超小净距隧道结构设计与施工稳定性分析

周鸿翔

文章依托某城市地下互通式隧道工程中一处超小净距隧道工程，对超小净距隧道的三种结构形式进行比选，研究确定了无中隔墙的超小净距隧道结构方案，采用锚杆注浆加固中夹岩柱并加强一次衬砌和微震预裂爆破技术的分步挖掘施工方案;利用有限元数值模拟超小净距隧道支护施工过程，得到其各个施工步序下围岩及支护结构应力、应变状态，分析其稳定性，优化并验证设计参数，有效指导设计与施工。

超小净距隧道;结构设计;中夹岩柱;数值模拟;稳定性分析

0 引言

随着城市地下空间的开发利用，建设地下互通式隧道成为道路互联互通，提高通行效率的有效手段之一。然而，匝道隧道逐渐与主线隧道分离，隧道由特大断面过渡为两个一般断面隧道，面临超小净距隧道的设计与施工难题，过渡段隧道结构及中夹岩柱的稳定性至关重要。在有限的地下空间内，超小净距段若按传统的单导洞或三导洞工法设计、施工中隔墙连拱隧道，虽然可以保证隧道衬砌及中隔墙的稳定性，但其施工工序繁杂、造价高、进度慢。针对中隔墙连拱隧道的缺点，有学者提出了无中隔墙连拱隧道及中夹岩柱超小净距隧道结构方案，较中隔墙连拱隧道优势明显，并在一些工程实践中得到成功应用：如西部大通道黄陵至延安段羊泉沟隧道、云南平文高速公路土基冲隧道在超小净距段采用无中隔墙连拱隧道结构方案;福州烟台山隧道工程的超小净距段（净距为5.5 m）采用加固中夹岩柱的超小净距隧道结构方案等。已建成的类似工程案例多为双线平行的小净距隧道，净距为定值或净距是连拱隧道中隔墙厚度的数倍。

本文依托工程为地下互通式隧道工程，由单洞过渡到超小净距段双洞隧道，因地下作业空间局限，超小净距段隧道净距受隧道特大断面制约，最小净距仅1.04 m且为渐变段，与前述工程案例有所不同，设计、施工面临更大的挑战。超小净距隧道（中夹岩柱仅1.04 m）开挖引起围岩发生松弛、变形的程度与中夹岩柱的稳定性及承载力，直接关系到隧道围岩能否形成承载拱，决定了超小净距隧道结构设计方案的可行性及施工的安全性。文章对超小净隧道三种结构形式进行比较，提出对中夹岩柱进行注浆加固，采用微震爆破技术、分步开挖的方案，通过有限单元法数值计算分析，获得超小净距隧道结构及围岩的应力、应变特征，分析隧道设计结构施工过程中的稳定性，优化验证设计参数并指导施工，实现超小净距隧道工程的快速、安全施工。

1 工程概况

依托工程为城市地下互通立交式隧道，主线隧道为双车道，建筑限界净宽为10.0 m，高为5.0 m;匝道为单车道，限界净宽为7.0 m，高为5.0 m。匝道隧道从主线隧道分流形成分岔式隧道，在分流鼻前端为23.5 m宽的特大断面隧道，在分流鼻后端为超小净距段隧道，隧道净距由1.04 m渐变分开至双洞分离式隧道。该段纵向长约60 m，其中超小净距段长10 m，分岔特大断面段长17 m，分岔大断面段长36 m。本文主要以超小净距段为研究对象。超小净距段隧道平面及横断面设计如图1所示。

超小净距段隧道穿越地层主要为：散体状强风化凝灰岩、碎裂状强风化凝灰岩、中风化凝灰岩等。地下水渗流主要受地形、地貌及地质构造控制。地下水类型主要为孔隙潜水、裂隙潜水，赋存和运移于风化基岩及破碎带裂隙之中。隧道围岩级别以Ⅳ级为主。隧址区地震加速度值为0.15 g，设计抗震设防烈度为Ⅶ度。

