超小净距隧道中岩柱受力分析研究与实践

权国绍/ QUAN Guo-shao

（中国铁建昆仑投资集团有限公司，四川 成都 610041）

1 超小净距隧道方案的提出

李家台隧道K1+273～K1+450 原设计为连拱隧道，设计方案为先开挖中导洞，开挖至设计桩号后转为向洞口方向浇筑中隔墙混凝土，中隔墙完成后用工字钢封闭右侧中导洞，待从进口向出口开挖该段洞身土石方，主洞开挖采用CD 法进行开挖，进尺控制在1 榀钢架间距，各台阶及时跟进，相距在3～5m 之间。隧道中隔墙与先行洞掌子面之间距离不小于50m，隧道先行洞二次衬砌与后行洞掌子面之间距离不小于40m。

超小净距隧道结构介于独立双洞和连拱隧道之间，能够充分发挥两隧道洞间围岩的自承能力，符合新奥法的设计思想。较独立双洞隧道，超小净距隧道具有连线难度小、占地少等特点；和连拱隧道相比，超小净距隧道具有工期短、施工质量易控制以及造价低等优点。

超小净距隧道和连拱隧道存在的重点问题在于“中隔墙”与“中岩柱”的比较。从施工工艺及工序比较：连拱隧道=中导洞施工工序+中隔墙施工工序+中导洞临时支撑拆除工序；超小净距隧道=中岩柱加固工序。

传统连拱隧道中隔墙是采用钢筋混凝土结构代替原有地层作为受力结构，需要先破坏原有地层结构，而超小净距隧道是采用对中岩柱进行加固处理，对原有地质岩性结构不产生破坏，中岩柱加固施工与正洞施工同步进行，这样大大节约了施工工期。此外，超小净距隧道按照常规防水工艺安装，防水板在二衬及初支间容易形成封闭整体，不受临时支撑等的影响，有利于隧道结构防水。

经与设计沟通，拉开左、右隧道中心线线间距离，将该段双连拱隧道优化为超小净距隧道。加快了施工进度，同时降低了施工成本。

2 超小净距隧道总体方案设计

左、右线正洞按“小导洞先行，后断面扩挖”的施工开挖技术方案进行施工。

2.1 小导洞先行

小面积开挖隧道，施作支护形成小导洞。小导洞的开挖，能有效减小对围岩的扰动，使其充分发挥自身承载能力，同时可以提前释放一部分地下应力，有效减小围岩后期的沉降收敛，保证施工的安全。小导洞内施工作业，适当加固中岩柱，以提高中岩柱的承载能力，减小后续施工对围岩的扰动，避免造成冒顶、坍塌事故的发生。

2.2 小导洞断面设计

小导洞断面尺寸拟为5m×6m（宽×高），具体尺寸可根据岩性、围岩等级、埋深及左右洞相互影响综合考虑进行调整。小导洞施工位置初步拟定于隧道中部，且底部与下台阶上部高度（工字钢 B、C 单元连接位置高度）一致。

小导洞属部分永久性初支+部分临时支护结合方案，其支护参数采用I18 工字钢+钢筋网+喷射混凝土支护，工字钢间距60cm，钢筋网采用∅8mm 钢筋绑扎成20cm×20cm 的网片，锚杆采用∅25mm 中空注浆锚杆（长2.5m），梅花形布置，喷射混凝土采用强度等级为C20 喷射混凝土，厚度为20cm。

2.3 断面扩挖

小导洞扩挖至正常断面，施作隧道初期支护。在对中岩柱进行加固后，预留3m 宽范围采用凿岩机开挖靠近岩柱一侧的岩体，远离岩柱一侧（3～8m）采用浅孔松动爆破方式开挖，开挖时必须注意对中间岩柱的保护（采用弱爆破）。开挖后及时进行支护，特别是靠近中岩柱一侧岩体，必要时可增加临时支撑或加强支护参数。

3 数值模拟受力分析论证

为证明超小净距段施工方案的可行性以及超小净距采取相关施工措施的必要性，采用有限元法对不同工况进行数值模拟论证。分析结果表明整个隧道在正洞开挖情况下，隧道变形位移较大，塑性区范围较广，且延伸至地表，在采取相关施工措施后，隧道变形有较大幅度的减小，塑性区分布较小，整体处于一个较稳定状态，具体计算情况如下。

3.1 模型建立

根据具体工程概况，选择断面K1+450（YK1+450）出口段附近按最大浅埋工况进行分析，建立小净距隧道施工数值模拟分析模型。模型中，为消除模型边界效应影响，计算范围取3～5 倍洞径，其中左、右边界取4 倍洞径，下边界取4 倍洞高，上边界取为埋深平均深度15m。具体模型尺寸为144m×62.5m。

3.2 计算参数选取

计算中岩土体物理力学材料参数以地质钻孔勘察报告和经验取值为依据，加固区参数采用提升一级的围岩级别的参数，参数取值如表1 所示。网格划分情况及中间岩柱加固体如图1 所示。

表1 模型中主要物理参数

图1 网格划分情况及中间岩柱加固体

模拟中，工字钢通过等效方法进行考虑，按抗压强度相等的原则，将钢架的弹性模量折算成混凝土弹性模量，最后形成初支的等效弹性模量。计算得E等=28.819GPa。二衬钢筋通过同样的方法，将钢筋的弹性模量折算给二衬混凝土，计算得E′等=31.609GPa。

