非对称小净距隧道合理施工方法和工序分析

李伟聪

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广东珠海 519030)

小净距隧道是空间近距离双线隧道在同一参考平面的布置形式之一，其结构介于双洞分离式隧道和连拱隧道之间，并行双洞断面大小不一即是非对称小净距隧道。小净距隧道的界定至今没有统一明确的标准，日本铁道技术学会于20世纪70年代初发表了《关于平行隧道研究的报告》，认为平行隧道的中心距在可以把地层看作完全弹性体时，约为开挖宽度的2倍，而在粘土等软地层中，则为开挖宽度的5倍，并且规定平行公路隧道的中心距为30m(约为开挖宽度的3倍)，国铁单线隧道的标准净距是20m。对于非对称小净距隧道，即并行双洞断面大小不一的小净距隧道是近年来基于城市地下立交工程设计理念下产生的一种新型隧道设计结构，随着中国城市化建设进程的加快，作为解决城市交通问题的重要手段，地下立交必将逐渐兴起，非对称小净距隧道的数量也会逐渐增加，但目前对其的相关研究较少，工程界对非对称小净距隧道施工过程力学形态、规律等认识尚有不足，对非对称小净距隧道还缺乏系统深入的研究，因此进行这方面的研究，对于提高非对称小净距隧道建设的合理性与工程经济显得很有必要。本文利用有限元数值模拟的方法，建立了二维弹塑性模型，重点研究分析了采用不同施工方法及工序时非对称小净距隧道的力学特性、围岩稳定性等问题。

1 模型建立及计算工况

为了使模拟结果更具有普遍性，本次计算选取Ⅳ级围岩，考虑喷射混凝土及锚杆作用，不考虑二次衬砌，参考现行的JIGD70-2004公路隧道设计规范。计算参数选取结果如表1所示。由于互通立交隧道中非小净距隧道的净距是渐变的，且渐变较快，一般从1.5m变到12m至20m到30m范围就变化完毕。计算中选取隧道净距为1.5m，3m，4.5m，6m，8m，12m，16m，20m 共8种不同净距。埋深选择深埋条件，并考虑利于计算结果分析的因素，最后选取埋深为65m。施工方法考虑全断面法、上下台阶法、正侧壁导坑法、反侧壁导坑法4种，分左洞(小洞)先行和右洞(大洞)先行两种施工顺序，计算分析所采用的工法按表2进行。计算围岩使用标准ANSYS提供的理想弹塑性本构关系，其屈服准则为D-P(Drucker-Prager)准则，其他如锚杆、喷混凝土等均使用弹性本构关系。边界条件按照隧道力学理论分析结果确定。考虑边界效应，隧道的左右边界选取5倍洞径，隧道横断面方向为175m，底部选取3倍洞径，考虑实际埋深，隧道垂直方向为123m，左右边界约束水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为自由边界。计算包括以下工况:围岩级别选取Ⅳ级，隧道净距选取1.5m，3m，4.5m，6m，8m，12m，16m，20m 共8种不同净距，隧道埋深选取65m，选取4种施工方法，选取2种施工工序(左洞先行和右洞先行)，经过相互组合成多种不同的工况。隧道分析模型网格图如图1所示。

表1 材料计算物理力学指标

表2 施工方法及工序表

2 计算结果分析

2.1 拱顶位移分析

从图2可以看出，不管是何种工序和何种工法，随着隧道净距的增大，先行洞和后行洞的拱顶位移都将减小，其减小趋势呈现非线性的特征。隧道分部开挖对拱顶位移的影响要小于全断面开挖。全断面法施工时，左右洞的拱顶位移最大，其次为台阶法，而右洞采用侧壁导坑时最小，只是在右洞(大洞)先行时，左洞拱顶位移在台阶法时最小。无论左洞右洞，其作为先行洞时的拱顶位移均比作为后行洞时要小，右洞(大洞)先行时，其对后行洞的影响也较左洞(小洞)先行时要大，同样，右洞(大洞)后行时，其施工对先行洞影响也较大，隧道净距越小，这种影响效果越明显。当只有单洞时，左洞(小洞)拱顶位移为9.63mm，右洞(大洞)拱顶位移为14.26mm。而左洞洞跨10.33m，右洞洞跨14.66m。单洞时拱顶位移之比为0.675，洞跨比为0.705，两者非常接近，这也侧面说明对于非对称小净距隧道拱顶位移同洞跨成一定的正比关系。

图2 拱顶位移变化曲线

由图2可知，采用侧壁导坑法时拱顶位移最小，左洞选取台阶法，右洞选取两种侧壁导坑法施工，对后行洞开挖引起先行洞拱顶位移进行分析。如图3所示，从中可以看出，净距较小时，随着后行洞开挖，先行洞的拱顶位移有着较大增长。左洞先行时，右洞采用反侧壁导坑工法的情况下，1.5m净距时右洞开挖引起的位移占最终沉降30.38%，20m净距时占最终沉降的10.91%;右洞先行时，左洞开挖引起的位移占最终沉降14.93%;20m净距时占最终沉降的4.45%。采用正侧壁导坑工法的情况下，左洞先行时，1.5m净距时右洞开挖引起的位移占最终沉降29.22%，20m净距时占最终沉降的4.44%。后行洞洞跨不同对先行洞的影响明显不同，洞跨大的影响大于洞跨小的影响。采用侧壁导坑工法，随着净距增大两种工法之间差别变小，但总的来说正侧壁导坑法较反侧壁导坑法对先行洞的影响时间较长。

2.2 支护内力分析

选取左洞(小洞)先行，3m净距时采用各种施工方法进行分析，由图4可知，由于后行洞施工的影响，先行洞靠近后行洞一侧的支护内力增长明显，其最大轴力和最大弯矩均出现在先行洞靠近后行洞一侧，后行洞靠近先行洞一侧的支护内力也明显大于背离先行洞一侧。施工方法对支护内力的分布以及应力集中部位有明显影响，不同工法其最大轴力及弯矩部位不同，在分部施工的结合部出现应力集中现象，此处出现较大弯矩值。

图3 后行洞开挖引起拱顶位移变化曲线

3 结语

通过对非对称小净距隧道拱顶位移、初期支护内力的相关分析，可以得出如下结论:

1)对于施工工序的选择上，先施工左洞(小洞)对安全较为有利。先施工左洞时虽然后行洞(大洞)的施工对围岩稳定性及支护内力的影响程度要比左洞施工的影响大，但由于先行洞施工时，围岩稳定性相对要好些，支护内力也相对小些，最终双洞施工完毕后，其安全性反而要好些。

2)当围岩条件较好时应尽量采用全断面开挖，尽量减少对围岩的扰动，以减弱施工对中墙稳定性的影响。

图4 支护内力

3)对于围岩条件较差时，从中墙稳定性、支护内力以及应力集中程度等考虑，右洞采用上下台阶法由于对中墙围岩的多次扰动而对围岩稳定性不利，不宜采用;而采用右洞反侧壁导坑法对中墙处的围岩也很不利，但较台阶法略优;相比而言，右洞采用正侧壁导坑法时，对中墙围岩稳定性及支护受力较好，宜优先考虑。

4)隧道分部开挖时，由于初期支护未闭合，在交接处存在应力集中现象，施工时应注意交接处的支护安全。

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