多孔小净距隧道施工围岩稳定性分析

卢晓颖

(平潭综合实验区交通投资集团有限公司，福建 平潭 350400)

小净距隧道是介于分离式隧道与连拱隧道之间的一种隧道布置形式。随着交通基础设施建设的迅猛发展，小净距隧道因其利于公路整体线形规划和线路优化、节约建设用地等优点，已在各类公路、铁路隧道工程中得到广泛运用。与常规分离式隧道相比，小净距隧道先行洞和后行洞之间相互影响较大，尤其在软弱围岩等不利条件下，有可能诱发围岩失稳，甚至支护破坏等安全问题。

目前，许多学者通过数值模拟、现场监测、试验研究等方法对小净距隧道围岩稳定性开展了深入研究。刘明才[1]针对大断面小净距隧道的围岩荷载模式展开数值研究，指出后行洞施工对先行洞存在不利影响。Bai et al[2]采用数值模拟方法，基于正交设计原理，探究了双不对称压力下浅埋小净距隧道围岩压力的影响因素。龚建伍[3]建立不同跨度小净距隧道的有限元数值模型，对隧道施工过程中的力学特征及围岩稳定性进行了对比分析。王玨[4]采用数值分析方法，对浅埋双侧偏压小净距隧道开挖过程中围岩变形和支护结构受力特性进行了深入研究。杜帅[5]依托实际工程，在室内试验的基础上建立了节理围岩小净距隧道数值模型，研究了该类隧道的施工力学特性，并对其支护方法进行优化。张国华[6]依托大帽山隧道改扩建工程，基于长期位移及围岩压力监测数据，研究了复杂地质条件下大断面小净距隧道施工时围岩的稳定性。夏才初[7]基于福建省鹤上隧道多个项目的监测结果，探讨了大断面小净距隧道的围岩变形与支护受力特点。蒋坤[8]通过分析双向8车道小净距公路隧道监控量测数据，深入研究了该类隧道的施工力学特性。孙振宇[9]通过分析多座小净距隧道围岩压力的实测数据，建立了小净距隧道荷载计算模型并对其进行了改进，以验证其合理性与适用性。李松涛[10]结合现场不同施工段的监测数据，对小净距公路隧道的围岩稳定性进行了研究。Lei[11]基于相似理论，建立典型非对称荷载条件下的隧道开挖模拟试验系统，并据此分析了小净距浅埋偏压隧道围岩的破坏机理及荷载特性。李磊[12]采用数值分析与现场试验相结合的方法，深入研究了小净距隧道穿越挤压软岩地层段的变形特性。刘聪[13]依托实际工程研发了大型可拼装式地质力学模型试验系统，开展了复杂地层超大断面隧道施工过程力学模型试验研究。冯义[14]依托实际工程进行了室内模型试验，并结合数值模拟，得出了低跨比双洞8车道的衬砌压力和洞周位移随净距的变化规律。

在前人研究基础上，本文依托平潭综合实验区龙兴岭隧道工程，通过对隧道拱顶沉降、周边收敛、围岩压力等现场实测数据的详细分析，探讨多孔小净距隧道施工过程中围岩稳定性，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道横断面设计

龙兴岭隧道位于福建省平潭综合实验区麒麟大道东段，为5洞小净距隧道，分别为2个机动车主洞、2个非机动车辅洞和一个电力隧洞。该隧道为市政一级公路隧道，主洞桩号为K0+575～K1+075，总长500 m，其横断面布置如图1所示。

单位：m

主洞内轮廓采用曲墙三心圆设计，宽度和高度分别为14.2 m×9.46 m，左右主洞开挖轮廓间的最小距离为5.57 m。主洞初期支护采用厚度32 cm的C25喷射混凝土+I22b钢拱架，并辅以系统锚杆和4道锁脚锚杆，二次衬砌为厚度55 cm的C35模筑防水钢筋混凝土，临时斜撑采用厚度20 cm的C25喷射混凝土+I14钢支撑。

辅洞采用曲墙单心圆内轮廓，其净空尺寸为7.69 m×6.4 m(宽×高)，左侧(右侧)主辅洞开挖轮廓间的最小距离为8.02 m。辅洞初期支护采用厚度26 cm的C25喷射混凝土+I18钢拱架，并辅以系统锚杆，二次衬砌为厚度45 cm的C35模筑防水钢筋混凝土，临时斜撑采用厚度20 cm的C25混凝土+I14钢支撑。另有一电力隧道因其开挖面积较小，距离主辅洞相对较远(大于16.4 m)，文中不作重点考虑。

1.2 工程地质与水文地质

隧址区地貌属构造、剥蚀形成的残坡积台地，隧道从山坡下穿过，地形起伏较大，局部较为平缓。覆盖层厚度整体较薄，主要由坡、残积土组成，下伏基岩为侏罗系南园组凝灰熔岩和燕山早起侵入花岗岩，岩体风化层厚度较大，且不均匀风化现象显著[15]。