3.3 模拟施工过程

1)建立模型，在自重应力场下进行平衡计算。

2)开挖左线上台阶并施作第一层初期支护，对相应区域进行加固，平衡计算。

3)开挖左线预留核心土，平衡计算。

4)开挖左线下台阶并施作第一层初期支护，平衡计算。

5)施作左线二次衬砌，计算平衡。

6)开挖右线小导洞并施作小导洞初期支护，平衡计算。

7)开挖右线上台阶，施作初期支护，平衡计算。

8)拆除小导洞，开挖右线下台阶并施作初期支护，平衡计算。

9)施作右线二次衬砌，平衡计算。

3.4 计算结果及分析

该数值仿真主要是模拟不同施工工序的全过程，从围岩和初支受力等分析结果发现，各分部的开挖引起的内力及地层变形不是很大，因此此处不针对各施工步骤进行详细分析，选择性分析重点施工步骤。本模拟分析，主要从围岩位移、中岩柱位移场和应力场及塑性状态、支护内力等方面分析方面进行。

3.4.1 围岩竖向位移

从各开挖步骤的围岩竖向位移云图可以看出，随着隧道开挖，围岩沉降值及围岩扰动范围不断增大，左线隧道支护完成、右线上台阶扩挖和右线隧道支护完成3 个施工步骤中围岩最大竖向沉降位移分别为2.39mm、3.35mm、3.36mm，基本均出现在隧道拱顶附近，但总体上位移沉降值较小。由此可知，当采用该种方案进行施工时，因小导洞开挖位置离左线隧道开挖断面存在一定距离，且对中间岩柱进行加固处理，在右线隧道开挖时，右线的位移沉降相对较小。

3.4.2 中岩柱位移场和应力场及塑性状态

根据各模拟步中岩柱塑性状态判断，在对中间岩柱进行加固后，随着隧道开挖的进行，中间岩柱的塑性范围有轻微增加，但中岩柱大部分区域还未发生屈服或者破坏。

在以上3 个分析步中，中间岩柱附近围岩的最大竖向沉降位移依次是：1.49mm、2.35mm、2.43mm，最大水平正向位移依次是：-0.30mm、0.53mm、0.55mm。竖向位移较大值均在靠近隧道拱顶位置附近，而水平位置较大值基本均出现在两线隧道中间岩柱最薄处附近。竖向应力较大值基本集中于中岩柱最薄处，且随着开挖的进行，区域内的竖向应力基本一直在增大，最大竖向应力依次为：1.97MPa、2.68MPa、2.79MPa，而水平应力在左线扩挖时，中岩柱的水平应力达到较大值。这是由于开挖引起围岩扰动，中间岩柱需要承受上覆土体的荷载，而岩柱尺寸极小，因而引起中岩柱位移和应力的增大。所以在右线扩挖时，必须特别注意对中岩柱的加固与保护，以防引起隧道的塌方。同时，须严格控制初期支护在各连接处以及锁脚锚管的施作质量，及时将初支封闭成环，以提高整体承载能力。

3.4.3 支护内力

各模拟步中支护内力如图2、图3 所示。

图2 右线隧道支护完成（轴力）

图3 右线隧道支护完成（弯矩）

从上图可以发现，随着开挖的进行，初支的轴力和弯矩持续增大。以上3 个分析步中，初支最大轴力依次为：1.23×106N、2.02×106N、2.13×106N，较大值均集中在左线隧道右拱脚附近；初支最大弯矩依次为：+7.22×104Nm、+1.96×105Nm、+1.2×105Nm，较大值基本集中在左线隧道右拱脚附近以及右线隧道左拱脚附近；特别是在右线上台阶扩挖工序，左线隧道支护轴力最大值以及最大弯矩值均出现在右侧靠近中间岩柱部位，且在右线隧道支护完成后，左线隧道最大弯矩值基本出现在右拱脚附近。此外，内力较大值处基本位于上、下台阶支护连接部位。因此一方面有必要加强中间岩柱的强度，使之与支护结构共同发挥承载能力，另一面可适当采取初支加强措施，并注意锁脚锚杆等施作质量，保证在施工阶段支护的稳定性。

4 结语

1）原设计方案采用连拱隧道方案，施工工序烦琐，造价较高；提出了超小净距隧道的方案，并采用“小导洞先行，后断面扩挖”施工工艺，施工工序较少，免去了侧导洞和中导洞临时支撑拆除和单独开挖等工序，因此进度最快，大大缩短了断面整体结构的完成时间，效益较好，整体造价也低。

2）经过数值模拟分析论证，认为采用“左线隧道正常开挖，右线隧道小导洞先行，再扩挖至设计轮廓”工艺能较好地控制围岩变形，且能有效提高施工效率，缩短工期。

3）通过加固中岩柱，可以有效提高中间岩柱的强度和稳定性减小岩柱塑性区范围，此外，对围岩的变形也有一定的抑制，减小围岩的沉降收敛。

4）在加固岩柱前提下进行开挖支护，支护结构的安全系数大于规范所要求值，结构处于安全状态下工作。

综上所述，采用上述超小净距施工方案，辅以采用中岩柱加固、爆破控制及冷开挖工艺，能保证隧道施工的安全性，缩短工期，减少成本投入。同时在施工中仍需加强支护结构的施作质量，根据现场围岩揭露情况，必要时加强支护结构强度或施作临时支撑。