不等跨小净距隧道施工力学分析与应用

董 梁

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018）

1 引言

在国内外研究中，关于小净距隧道之间施工相互影响的研究有很多[1-2]，但对于两小净距隧道不等跨的研究极少。相关文献有:以有限元软件为基础，从变形特性、塑性区分布及施工方法与工序的角度，得到优化的不等跨小净距隧道施工顺序，同时对不同开挖方法进行对比[3-4]；分岔隧道的施工关键技术进行详细的描述与探究[5-6]；从周边围岩位移、塑性区的分布及支护结构的内力等方面，明确保证施工安全稳定时，先施工小跨度隧道更合理[7]。

在不等跨小净距施工力学方面的研究中，提出围岩压力计算方法，同时利用数值模拟及相似性试验，对施工过程中的围岩变形及支护内力进行探究，总结其施工时的规律及特征，对施工有一定指导意义[8]；提出围岩压力计算公式，并将理论结果同实际工程监测做对比[9]。针对城市地区浅埋非对称小净距隧道施工时对城市地表变形的影响，分别从施工顺序及支护结构内力等方面进行研究[10-12]。

本文则针对不等跨小净距隧道施工时相互影响方面进行研究，以大横琴山一号隧道里程YK1+115断面为模型蓝本，建立二维数值模型，其中主线断面最大开挖宽度14.10 m，而匝道断面最大开挖宽度12.34 m，且两断面间距为10.02 m。本文使用有限元模拟软件，分析不等跨小净距隧道施工时相互影响，并研究不同围岩条件下的相互影响规律，进一步分析不同施工工序的影响。

2 数值模拟分析

2.1 有限元参数的选取

本模型基于大横琴山一号隧道分叉段，根据大横琴山工程地勘说明书，选取表1所示参数设计值，土体本构选取摩尔库伦本构，支护结构及锚杆以弹性模型模拟。

2.2 模型的建立

创建二维平面模型模拟土体结构；创建梁单元模拟锚杆及支护结构；对土体模型下部边界的竖向及横向进行约束，对左右边界的横向进行约束，主线与匝道采用台阶法不同时开挖。

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 位移分析

如图1、图2所示，后开挖隧道施工后，先开挖隧道围岩会产生二次变形，所以对后开挖隧道(即主线）时，需要对同断面匝道处进行监测，防止出现不利情况；同时因主线断面略大于匝道断面，因此主线上方竖向位移较大，所以不等跨小净距隧道施工时，断面较大的隧道上方位移较大；但对于地表沉降来说，主线开挖使地表沉降量整体增大，而最大沉降处位于两洞中间略偏向主线方向处，因此监控量测时需要注意两洞中间地表沉降量。

图1 特征线竖向位移曲线

图2 地表沉降曲线

小净距隧道施工时的关键在于中夹岩柱的稳定。为分析中夹岩柱变化特点，采集中夹岩柱中间线位移值，提取水平及竖向位移，如图3所示。围岩位移在竖向方向上呈现明显的上部下沉、下部隆起的特征，而B特征线上的竖向位移则相对较小，普遍小于0.2 mm，这就要求中夹岩柱有一定的抗压能力。从水平位移来看，虽然值较小，普遍小于0.5 mm，但是从位移分布规律可以看出，由于洞室开挖，中夹岩柱向两隧道方向膨胀，这对中夹岩柱的稳定性也有一定影响，而从B特征线水平位移来看，中夹岩柱并非在断面较大的大跨度隧道侧水平位移大，而是在小跨度隧道侧的水平位移加大，所以在加固时应该注意小跨度侧的水平方向加固。

图3 中夹岩柱水平位移

2.3.2 主应力分析

隧道开挖后引起的最大和最小主应力见图4、图5。

图4 最大主应力云图

(1）拱脚与两隧道间的中夹岩柱存在应力集中区，施工时锁脚锚杆与中夹岩柱支护要保证质量，注意其稳定性，防止该部分发生破坏。

(2）后面开挖的隧道会造成前面先行开挖隧道应力集中影响范围扩大，其中小跨度隧道处的应力集中更明显，其最大、最小主应力值更大。因此在施工中需要着重对匝道段进行监测，防止失稳。