2 超小净距隧道结构形式、设计参数及施工步序

2.1 超小净距隧道结构形式

超小净距隧道结构根据其施工工法、中隔墙（中夹岩柱）设置情况可分为中隔墙连拱隧道、无中隔墙连拱隧道、中夹岩柱超小净距隧道等三种结构形式（如图2所示）。

中隔墙连拱隧道可分为复合式中隔墙和整体式中隔墙两种类型。无论采用何种中隔墙形式，均需中导洞施工浇筑中隔墙后，才能进行左右主洞施工。相较于独立的双洞隧道设计与施工，其工序繁杂，左右洞前后错开施工，中隔墙反复受力扰动，工期长，造价高，运营期病害较多，在地下互通式非对称连拱隧道中尤为突出。地下互通施工空间狭窄，且隧道之间净距逐渐变化，由分流鼻前端特大断面隧道过渡到中导洞或三导洞工法的连拱隧道，施工较为困难。

无中隔墙连拱隧道与中夹岩柱超小净距隧道的区别在于双洞之间是否保留并利用中夹岩柱。无中隔墙连拱隧道施工过程将中夹岩柱爆破挖除，而后采用高强度喷射混凝土或浇筑混凝土替换中夹岩柱，并加强双洞之间的侧墙及拱脚结构，两隧道间喷射混凝土结构的强度及钢架连接的可靠程度，决定了施工期间的安全性、稳定性。超小净距隧道施工过程需保留中夹岩柱，采用微震爆破技术，减小扰动破坏，并设置注浆加固、对拉锚杆等加固措施。这两种结构方案均较中隔墙连拱隧道施工简单、工期短、造价低，根据地质条件不同，各有其适用性。当围岩强度不高，属松散土体或软弱围岩，岩体中夹岩柱无法自稳，即使通过注浆加固等措施也无法满足强度及稳定性要求时，可考虑用混凝土替换中夹岩柱，采用无中隔墻连拱隧道;当中夹岩柱围岩强度较高，属较硬岩，具备一定的自稳能力，通过注浆、锚杆加固后，整体性较好时，则可考虑采用中夹岩柱超小净距隧道。

2.2 超小净距隧道结构设计参数

文章依托工程属地下互通式立交，分岔式超小净距段隧道位于Ⅳ级围岩段，节理裂隙发育，岩体具备一定的强度，隧道由超小净距渐变至分离式隧道，不具备贯通中导洞及施工中隔墙条件，因此采用中夹岩柱超小净距隧道结构形式。超小净距隧道段两主洞净距由1.04 m至5 m渐变。设计采取对中间岩柱锚杆注浆加固、加强初期支护等措施加固中夹岩柱，采用微震控制爆破技术，爆破振动速度标准按V≤2.5 cm/s控制，在两主洞隧道靠近中夹岩柱一侧设置预裂爆破减震孔，减小对中夹岩柱、初期支护结构的损伤。超小净距段隧道衬砌结构断面如图3所示。

隧道结构设计参数为：主线隧道模筑衬砌采用50 cm厚模筑C30钢筋混凝土结构，初期支护采用25 cm厚C25喷射混凝土，间距为75 cmⅠ18型钢，挂网喷锚防护;匝道隧道模筑衬砌采用45 cm厚模筑C30钢筋混凝土结构，初期支护采用23 cm厚C25喷射混凝土，间距为75 cmⅠ16型钢，挂网喷锚防护。中夹岩柱厚度1.04 ～5 m，采用32 mm自进式锚杆，注浆加固。

2.3 超小净距隧道施工步序

超小净距段施工前，先对特大断面隧道堵头墙进行喷锚封闭加固，将匝道隧道作为先行洞，采用全断面法先期开挖，待先行洞初期支护闭合，仰拱回填后，再进行后行洞（主洞）施工，采用台阶法施工。前后保持施工安全步距，施工全程进行爆破振动监测，实时掌控爆破振速≤2.5 cm/s，严格控制单次起爆药量，在中夹岩柱开挖边沿设置预裂爆破减震孔。超小净距段隧道施工步序如图4所示。

