高速公路小净距隧道施工技术研究

唐国军，陈人豪，周　祥

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



高速公路小净距隧道施工技术研究

唐国军，陈人豪，周祥

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

摘要：小净距隧道左右洞间净距小，施工中相互影响大，容易造成围岩失稳特别是中夹岩层的破坏。文章以桂林至三江高速公路第二合同段达海隧道为工程实例，通过二维数值模拟，分析了采用台阶法、环形开挖留核心土法、反CD法、CD法等四种施工方法进行小净距隧道开挖时的围岩位移、应力及塑性区特征，并结合现场监控量测情况，提出了合理的设计和施工工艺。

关键词：小净距隧道；数值模拟；位移；应力；塑性区；监控量测；施工

0引言

高速公路建设中频繁遇到隧道工程，受特殊地质及地形条件、水文、桥隧衔接、路线线形等因素的限制，多采用小净距隧道或连拱隧道等特殊结构型式。与连拱隧道造价高、工期长、养护费用高等缺点相比，小净距隧道能较好地解决连拱隧道以上存在的问题，取得良好的技术经济指标，具有显著的经济、社会、环境效益。刘艳青、钟世航等[1]以宁波招宝山隧道为依托，对小净距隧道进行

了数值模拟，分析了围岩的应力和塑性区分布，并把计算结果与现场实际量测结果进行了对比；胡元芳[2]采用数值方法计算了不同围岩级别、不同净距下双线隧道围岩的破坏区、应力场分布情况，并对厦门仙岳山隧道进行了数值计算，并与现场量测结果进行了对比分析；张永兴等[3]采用强度折减弹塑性有限元方法，计算了在不同净距情况下隧道的安全系数，并将安全系数突变时的净距作为合理净距；晏启群、何川等[4]采用三维快速有限差分法，对软岩小净距隧道进行开挖分析，提出合理的开挖方法及重点关注的薄弱环节、工程措施。目前国内对小净距隧道的研究很多，取得了不少有益的结论，但由于我国小净距隧道建设起步较晚，目前依然存在设计支护参数保守、缺乏施工工法等情况，因此有必要结合工程实际进行研究，以优化设计和施工工法，提升我国小净距隧道设计和施工水平。本文以桂林至三江高速第二合同段达海隧道为项目依托，通过有限元分析，对CD法、反CD法、环形开挖留核心土法、台阶法四种施工方法施工中隧道围岩(特别是中夹岩层)的变形、应力、塑性区进行分析，结合现场施工情况，提出合理的设计和施工工艺。

1模型建立

本项目工程段以黏土、强风化砂岩为主，裂隙发育。根据现场实际情况，选取的计算模型尺寸为：120×82 m(宽×高)，隧道开挖洞径B=13.6 m，洞高H=10.65 m，双洞净距7.49 m，隧道埋深20 m，属于浅埋，如图1所示。围岩采用平面应变单元，喷射混凝土采用梁单元，锚杆采用植入式桁架。模型左右侧面和底部约束，顶部为自由边界。对比开挖方法的开挖顺序见图2，计算参数见表1。

表1　计算参数表

图1　整体模型图

图2　开挖顺序图

2计算结果分析

通过数值模拟隧道开挖，可以得出CD法、反CD法、环形开挖留核心土法和台阶法四种施工方法进行开挖过程中引起围岩应力、应变、位移的变化，从而可以得知哪种开挖方法对围岩的扰动小，有利于围岩稳定。有了这样的结论之后，就可以定性地判断每一种开挖方法的优劣性，并根据数值模拟的结果，找出应力、应变、位移大的地方，进行提前加固、及时支护，优化设计。