图5 最小主应力云图

2.3.3 支护结构轴力、弯矩分析

对支护结构各特征点轴力弯矩进行提取，各特征点位置如图6所示。从表2中可以看出小跨度隧道上各特征点的轴力值比主线上轴力值较小，而弯矩值却较大；对比匝道与主线内外侧的轴力值，可以看出，匝道上⑥、⑦、⑧号点的轴力值比②、③、④号点的轴力值大，而主线上却正相反，②、③、④号点的轴力值比⑥、⑦、⑧号点的轴力值大，说明无论是匝道还是主线，在靠近中夹岩柱侧的支护结构上轴力较大。因此在施工支护结构时，对支护结构进行监控，保证施工安全进行。

表2 主线与匝道各断面轴力及弯矩值

图6 各特征点位置

2.4 不同围岩级别下对比分析

从表3中位移对比可以看出由于围岩条件的变差，隧道周边位移明显变大，可以看到匝道断面从Ⅲ级围岩与Ⅳ级围岩拱顶沉降相对偏差为28.77%，Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩拱顶沉降相对偏差为46.48%，同样主线断面从Ⅲ级围岩与Ⅳ级围岩拱顶沉降相对偏差为28.04%，Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩拱顶沉降相对偏差为43.55%，在同等围岩级别对比，匝道与主线相对偏差一致，而Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩明显比Ⅲ级围岩与Ⅳ级围岩的相对偏差大，所以随着围岩条件的变差，会对周边位移产生更不利的影响，在支护时需要针对弱围岩加强支护；但在Ⅲ级围岩条件，匝道与主线绝对偏差为0.38 mm，相对偏差为14.62%，Ⅳ级围岩条件为0.48 mm与13.87%，Ⅴ级围岩条件为0.59 mm与10.80%，围岩条件越差绝对偏差越大，因此在围岩变差时，匝道与主线隧道周边位移差距增大，在必要时需要进行不对称支护，同时围岩越差，两隧道互相影响越明显。

表3 不同围岩级别位移对比mm

2.5 不同开挖顺序对比分析

为了对比不同开挖顺序的影响，根据大横琴山隧道的工程实际，设定两种开挖方式:方式1为先开挖小跨度匝道；方式2为先开挖大跨度主线。如图7匝道与主线拱顶沉降所示，主线普遍比匝道的拱顶沉降大，对比两种开挖方式可以看到，虽然两种开挖方式拱顶沉降大致相等，但匝道断面在使用方式2开挖时拱顶沉降较大，而主线断面在使用方式1时拱顶沉降较大。因此从位移来看，在开挖不等跨隧道时，先开挖小跨度断面较好。

图7 拱顶沉降曲线

图8为隧道匝道段拱顶沉降监测图，图中为匝道段3断面在主线隧道未施工情况的拱顶沉降时程曲线，图中最大位移为10 mm左右，而一般情况位移为5 mm左右，因此使用先匝道后主线施工方式施工时隧道处于安全状态。其拱顶沉降监测值见表4及表5。

图8 拱顶沉降监测曲线

表4 11月份A匝道拱顶沉降监测数据汇总

表5 12月份A匝道拱顶沉降监测数据汇总

3 隧道施工优化调整与机械化施工

根据以上模型数据分析结论及时调整施工方案。

(1）优选开挖顺序。调整施工顺序，将原定的优先开挖主线的方案调整为优先开挖匝道部分，确保减少周边围岩扰动，降低施工风险。

(2）调整爆破参数。针对临近段落调整爆破参数，加密周边眼的数量，减少装药量，优化爆破顺序，提高爆破效率；对超欠挖进行严格控制，减小对岩体扰动，保证施工安全。

(3）采用先进装备。通过使用三臂凿岩台车、拱架支立台车、自动喷浆机等先进工装设备提高施工效率，紧跟支护施工，防止围岩变形过大，提高施工安全。

4 结论

(1）开挖不等跨小净距隧道后，大跨度断面隧道上部位移较大，同时其地表沉降极值位于隧道中间偏向大跨度隧道处。但从应力分布来看，在施工时需要着重对小跨度隧道进行监测，同时需要注意两隧道内侧的支护结构的监控量测。

(2）中夹岩柱在小跨度隧道侧的水平位移较大，因此在支护时，增加小跨度隧道侧中夹岩柱的水平方向支护。

(3）对比不同围岩条件变形受力特性，较弱围岩条件施工时，需要进行不对称支护，同时先施工小跨度隧道较优。

(4）通过提前进行模型模拟与后续施工验证，优先开挖匝道有利于减少围岩变形，能有效地降低施工风险；同时利用先进设备，可以加快施工进度，保证施工安全，为今后类似不等跨小净距隧道施工提供成功案例。