3 数值模拟分析

3.1 计算分析理论及荷载释放系数

现有的研究成果认为对于地下工程的结构分析，在3～5倍洞径范围以外开挖引起的应力重分布影响较小。取开挖断面在3～5倍洞径范围地层，建立隧道施工过程有限元模型，对施工过程中围岩和结构的变形和受力进行计算分析，可满足工程需求。在半无限地层中，隧道结构属于纵向轴对称结构，不考虑纵向变形位移，其属于平面应变问题。

围岩采用平面应变单元，围岩材料的本构关系采用Drucker-Prager模型。Drucker-Prager模型的屈服准则是对Mohor-Colomb屈服准则的近似值，屈服面并不随着材料的逐渐屈服而变化，屈服准则的表达式如式（1）：

F=3σm+12{S}T[M]{S}12-σy=0  （1）

对于Drucker-Prager模型材料，当材料参数β和σy为定值时，屈服面为锥形表面，其是正六边形Mohor-Colomb准则屈服面的外切锥面，如图5所示。

当根据弹塑性问题建立平面应变模型来模拟隧道施工过程时，为反映围岩的时空效应以及施工过程的步序，根据工作条件逐渐释放地应力。在ANSYS软件中，可实现连续工作条件的计算，应用“施加虚拟支撑力逐步释放法”，依次在开挖边界施加一定比例的支撑荷载，模拟洞周位移的释放效应。利用单元的“生死”功能，“杀死”开挖的围岩单元，“激活”支护结构单元，简便有效地模拟隧道的开挖和支护过程。

计算方案按照施工过程，分为以下步序及相应荷载释放系数：（1）计算初始应力场;（2）匝道隧道开挖，该部分荷载释放25%;（3）匝道隧道施工初期支护，荷载释放至70%;（4）主洞开挖，该部分荷载释放25%;（5）主洞隧道施工初期支护，并加固中夹岩柱，荷载释放至70%;（6）匝道隧道施工二次衬砌，荷载释放至100%;（7）主洞隧道施工二次衬砌，荷载释放至100%。

3.2 计算模型及相关参数

超小净距段匝道隧道先行洞开挖后，引起应力重分布;后行隧道在扰动过的地层内掘进及后行隧道的爆破开挖震动也会对先行隧道产生影响，引起地应力的再次重分布。两者相互影响，加剧了设计与施工的难度。本次计算通过有限元数值分析方法，选取超小净距段两隧道断面建立模型，隧道间净距为1.04 m，重点研究各施工步序下，周边围岩、中夹岩柱及支护结构应力、应变状态以及塑性区分布范围，分析判断中夹岩柱及支护结构的承载力及稳定性。考虑计算精度及速度，计算模型宽度取3倍洞室开挖宽度，底部取3倍洞室高度，上部取至地表，模型总宽度为250 m，高为200 m。计算模型的边界条件为：底部约束垂直位移，两侧约束水平位移。计算中围岩、喷射混凝土、二次衬砌均采用平面单元模拟，系统锚杆采用杆单元模拟。模型共有11 006个节点、272个杆单元、14 619个平面单元，采用弹塑性模型进行分析，初始地应力主要考虑自重应力，未考虑地层构造应力。有限元计算模型如图6所示。围岩和支护结构的参数取值如表1所示。

