某超小净距隧道施工过程分析及研究

钱文斐

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

0 前言

某城市隧道功能定位为机动车道、非机动车道服务，其中机动车道采用3车道，设计速度为40km/h，隧道开挖净宽度约16m，考虑到隧道如采用分离形式，不仅拆迁量及占地量较大进而影响到居民的生活，而且不利于城市景观，故该隧道采用超小净距形式，中夹岩宽度约6m（0.375倍开挖宽度）。本文拟通过对V级围岩条件下的施工过程模拟分析，探究施工过程中中夹岩、支护的受力性能及围岩的变形趋势，并且通过对承载拱形成的分析，推导出中夹岩及二次衬砌的受力模型，以更好地为小净距隧道的设计提供理论依据。

1 模型建立

1.1 边界条件

为避免边界条件过小造成对模拟过程的失真，参照目前大多学者对边界的选取原则，此模拟围岩范围取开挖范围外3D(毛洞开挖宽度)，同时左、右侧边界采用水平固定支座、底面边界采用竖向固定支座。

1.2 围岩物理力学参数

Ⅴ级围岩物理力学参数取现行《规范》提供的参考值的中值，围岩本构模型采用摩尔-库伦模型。

1.3 施工工序

该隧道采用左、右主洞均采用双侧壁导坑法以确保隧道施工安全及尽可能减少对中夹岩的扰动，具体施工工序如图1所示、表1所列。

2 分析与研究

2.1 围岩变形性能

小净距隧道围岩的稳定性能主要受拱顶下沉值及中夹岩水平位移值的影响，因此重点针对以上两处围岩变形值进行分析。

2.1.1主洞拱顶下沉

由图2中反映得知：左洞拱顶下沉值在工况10~13，17~18、右洞拱顶在工况14~18增大趋势较为明显。这说明左、右洞拱顶在各自中导洞开挖支护过程中及临时支护拆除时围岩变形较大。这一变化规律较容易理解，但需指出的是，对于临时支护的拆除过程需密切关注拱顶下沉的监测，并禁止较大范围同时拆除临时支护，这要求在拆除部分临时支护后应及时施作二衬，只有二衬强度达到设计强度后方可继续拆除临时支护。

左洞拱顶最终下沉值大于右洞拱顶，这是因为左洞为先行洞，后行洞右洞开挖时会对左洞拱顶产生叠加效应，因此在施工过程中对左洞拱顶下沉的监测相对右洞而言更为重要。

2.1.2中夹岩水平位移

由图3中反映可知：左侧中夹岩水平位移值在工况2~10,17~18、右侧中夹岩在工况4~10、17~18变化趋势平缓。而左、右侧中夹岩在工况10~17存在一个完全相反的变化趋势。左侧在工况10~14逐渐增大，在工况14~17逐渐减小。而右侧在工况10~13逐渐减小，而在工况13~17逐渐增大。

经分析认为：在工况10~14过程中，左洞中导洞在进行开挖，而右洞尚未开挖，因此左侧中导洞的开挖对于左侧中夹岩而言增加临空范围，中夹岩有向左发生变形的趋势，所以当中夹岩整体向左发生位移时，右侧相对位移必然减小。在工况14~17过程中右洞中导洞进行开挖，相对于前工况，右侧中导洞的开挖对于右侧中夹岩而言增加临空范围，则中夹岩便有向右发生变形的趋势，于是左侧中夹岩水平位移减小，而右侧增大。

图1 施工工序示意图

表1 施工工序过程一览表

图2 拱顶下沉变化曲线图

图3 中夹岩水平位移变化曲线图

此外，位移变化曲线还反映出临时支护的拆除对中夹岩的变性影响不大。

2.2 支护受力性能

小净距隧道支护的稳定性能主要受拱顶及中夹岩处支护内力及对拉锚杆受力的影响，因此重点针对以上三处内力值进行分析。

2.2.1中夹岩处初期支护内力

由图4中反映可知：左洞工况4~9、14~18、右洞工况5~13中夹岩初期支护轴力增大趋势较缓，左洞工况9~13、右洞工况13~18轴力增大趋势较大。这说明在各主洞中导洞开挖过程中中夹岩处初期支护内力变化较大。左侧中夹岩初期支护内力值在开挖过程中始终大于右侧，左侧中夹岩处最终初期支护轴力比右侧大约18%。经分析认为：左洞为先行洞，在施工中不仅承受自身围岩的压力，且由于两主洞间距过小，后行洞开挖过程中围岩的变形不可避免影响到先行洞，从而使得先行洞的初期支护也承担了部分后行洞围岩变形所产生的内力。

图4 中夹岩处初期支护内力变化曲线图

2.2.2拱顶处初期支护内力

由图5中反映可知：左洞工况11~13、右洞工况15~17拱顶初期支护内力增大趋势明显，这说明在各主洞中导洞开挖过程中拱顶处初期支护内力变化较大。其中左洞拱顶初期支护内力变化占整个施工阶段的67%，右洞变化占到87%。且右洞拱顶初期支护内力增长幅度大于左洞。

