基于施工过程的小净距隧道施工力学研究

胡笛+黄胜

摘 要：隧道施工将在一定范围内打破围岩原始地应力平衡，在影响范围内，地层应力将出现重分布，并在围岩、隧道结构的共同作用下达到新的平衡。由于小净距隧道处于相互影响区域，因此在设计和施工中应特别注意。本文基于施工过程研究小净距隧道的施工力学行为，并依据研究结论提出相应的对策措施，对提高小净距隧道设计和施工水平具有重要的现实意义。

关键词：小净距隧道 施工力学 有限元 位移

如何确保小净距隧道施工、运营安全，是设计和施工必须重视的问题。两相邻隧道最小净距视围岩级别、断面尺寸、施工方法、爆破震动影响等因素确定，本次工程由于条件受限，故设计考虑尽量将隧道间距用到较小，同时又能保证隧道安全。通过工程类比，初步拟定隧道净间距采用10m和15m两类方案。

1.有限元分析

施工采用双侧壁导坑法，施工阶段的计算按照施工工序的要求划分为以下22个施工步骤：

（1）先行隧道中夹岩柱小导管注浆加固；

（2）先行隧道弱爆破开挖2部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护及临时支护；

（3）先行隧道弱爆破开挖3部，并及时施作初期支护及临时支护；

（4）先行隧道弱爆破开挖4部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护及临时支护；

（5）先行隧道弱爆破开挖5部，并及时施作初期支护及临时支护；

（6）先行隧道弱爆破开挖6部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护；

（7）先行隧道弱爆破开挖7部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护；

（8）先行隧道弱爆破开挖8部，并及时施作临时支护；

（9）先行隧道弱爆破开挖9部，并及时施作初期支护；

（10）先行隧道拆除侧壁临时支护，并施作10部仰拱及仰拱填充；

（11）先行隧道铺设环向盲沟及防水板，并整体灌注11部分二衬砼；

（12）后行隧道中夹岩柱小导管注浆加固；

（13）后行隧道弱爆破开挖13部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护及临时支护；

（14）后行隧道弱爆破开挖14部，并及时施作初期支护及临时支护；

（15）后行隧道弱爆破开挖15部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护及临时支护；

（16）后行隧道弱爆破开挖16部，并及时施作初期支护及临时支护；

（17）后行隧道弱爆破开挖17部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护；

（18）后行隧道弱爆破开挖18部，并及时喷混凝土封闭掌子面和施作初期支护；

（19）后行隧道弱爆破开挖19部，并及时施作临时支护；

（20）后行隧道弱爆破开挖20部，并及时施作初期支护；

（21）后行隧道拆除侧壁临时支护，并施作21部仰拱及仰拱填充；

（22）后行隧道铺设环向盲沟及防水板，并整体灌注22部二衬砼。

2.位移场分析

矿山法施工中，围岩位移的变化是判断隧道围岩稳定性的最直接判据。本次计算中着重考察了各个工况下隧道拱顶的下沉位移及地表沉降量。

计算表明，对处于深埋段的V类围岩，拱顶的最大下沉位移为18.94mm，后行隧道的开挖对先行隧道的拱顶下沉量有一定的影响（16.8mm→18.9mm（平均值））。净距对拱顶下沉量的影响较小，10m净距工况位移稍大。

对处于浅埋段的VI类围岩，拱顶的最大下沉位移为25.97mm，后行隧道的开挖对先行隧道的拱顶下沉量有一定的影响（23.5mm→25.5mm（平均值）。净距对拱顶下沉量的影响较小，10m净距工况位移稍大。

对处于深埋段的V类围岩，地表的最大沉降量为5.36mm，出现在后行隧道二衬施作完成后。10m净距工况地表沉降稍大。

对处于浅埋段的VI类围岩，地表的最大沉降量为17.01mm，出现在后行隧道二衬施作完成后。10m净距工况地表沉降稍大。

对VI类围岩，两类净距情况下，洞周围岩应力最大值为1.57Mpa，后行隧道的开挖造成先行隧道周边围岩的应力最大增大0.04Mpa，增幅为2.6%。15m净距工况应力值和增幅均较小，与10m净距工况差别不大。