3.3 计算分析结果

分析最终荷载步计算结果，后行隧道开挖后，中夹岩柱σ3应力极值为-1.8 MPa，σ1应力极值为-0.19 MPa。开挖侧墙壁出现小范围塑性区，数值很小，深度较浅，对中心岩柱的稳定性影响有限。地层竖向方向位移最大值出现在后行隧道拱顶及仰拱处，拱顶下沉仰拱隆起，最大值为3 mm，周边地层未出现塑性区，地层水平方向收敛变形较小。系统锚杆轴力最大值为15 kN，中墙锚杆轴力最大值为6.7 kN，锚杆轴力以受拉为主，均小于锚杆抗拔力。在拱顶部位30°～45°范围锚杆加固效果明显，该区域设计施工过程可采用长锚杆。两侧边墙以下锚杆受力较小，该区域可适当优化锚杆长度及数量。二次衬砌结构σ3应力极值为-3.67 MPa，主要分布于先行隧道拱脚内侧;σ1应力极值为0.26 MPa，主要分布于后行隧道仰拱内侧。衬砌结构在拱脚，即仰拱与边墙过渡的地方，出现一定的应力集中，但应力极值小于C30钢筋混凝土强度设计值，衬砌结构仍处于弹性状态，衬砌结构满足承载力及稳定性要求。在拱脚附近出现应力集中，该区域应适当加大衬砌结构厚度，初期支护注意锁脚锚杆注浆加固。最终计算结果如图7～16和表2所示。

由图7～16和表2可知，随着开挖和支护的推进，地层应力逐步释放，中夹岩柱第一主应力极值变化不显著，第三主应力极值由-1.07 MPa逐步增大至-1.8 MPa，塑性区由匝道拱脚转移至主洞侧墙及拱脚，塑性区分布范围很小，未出现急剧扩展。中夹岩柱位移由小逐步变大，匝道开挖后，隧道两侧收敛变形，主洞开挖后，中夹岩柱受力逐渐平衡。随着支护结构的施作，最终水平位移为0.65 mm，说明中夹岩柱能够基本保持稳定，满足施工安全要求，采取的加固措施有效。施工过程应注意确保拱脚及侧墙的施工质量，塑性区的发展应通过中夹岩柱注浆加固加以控制。

4 结语

通过对超小净距隧道三种结构形式的比较，结合依托工程的特点，确定了采用中夹岩柱超小净距隧道方案，采取锚杆注浆加固、加强初期支护等措施，利用微震爆破技术分步开挖。在地下互通式隧道由单洞过渡渐变到双洞隧道，避免连拱隧道工序转换繁琐、进度慢、造价高的不足，成功实现超小净距隧道（净距仅1.04 m）的快速、安全施工，节省工程投资，保证了工程建设的进度。

针对超小净距隧道中夹岩柱复杂的内力状态，采用有限元数值模拟分析超小净距隧道结构支护参数的合理性及施工稳定性，得到各施工步驟下围岩及支护结构应力和应变状态，从而指导设计与施工。结果表明：隧道拱脚处应力集中，需加强拱脚处支护结构参数，提高锁脚锚杆数量并保证其施工质量;拱顶及中夹岩柱边墙以上范围系统锚杆加固效果明显;采用中夹岩柱注浆加固措施，控制爆破技术，使中夹岩柱具备较好的稳定性、安全性;结构设计合理可行，施工过程结构稳定性良好，为以后岩质地层类似工程施工提供了经验。

[1]张顶立，陈立平，房 倩，等. 小净距隧道中央岩墙稳定性分析及其应用[J]. 北京交通大学学报，2016，40（1）：1-11.

[2]章慧健，仇文革，冯冀蒙. 小净距隧道夹岩力学特征分析[J]. 岩土工程学报，2010，32（3）：434-439.

[3]刘 芸，周玉兵. 软岩小净距隧道中夹岩柱分区及加固方法研究[J]. 地下空间与工程学报，2013，9（2）：385-391.

[4]李海军，张万斌，王明年. 隐式中墙连拱隧道平行中隔壁工法设计与分析[J]. 铁道标准设计，2015（9）：118-121.

[5]匡 伟，张 霄，左金鑫，等. 超小净距隧道土质中隔岩柱稳定性分析[J]. 施工技术，2017，46（12）：1 090-1 093.

[6]张希禹. 小净距隧道后行洞爆破开挖对先行洞初支的影响研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2015.

[7]谭 坤. 公路小净距隧道安全控制关键技术研究[D]. 成都：西南交通大学，2010.