隧道进出口段围岩均为Ⅴ级，洞身基岩埋深较大，风化岩层厚度变化大，洞体围岩以Ⅳ～Ⅴ级为主。以进口段K0+775断面为例，如图2所示，由上到下地层依次为坡积粉质粘土、残积粘性土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩。该断面处主洞采用带双侧临时斜撑的上下台阶法开挖，埋深为7.9 m；辅洞采用带单侧临时斜撑的上下台阶法开挖，埋深为8.1 m。

单位：m

隧址区地下水主要为基岩裂隙水，水量一般，对洞身围岩及开挖影响较小。隧道开挖至节理密集带，正常涌水量约为300 m3/d，易发生小型涌水，地下水对钢筋混凝土结构具有微腐蚀性。

2 隧道施工及测点布置

龙兴岭隧道总体上按照“左、右辅洞—右主洞—左主洞”的顺序施工，其中里程K0+775～K0+825范围(Ⅴ级浅埋段)的施工进度见表1。

表1 龙兴岭隧道浅埋段(K0+775 ～ K0+825)施工进度展示

2.1 辅洞施工

右辅洞采用带临时斜撑的上下台阶法开挖，如图3所示。施工步序为：1)先施作超前小导管，进行左侧中夹岩加固，然后开挖左上台阶①部，施作相应的初期支护及临时斜撑；2)施作超前小导管后开挖右上台阶②部，并施作初支；3)拆除临时支撑，开挖下台阶③部，并施作相应的初支；4)待围岩变形稳定后施作二衬。

(a)各部施工顺序示意

2.2 主洞施工

主洞采用带双侧临时斜撑的上下台阶法开挖，如图4所示，以右主洞为例。其施工顺序如下：1)施作超前小导管，并进行左右洞中夹岩加固，然后开挖左上台阶①部，施作初支及临时斜撑；2)施作超前小导管，并进行中夹岩加固，然后开挖右上台阶②部，施作初支及临时斜撑；3)开挖中上台阶③部，施作锚杆、喷射混凝土；4)拆除临时斜撑，开挖下台阶④部，并施作初支；5)待围岩变形稳定后施作二衬。

(a)各部施工顺序示意

2.3 测点布置

在Ⅴ级和Ⅳ级围岩段，变形监测断面布设间距分别为10 m和20 m。左右辅洞各布设43个变形监测断面，其测点布置示意如图5所示；左右主洞各布设40个变形监测断面，其测点布置示意如图6所示。隧道拱顶下沉量称为拱顶沉降值，单位时间内的拱顶沉降值称为拱顶沉降速率；辅洞拱顶沉降点布设在上台阶部，主洞拱顶沉降布设在上台阶①部、②部和③部。周边收敛指左右边墙相对于其最初洞径的收敛值，辅洞布设在上台阶部边墙与部边墙间，主洞布设在拆撑前上台阶部、部边墙与对应的临时斜撑间。

图5 辅洞变形监测点布置示意

另外，在主洞K0+775断面(Ⅴ级围岩)处布设8个振弦式土压力计，监测作用于初支上的围岩压力。如图6所示，在左右主洞的拱顶、拱肩、拱腰及拱脚处钢拱架外侧焊接压力盒，将土压力盒导线引出至安全处，采用频率仪测得各土压力盒的频率值，换算后得到各测点的围岩压力(精度为0.001 MPa)。

图6 主洞围岩压力、变形监测点布置示意

3 隧道施工围岩稳定性分析

对断面K0+775的监控量测数据进行详细分析，探讨多孔小净距隧道施工过程中的围岩稳定性。

3.1 辅洞位移分析

以辅洞上台阶部开挖至K0+775断面为首日，绘制辅洞隧道位移时程曲线如图7所示，各监测点实际监测时间约为60 d。由图7可知，开挖15 d内，拱顶沉降变形速率较大，平均速率约为1 mm/d，此时左辅洞沉降累积值为17 mm，约占总沉降量的67%。随后拱顶沉降速率逐渐降低，累积沉降值缓慢增加，开挖至45 d～50 d，沉降开始趋于稳定。当监测天数为60 d时，辅洞拱顶沉降已基本稳定，左辅洞拱顶沉降稳定值为25 mm。与拱顶沉降位移变化规律相似，开挖初期掌子面距离监测断面较近，围岩受力尚不稳定，周边收敛急剧增大，随着掌子面的掘进，监测断面所受扰动减小，受力逐渐稳定，周边收敛变化值变小，直至稳定收敛，左辅洞的周边收敛稳定值为14 mm。