2.1位移分析

从小净距隧道单洞、双洞开挖后的地表沉降曲线(如图3、图4所示)可以看出：左洞开挖造成地表沉降偏向于左侧，且数值较小；随着开挖右洞后，地表沉降曲线逐步往右偏移，最终地表沉降最大值在中夹岩层中线位置出现，曲线与中夹岩层中线对称分布。左洞开挖造成地表沉降较小，右洞开挖再次扰动围岩，地表沉降就相应的增大很多。由地表沉降曲线可得，台阶法和环形开挖留核心土法开挖地表沉降最大，反CD法次之，CD法则能减少对围岩扰动，更好地控制围岩变形。由图5小净距隧道开挖各拱顶沉降曲线可知：左洞开挖对自身沉降影响大，对右洞围岩也产生扰动，但扰动较小，故右洞拱顶这个阶段沉降小；右洞开挖后自身沉降马上增大，对左洞围岩产生了再次扰动，左洞拱顶沉降随着右洞开挖逐渐增大。总体上看四种施工方法开挖都是右洞拱顶沉降大于左洞的，这是由于左洞在右洞开挖前已经进行了及时支护，限制了围岩变形；台阶法由于一次开挖跨度大，虽然对围岩扰动次数少但其扰动强度大，所以台阶法开挖拱顶沉降大于其他三种开挖方法产生的沉降。图6～9为四种施工方法左右洞开挖完成后，形成的竖向位移云图，结合具体查询数值可以从中得出以下结论：围岩变形近似于对称分布，右洞范围围岩变形数值稍微大一点；隧道拱顶沉降变形最大，底部隆起值最大；中夹岩层中上部变形比较大，需要进行加固处理。根据计算结果，得出中夹岩层在隧道左右洞开挖过程中横向变形发生了左右移动，数值虽然不大，但应引起重视，由于篇幅有限，并未列出隧道的横向位移云图。综上所述，可以得出在控制小净距隧道开挖围岩变形方面，CD法比反CD法、环形开挖留核心土法、台阶法更有优势，能够控制围岩变形。根据对小净距隧道位移的计算结果，在进行小净距隧道设计、施工时应做到：开挖进尺小，围岩支护和仰拱施做要及时，封闭成环，限制围岩变形；对中夹岩层中上部进行预加固。

图3　左洞开挖后地表沉降曲线图

图4　双洞开挖后地表沉降曲线图

图5　小净距隧道开挖各拱顶沉降曲线图

图6　台阶法竖向位移云图

图7　环形开挖留核心土法法竖向位移云图

图8　反CD法竖向位移云图

图9　CD法竖向位移云图

2.2应力分析

图10～17分别是台阶法、环形开挖留核心土法、反CD法、CD法四种施工方法开挖下的最大、最小主应力，用来评价隧道施工开挖对围岩的影响情况。从图中可以看出，各施工方法开挖下的围岩应力主要集中在拱顶和仰拱底部，左右洞拱顶、仰拱的主应力大致相同。台阶法、环形开挖留核心土法拱顶拉应力比较大，而反CD法、CD法拉应力主要集中在仰拱底部，总体上看是由于开挖模拟支护及时，各施工方法均未出现太大的应力集中区。从以往众多小净距隧道施工情况上看，会发现中夹岩层的稳定至关重要，是整个施工过程中的重点，在此可重点关注一下中夹岩层的受力情况。从各施工方法的应力云图中，中夹岩层位置颜色较深，再跟旁边图例对照可以发现中夹岩层中部压应力比左右洞围岩应力要大，其上部出现一定的拉应力。这是由于小净距隧道左右洞开挖，两次扰动中夹岩层，使其受力复杂。因此，在设计中应重点对中夹岩层进行加强支护设计；在施工中对Ⅴ级围岩应以人工或机械开挖为主，辅以弱爆破开挖，并对中夹岩层进行预注浆、施做锚杆等措施进行加固，改善其受力状态。CD法开挖扰动中夹岩层产生的应力比台阶法、环形开挖留核心土法、反CD法开挖产生的应力要小很多，体现了其在控制中夹岩层应力上的优越性。

图10　台阶法最大主应力云图

图11　环形开挖留核心土法最大主应力云图

图12　反CD法最大主应力云图

图13　CD法最大主应力云图

图14　台阶法最小主应力云图

图15　环形开挖留核心土法最小主应力云图

图16　反CD法最小主应力云图

图17　CD法最小主应力云图

2.3塑性区分析

小净距隧道开挖后，围岩在空间上所受约束减少，这样围岩中某一斜截面上剪应力超过临界值，就会在这个位置发生剪切破坏。根据隧道开挖后应力和塑性区的分布情况，可以定性判定围岩的破坏机理[5]。对比台阶法单洞和双洞开挖完塑性区(图16、17)分布，可知单洞开挖完后塑性区已经有了一定的发展，主要集中在拱腰、拱脚位置，双洞开挖完后左右洞塑性区分布位置大致相同，右洞范围比左洞大一些。塑性区分布在拱脚、拱腰位置，主要是因为支护是分部进行的，开挖上台阶支护就跟到上台阶，围岩应力就首先在拱腰位置集中；开挖下台阶支护施做以后，围岩应力由初支传递到拱脚位置，形成应力集中。从图18～21台阶法、环形开挖留核心土法、反CD法、CD法塑性区云图中可知：台阶法开挖产生的塑性区范围最大，塑性应变最大，中夹岩层塑性区范围最大；环形开挖留核心土法与台阶法相比塑性区要小很多，这是由于核心土的存在，控制了塑性区的发展；CD法开挖产生的塑性区范围最小，塑性应变最小，中夹岩层塑性区范围最小；CD法开挖对围岩扰动程度小，能保证围岩稳定。本次模拟的小净距隧道中夹岩层厚度为7.49 m，四种施工方法开挖中夹岩层都没有形成通透的塑性区，说明了必须保证有足够的中夹岩层厚度，保证其稳定，在厚度不足的情况时应加强预加固，防止中夹岩层发生破坏。因此，在设计中应在拱腰、拱脚位置对钢拱架进行加强拱脚稳定设计，对中夹岩层进行加固设计；施工中应严把施工质量，防止拱脚下沉和中夹岩层破坏。