图5 拱顶处初期支护内力变化曲线图

左洞拱顶初期支护内力始终大于右洞，这一规律同中夹岩处初期支护内力变化，左洞拱顶最终初期支护内力比右洞大约6.7%，分析原因同上。这两者从理论上说明对于左洞的支护参数设计应强于右洞，而目前小净距隧道的设计思路为左、右洞初期支护参数相同，因此设计中主洞初期支护参数的设计应参照左洞初期支护。

2.2.3对拉锚杆内力

由图6中反映可知：工况4~5中夹岩对拉锚杆轴力突然增大、而工况14~18中夹岩锚杆轴力趋势明显减小。这说明对拉锚杆在进入工作状态后直到右洞中导洞开挖时，其受力性状变化很小；而自右洞中导洞支护后直至施工结束，从力学性能而言，对拉锚杆对中夹岩的约束作用逐渐减小。这是因为右洞中导洞的开挖后的支护改变了围岩及支护体系的受力不均衡状态，这一变化规律从中夹岩左、右侧的水平位移变化曲线也同样反映出来。但整体降低程度并不明显，仅降低约6.67%。

2.3 中夹岩最大主应力

由于中夹岩是小净距隧道的“核心”区域，因此这次分析其最大主应力的变化情况。

图6 对拉锚杆轴力变化曲线图

由图7中反映可知：工况10~16中夹岩最大主应力增长幅度相对较大，且中夹岩最大主应力方向几乎为垂直向下，这说明在左、右洞中导洞开挖支护过程中，中夹岩所承受的压力呈较快增长，增长的幅度约占总增长幅度的75%。经分析认为，这是因为左、右洞中导洞的开挖使得左、右洞分别形成各自的承载拱，而中夹岩顶部则作为承载拱的拱脚，从而大大增加了中夹岩的所承受的压力。这一方面要求在左、右洞中导洞开挖过程中，应加强对中夹岩内力的监测，另一方面设计中应采取必要措施提高中夹岩承受压力的能力。

图7 中夹岩最大主应力变化曲线图

2.4 中夹岩及衬砌受力模型

在此模拟中初始应力中仅考虑围岩的自重而不考虑地质构造应力，因此开挖前主应力方向分别为水平方向及竖直方向。开挖过程中，围岩主应力方向随着洞身的开挖逐步改变方向。待隧道施工结束，由围岩应力图可以看出，两侧主洞开挖轮廓附近主应力方向几乎平行于开挖轮廓，在中夹岩顶处呈大角度几乎正交，如图8所示。这说明作用于两侧承载拱范围内的围岩压力将通过承载拱部分作用于中夹岩顶部，中夹岩的受力特性类似为连拱隧道中墙。因此，中夹岩的受压性能决定了整个结构的安全性，这要求设计中必须增强中夹岩的抗压强度。

左、右洞形成的承载拱高度相近，均约8m，承载拱范围内围岩压力将由承载拱及隧道衬砌共同承担，理论上当围岩为各向同性连续介质，则隧道深浅埋的临界深度为8m。但考虑到实际围岩受节理、裂隙及开挖扰动影响，岩体之间联系远不如理想状态下那样紧密，承载拱的高度将比理论值大很多。因此建议设计中一方面可适当提高承载拱高度，另一方面为确保衬砌结构安全，围岩自承作用作为安全储备仅考虑衬砌的支撑作用。建议小净距隧道中夹岩及二次衬砌的内力分析如图9、图10所示的模型进行分析，从而可验证中夹岩及二次衬砌的承载能力是否能满足要求。

图8 中夹岩最大主应力方向示意图

图9 中夹岩及二次衬砌受力模型一

图10 中夹岩及二次衬砌受力模型二

3 结论

（1）在施工过程中，先行洞拱顶部位的下沉量、初期支护内力均大于后行洞，因此施工中先行洞相对后行洞而言的监测工作更为重要。

（2）从理论上而言，目前小净距隧道主洞均采用相同的初期支护的参数比较浪费，后行洞的初期支护参数根据监测成果可以适当降低。

（3）主洞中导洞的开挖及支护过程是小净距隧道施工过程中的重点工序，需要加强监测，以确保施工安全。

（4）中夹岩在施工过程中主要承受压应力，对于硬岩而言，由于其抗压能力较强，其稳定性主要受节理、裂隙影响，因此采用注浆进行充填，加强岩体之间的联系，充分利用围岩的抗压能力，同时对拉锚杆改变了中夹岩的受力状态，形成了阻碍中夹岩变形的“侧限”。对于软岩而言，由于其抗压能力较弱，对拉锚杆与岩体之间的摩擦力所起到的“加筋”作用对中夹岩的约束作用可改善中夹岩抗压能力弱的特点，因此设计中可增加对拉锚杆以增强中夹岩的稳定性。

（5）中夹岩顶部的围岩的整体性及稳定性对中夹岩及二次衬砌的受力性能有密切关系，如中夹岩顶部围岩整体稳定性较差，则会在左、右洞之间形成一个大拱，中夹岩及二次衬砌的的受力将大大增加，如图10所示。因此建议在以后的设计中中夹岩的顶部可考虑采用加固措施以利于二次衬砌及中夹岩的受力。

4 结语

本文从理论上对V级围岩条件下小净距隧道开挖过程进行了分析与研究，其计算结果数值与实际数值可能存在较大差异，但反映的是支护及围岩体系的变形及内力变化的一种趋势，这将对施工过程有一定的参考价值。

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