用中，需要結(jié)合工程實際情況，合理選擇離散元法，并與其他方法相結(jié)合，以提高小凈距隧道研究的準確性和可靠性。5.3經(jīng)驗公式法在工程實踐中，經(jīng)驗公式法是一種常用的確定小凈距隧道圍巖壓力的方法，它基于大量的工程實際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗總結(jié)，具有一定的實用性和參考價值。鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中給出了深埋隧道拱高的經(jīng)驗計算公式：h=0.45??2^{S-1}??，其中S為圍巖級別，如III級圍巖S=3；??=1+i(B-5)為寬度影響系數(shù)；B為隧道寬度（m）；i為圍巖壓力增減系數(shù)，當B\gt5m時，取i=0.2；B\lt5m時，取i=0.1。在某鐵路小凈距隧道工程中，圍巖為III級，隧道寬度B=8m，根據(jù)上述公式計算，拱高h約為2.5m。通過該公式計算得到的拱高，可進一步用于估算圍巖壓力，為隧道支護設(shè)計提供初步的參數(shù)依據(jù)。經(jīng)驗公式的來源主要是對大量已建隧道工程的統(tǒng)計分析和經(jīng)驗總結(jié)。通過對不同地質(zhì)條件、隧道尺寸和施工方法的隧道進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，分析圍巖壓力與各種因素之間的關(guān)系，從而歸納出具有一定普遍性的經(jīng)驗公式。在某地區(qū)的隧道工程建設(shè)中，對多個不同圍巖級別的隧道進行了長期監(jiān)測，收集了圍巖壓力、隧道尺寸、地質(zhì)條件等數(shù)據(jù)。經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，圍巖壓力與圍巖級別、隧道寬度之間存在著一定的相關(guān)性，基于這些數(shù)據(jù)，總結(jié)出了適用于該地區(qū)的圍巖壓力經(jīng)驗公式。經(jīng)驗公式的適用條件通常與特定的工程環(huán)境和數(shù)據(jù)來源有關(guān)。一般來說，經(jīng)驗公式適用于與數(shù)據(jù)來源相似的地質(zhì)條件、隧道類型和施工方法的工程。對于地質(zhì)條件復雜多變、隧道結(jié)構(gòu)特殊或施工方法獨特的工程，經(jīng)驗公式的適用性可能會受到限制。在某山區(qū)小凈距隧道工程中，由于該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，存在多條斷層和節(jié)理，與經(jīng)驗公式所依據(jù)的數(shù)據(jù)來源地質(zhì)條件差異較大，直接使用經(jīng)驗公式計算得到的圍巖壓力與實際監(jiān)測值偏差較大。在使用經(jīng)驗公式時，需要結(jié)合工程實際情況，對其適用性進行評估和驗證。為了驗證經(jīng)驗公式的準確性，以某實際小凈距隧道工程為例進行分析。該隧道為公路小凈距隧道，圍巖為IV級，隧道寬度B=10m。采用經(jīng)驗公式計算得到的圍巖壓力為180kPa。通過在隧道現(xiàn)場布置壓力傳感器，對圍巖壓力進行實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，圍巖壓力的實測值在160-190kPa之間。從對比結(jié)果可以看出，經(jīng)驗公式計算值與實測值在一定程度上相符，但仍存在一定的偏差。偏差的原因主要是經(jīng)驗公式是基于大量工程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計平均值，難以完全考慮到每個工程的具體特點和特殊情況。該隧道所處的地質(zhì)條件雖然為IV級圍巖，但局部存在軟弱夾層，這使得實際的圍巖壓力分布與經(jīng)驗公式所假設(shè)的情況有所不同。在實際工程中，不能僅僅依賴經(jīng)驗公式，還需要結(jié)合其他方法，如理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等