图18　台阶法塑性区云图

图19　环形开挖留核心土法塑性区云图

图20　反CD法塑性区云图

图21　CD法塑性区云图

3工程应用

达海隧道为双向四车道小净距隧道，最小净距为7.49 m，单洞跨度13.6 m，左右线长度为Z3K57+218～Z3K57+393，K57+217～K57+400，左洞长175 m，右洞长183 m。左右洞进出口各有一段长约50 m的Ⅴ级围岩。按设计要求，采用CD法对洞口Ⅴ级围岩段进行施工，施工中加强监控量测，取进口左洞Z3K57+238、右洞K57+238附近断面的地表及拱顶监控量测数据见表2、表3，可知地表沉降、左洞拱顶沉降一开始发展很快，这是由于支护不及时，拱脚落脚不稳，施工中根据监控量测数据，及时增设锁脚锚杆、拱脚注浆等加强拱脚措施，沉降很快得到控制；右洞开挖时支护及时，加强了拱脚措施，沉降变化不大。以往设计中采用预注浆和预应力对拉锚杆对中夹岩层进行加固，由于隧道空间不足，施工工艺要求高，施工设备不全等原因造成预应力对拉锚杆施工质量差，起不到应有的效果；本工程根据实际情况，优化设计，采用中空注浆锚杆代替预应力对拉锚杆，施工中很好地保护了中夹岩层，安全、稳定掘进。

表2　达海隧道进口端Z3K57+238～

表3　达海隧道进口端洞口Z3K57+238～K57+238

4结语

通过四种施工方法的计算分析表明：采用CD法进行小净距隧道开挖有利于控制围岩变形，保证围岩稳定；建议在达海隧道Ⅴ级围岩段施工中严格按CD法进行施工。根据数值模拟结果，小净距隧道施工过程中要密切关注拱顶、拱脚位置的稳定，加强拱脚；中夹岩层应力集中，塑性区范围大，施工中应采用预注浆、施做中空注浆锚杆等方式进行加固，改善其受力状态。对于洞口浅埋偏压情况，施工中应控制进尺，及时支护，加强施工质量。在达海隧道Ⅴ级围岩段施工中，以上建议及施工工艺均在施工中取得了良好的效果。

参考文献

[1]刘艳青.小净距并行隧道力学状态的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2000(9)：590-594.

[2]胡元芳.小线间距城市双线隧道围岩稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(9)：1335-1338.

[3]张永兴.基于强度折减法小净距隧道合理净距的研究[J].水文地质工程地质，2006(3)：64-67.

[4]晏启祥.软岩隧道施工特性及其动态力学行为研究.[J].岩石力学与工程学报，2006，25(3)：98-103.

[5]葛玉芹.六潜高速小净距隧道施工方法及合理净距的数值模拟研究[D].合肥工业大学，2008.

Study on Construction Technology of Expressway Small-interval Tunnel

TANG Guo-jun，CHEN Ren-hao，ZHOU Xiang

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：Small-interval tunnel has small spacing between left and right holes，with large mutual influence during the construction，which is likely to cause instability in the surrounding rocks especially the dam-age of middle rock-layer.Taking Dahai Tunnel in the second contract section of Guilin-Sanjiang Expre-ssway as engineering example，and through two-dimensional numerical simulation，this article analyzed the characteristics of surrounding rock displacement，stress and plastic zone during small-interval tunnel excavation by using four construction methods，i.e.step method，circular excavation method with reser-ving the center soil，anti-CD method，and CD method，and then combined with on-site monitoring measurement situation，it proposed the reasonable design and construction process.

Keywords：Small-interval tunnel；Numerical simulation；Displacement；Stress；Plastic zone；Monitoring measurement；Construction

收稿日期：2015-12-05

文章编号：1673-4874(2016)01-0041-07

中图分类号：U455

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.010

作者简介

唐国军(1974—)，高级工程师，主要从事公路桥梁、隧道勘察设计科研工作；

陈人豪(1990—)，助理工程师，主要从事公路隧道勘察设计科研等相关工作；

周祥(1987—)，工程师，主要从事公路桥梁、隧道勘察设计研究工作。