(a)左辅洞

同样，右辅洞掘进过程中的位移也经历了“急剧增大—缓慢增大—稳定收敛”3个阶段，其拱顶沉降稳定值和周边收敛稳定值分别为30 mm和18 mm。

3.2 主洞位移分析

以主洞上台阶①部开挖至K0+775断面为首日，绘制主洞隧道位移时程曲线如图8所示，各监测点实际监测时间约为90 d。需要说明的是，由于先行开挖的第①部分拆除临时斜撑，同时要施作下台阶，故监测时长不足90 d。

(a)左主洞

相较辅洞，主洞实际开挖更为复杂，受到扰动因素更多，且因现场实际开挖并非连续，使得拱顶沉降具有明显的“时间效应”。在主洞①～③部分实际开挖60 d内，拱顶沉降变形速率较大，此时右主洞①、②、③部分沉降累积值分别为87 mm、84 mm、92 mm，平均速率约为1.5 mm/d，平均约占总沉降量的92%；左主洞①、②、③部分沉降累积值分别为52 mm、40 mm、60 mm，平均速率约为1 mm/d，平均约占总沉降量的77%。当各部实际开挖60 d～80 d时，拱顶沉降速率减缓，90 d后趋于稳定。右主洞①、②、③部分拱顶沉降稳定值分别为94 mm、98 mm、94 mm，左主洞①、②、③部分拱顶沉降稳定值分别为64 mm、74 mm、58 mm，左右主洞第②部分周边收敛稳定值分别为19 mm和21 mm。

主辅洞施工均经历“急剧增大—缓慢增大—稳定收敛”3个阶段。右主洞相对于左主洞为先行洞，先行洞受到后行洞施工扰动较大，因此右主洞的变化速率及位移值均大于后行洞左主洞。主洞洞径大于辅洞，且主洞位于整个工程内部，因此不论是拱顶沉降或周边收敛，其值均大于辅洞。从围岩变形的量值与速率上看，多孔小净距隧道施工过程中围岩是稳定的，这也佐证了带临时斜撑的上下台阶工法是适宜的。

3.3 围岩压力分析

为了解主洞围岩与初期支护间围岩压力大小及其分布规律，主洞第①部分开挖至K0+775断面为首日，平均每隔半个月对监测断面进行一次监测，并绘制初支应力时程曲线，如图9所示。隧道开挖初期，围岩压力逐渐释放，作用至初支上，各测点的围岩压力随时间变化而增大。随着掌子面推进，洞周应力进行重分布，其增长速率随时间呈先增大后稳定收敛的变化趋势，后续开挖施工使得局部围岩支护接触松动或挤压，导致围岩压力稳定后产生微小波动。

(a)左主洞

绘制现场监测所得围岩压力的历程最大值分布及最终稳定值分布，如图10、图11所示。围岩压力的最大值出现在边墙处，其次是拱顶、拱肩、拱脚及仰拱处。右主洞的左拱肩及左边墙的围岩压力值大于右拱肩及右边墙，同时左主洞的右拱肩及右边墙的围岩压力值大于左拱肩及左边墙，说明先行开挖部围岩压力先行受到扰动，初支所承受的围岩压力较大。两隧道内侧(中夹岩侧)围岩压力整体大于外侧(辅洞相邻侧)围岩压力，均呈现内侧略微偏压的现象。

(a)左主洞

(a)左主洞

对比左右主洞，先行右主洞整体围岩压力大于后行左主洞，尤其是边墙处差异较大，体现了小净距隧道之间互相影响，即后行洞的施工开挖使得先行洞的围岩与初支之间的应力相互调整，先行洞的围岩压力大于后行洞的围岩压力。

4 结论

1)随着掌子面的掘进，围岩位移历经“急剧增大—缓慢增大—稳定收敛”3个动态变化阶段。其中辅洞在监测60 d趋于稳定，左、右辅洞拱顶沉降稳定值分别为25 mm、30 mm，周边收敛稳定值分别为14 mm、18 mm；主洞在监测80 d后趋于稳定，右主洞左、中、上台阶沉降稳定值分别为94 mm、98 mm、94 mm，左主洞分别为64 mm、74 mm、58 mm，左右主洞周边收敛值分别为19 mm和21 mm。

2)右主洞相对左主洞为先行洞，其拱顶沉降、周边收敛最终值及变化速率均大于左主洞，证明小净距隧道后行洞开挖对先行洞的围岩变形及整体稳定性有较大影响，施工中应及时关注先行洞的施工安全及围岩和初支变化。

3)小净距隧道围岩压力呈先增大后稳定的变化趋势。平稳收敛后其最大值位于主洞边墙(中夹岩侧)处，其次是拱顶处，且先行开挖的内侧围岩压力大于外侧，呈现向内侧略微偏压的现象。

4)综合围岩变形和围岩压力监测结果来看，多孔小净距隧道施工过程中围岩是稳定的，带临时斜撑的上下台阶工法是适宜的。