软弱围岩非爆破开挖小净距隧道施工步距合理性分析

闫虎，侯月琴

（1.中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401123；2.西安交通大学，西安 710049）

1 引言

小净距隧道先行洞的施工在其周围产生一个松动圈，后行洞位于该松动圈内，先行洞的开挖会对后行洞产生影响；同时，后行洞的开挖在其周围也会产生一个松动圈，如先行洞位于后行洞的松动圈内，则后行洞的开挖也会对先行洞的衬砌产生影响。因此，对小净距隧道而言，先行洞与后行洞之间是相互影响的[1]。在小净距隧道的施工过程中，先行洞与后行洞施工错开距离将会影响到先行与后行洞的围岩稳定性与衬砌的受力与变形规律。基于以上思考和认识，本文结合工程实例进行了研究分析。

2 工程概况

天马山隧道设计为一座上、下行分离的双向6车道高速公路隧道。隧道左线长3 701m，右线长3 657m，隧道进、出口段间距＜25m，属小净距隧道。洞口段主要由残积砂质黏性土层及全～强风化花岗岩组成，地下水饱和，呈流塑状，岩质软弱，采用人工非爆破开挖。

3 先后行洞开挖错开距离数值模拟分析及判断依据

为研究洞口段软弱围岩条件下小净距隧道的力学变化规律，开展了相关的数值模拟分析。建立相应的力学分析模型及有限元网格，研究相同净距条件下先后行洞隧道不同错开距离时周围岩土体及衬砌的受力与变形规律以及后行洞施工对先行洞影响性分析。

3.1 力学模型的建立及有限元网格的划分

计算模型中，双线隧道的净距取15m，＜1.5倍洞径，整个模型尺寸长×宽×高=200m×200m×100m，围岩、初衬喷射混凝土、二衬钢筋混凝土均采用8节点六面体单元模拟，临时支撑采用梁单元模拟。双线隧洞的双侧壁导坑法开挖的模型方法为：首先对开挖土体进行应力释放，然后杀死开挖体的单元，同时施作初次衬砌。在掌子面后方一定距离位置施作钢筋混凝土二次衬砌。

围岩的力学参数根据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》选取[2]，初衬与二衬混凝土材料参数根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》选取[3]。

3.2 双线小净距隧道错开距离数值模拟分析

3.2.1 双线隧道洞顶的位移变化

如图1所示为先后行洞开挖错开距离发生变化时，先行洞与后行洞洞顶监测点位移变化曲线。

图1 先后行洞开挖错开距离发生变化时，双洞洞顶监测点位移变化曲线

从图1可以看出，随着先行洞与后行洞错开距离的增加，洞顶监测点的位移有减小的趋势，这主要是由于当错开距离较小时，双洞开挖的相互扰动效应会明显增加，周围围岩的开挖损伤会加剧。

3.2.2 双线隧道围岩塑性区

对左洞与右洞围岩塑性区分布进行分析可得，双洞的围岩破坏区均分布在两侧拱腰的位置，右洞的塑性破坏程度明显高于左洞，这主要是由于在右洞开挖前，其周围围岩已经过一次开挖扰动，松动圈内的岩体有了一定程度的损伤，抗剪强度降低。在右洞开挖过程中，损伤的岩体再次遭受松动损伤，致使塑性破坏区面积增加。如表1所示为错开距离不同时围岩塑性破坏区体积。

表1 先后行洞开挖错开距离不同时围岩塑性破坏区体积

从表1可以看出，当先行洞与后行洞错开距离为20m时，左右周围围岩的塑性破坏区体积为8.1×103m3，随着先行洞与后行洞错开距离的增加，左右洞周围围岩的塑性破坏区体积减小。结果表明，先行洞与后行洞的错开距离直接影响到围岩的破坏与衬砌的安全，施工过程中先行洞与后行洞掌子面应当保持20m以上（一般认为1.5B的距离，其中，B为隧道宽度）。

4 先行洞衬砌与后行洞开挖错开距离

4.1 错开距离数值模拟分析及判断依据

双线小净距隧道先行洞衬砌与后行洞开挖错开距离的数值模拟模型仍采用先后行洞开挖错开距离数值模拟的计算模型。模拟方法为：首先对开挖土体进行应力释放，然后杀死开挖体的单元，同时施作初次衬砌。在掌子面后方一定距离位置施作钢筋混凝土二次衬砌，为研究先行洞衬砌与后行洞开挖错开距离对隧道的影响，错开距离选取0m、10m、20m 3个值。

4.2 双线小净距隧道错开距离数值模拟分析及结论

4.2.1 双线隧道洞顶位移

如图2所示为先行洞衬砌与后行洞开挖的错开距离发生变化时，先行洞与后行洞洞顶监测点位移变化曲线。

图2 先行洞衬砌与后行洞开挖的错开距离发生变化时，双洞洞顶监测点位移变化曲线

从图2可以看出，随着先行洞衬砌与后行洞错开距离的增加，双洞洞顶监测点的位移均有明显降低。这是由于二次衬砌为钢筋混凝土，其整体性好、刚度大、强度高，施作二次衬砌后，隧道周围围岩、衬砌基本处于稳定状态，监测点位移将不再变化。先行洞衬砌与后行洞错开距离越大，后行洞开挖扰动范围越小，围岩的位移也会减小。

4.2.2 双线隧道衬砌内力

随着先行洞衬砌与后行洞错开距离的增大，后行洞初衬拉应力区明显减小，衬砌受力状态趋于安全；随着先行洞与后行洞错开距离的减小，先行洞二衬拉应力区明显增加，这是由于错开距离越小，先行洞受后行洞开挖的影响越大，承担的围岩松动荷载越大，二衬的受力状态越差。因此，从围岩及衬砌的安全角度来讲，后行洞掌子面与先行洞衬砌错开距离越大，对围岩及衬砌的安全越有利，而二衬承担的荷载越大，受力状态越差，同时施工中还应考虑规范对单洞工序间安全步距的要求。

4.2.3 双线隧道围岩破坏区

错开距离不同时，围岩塑性破环区体积见表2。

表2 先行洞衬砌与后行洞开挖错开距离不同时围岩塑性破坏区体积

从表2可以看出，随着先行洞衬砌与后行洞错开距离的增大，左洞与右洞周围围岩的塑性破坏区体积均有减小的趋势。这可以解释为：先行洞衬砌与后行洞错开距离越大，先行洞的支护强度越高，周围围岩的整体性越好，隧道开挖过程中围岩松动的影响范围就越小，围岩塑性破坏区就越小。

5 结语

综上所述，通过本文对双线小净距隧道错开距离的研究，得出以下结论：

1）对于双线小净距隧道，先行洞的施工在其周围产生一个松动圈，而后行洞处在这个松动圈内，同时后行洞的开挖施工势必会对中岩柱土体进行二次扰动，从而影响先行洞的支护结构，因此，先行洞开挖与后行洞应错开合理的距离，既要满足均衡连续生产需要，又保证隧道施工及结构安全。

2）通过分析和工程实践总结，双线小净距隧道施工对围岩性质较差且非爆破开挖的地层应当保证先行洞与后行洞掌子面间的错开距离，同时为满足施工安全，先行洞衬砌应紧跟开挖施工，但应滞后后行洞开挖一定距离（一般认为1.5B距离以上）。