3.后行隧道对先行隧道二次衬砌内力的影响分析

3. 1二次衬砌结构计算

结构计算分施工期和使用期两阶段进行。施工阶段初期支护作为主要承载结构，使用阶段初期支护与二次衬砌共同承载。上节有限元计算分析的主要是施工阶段的力学行为，该阶段初期支护承担主要荷载；本节二衬计算主要是针对使用阶段，假定二衬分担相当部分的围岩压力，考虑了一定的安全储备。

基于前面有限元分析的结论，二衬计算中考虑了后行隧道开挖带来的对先行隧道的附加荷载，并且二衬计算以先行隧道来控制。

采用“SAP84”软件，按荷载—结构模式计算结构内力。计算中，初期支护和二次衬砌按一定比例分配围岩压力，分配比例则根据有关工程实例及相关资料并考虑一定的安全储备来确定。

V级围岩按深埋进行核算；VI级围岩最不利的内力出现在围岩浅埋（埋深在14～45m之间）的断面，计算值见表1。

3.2安全措施

（1）特别注意保护和加固中间岩柱

采取工程措施以防止两隧道中间岩柱失稳，是超小净距平行隧道成功的关键。对中间岩柱的加固可采用超前预加固和开挖过程中的补充加固的两次加固思路，以控制中壁围岩塑性区发展，保证施工的安全。

（2）对隧道结构予以加强

通过有限元分析的结果表明，对于先行隧道，后行隧道的施工将导致先行隧道所受内力增大，因此在结构上对于先行隧道二次衬砌进行加强；对于后行隧道，由于先行隧道的施工导致后行隧道周边围岩稳定性恶化，因此需对其初期支护进行加强。

（3）合理采用施工方法及工序安排

从有限元计算结果来看，初期支护所起作用相当明显。同时，每步开挖后要注意初期支护的及时施加，尽早封闭。特别的对VI类围岩，因为围岩变形持续时间较长，即稳定时间较长，临时支撑拆除后二衬支护跟进也应及时，防止产生过大变形，危害隧道整体稳定。

4.结语

（1）通过对10m和15m两个不同净距工况进行理论分析，从拱顶下沉和地表沉降方面看，10m净距工况地表沉降值稍大，相比15m工况最多增大6%，两类净距条件下围岩拱顶下沉的差别不大。从隧道洞周围岩应力情况看，分析结果与位移场的分析结果类似，两类净距下隧道洞周围岩应力水平相差不大，10m净距工况围岩应力值稍大。从两种工况条件下二衬内力计算结果看，其内力值相近，结构配置相同即可。

（2）通过数值计算，研究了后行隧道对先行隧道的影响。研究表明，后行隧道的开挖造成先行隧道周边围岩应力、支护结构内力、拱顶下沉量等均有一定程度的增加，其中内围岩应力和支护结构内力增加较为明显，最大分别增大6.6%和58.8%。另外对10m净距和15m净距条件下上述影响也进行了分析，结果表明，相对于15m净距方案，10m净距方案后行隧道施工对先行隧道影响较大，10m方案先行隧道的应力、支护结构内力增幅要比15m方案高出1.1%～2.7%。

（3）在小间距条件下，研究对V、VI级围岩段采用双侧壁导坑工法开挖进行模拟分析，结果表明，10m净距和15m净距条件下采用双侧壁导坑法分部开挖并辅以对应的加固措施均是可行的，均能较好地控制围岩变形。

综合来看，10m和15m两类净距方案力学条件上差别不大，尽管10m净距方案在应力场及位移场方面均会造成一定的增量，但这个增量不大，在采用双侧壁导坑法分部开挖并辅以相应的加固措施条件下，可以确保施工和运营安全。考虑到10m净距方案在用地、线间距布置等方面的优势，推荐采用10m净距方案。