基于施工過程的小凈距隧道施工力學研究

胡笛+黃勝

摘 要：隧道施工將在一定范圍內打破圍巖原始地應力平衡，在影響范圍內，地層應力將出現重分布，并在圍巖、隧道結構的共同作用下達到新的平衡。由于小凈距隧道處于相互影響區域，因此在設計和施工中應特別注意。本文基于施工過程研究小凈距隧道的施工力學行為，并依據研究結論提出相應的對策措施，對提高小凈距隧道設計和施工水平具有重要的現實意義。

關鍵詞：小凈距隧道 施工力學 有限元 位移

如何確保小凈距隧道施工、運營安全，是設計和施工必須重視的問題。兩相鄰隧道最小凈距視圍巖級別、斷面尺寸、施工方法、爆破震動影響等因素確定，本次工程由于條件受限，故設計考慮盡量將隧道間距用到較小，同時又能保證隧道安全。通過工程類比，初步擬定隧道凈間距采用10m和15m兩類方案。

1.有限元分析

施工采用雙側壁導坑法，施工階段的計算按照施工工序的要求劃分為以下22個施工步驟：

（1）先行隧道中夾巖柱小導管注漿加固；

（2）先行隧道弱爆破開挖2部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護及臨時支護；

（3）先行隧道弱爆破開挖3部，并及時施作初期支護及臨時支護；

（4）先行隧道弱爆破開挖4部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護及臨時支護；

（5）先行隧道弱爆破開挖5部，并及時施作初期支護及臨時支護；

（6）先行隧道弱爆破開挖6部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護；

（7）先行隧道弱爆破開挖7部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護；

（8）先行隧道弱爆破開挖8部，并及時施作臨時支護；

（9）先行隧道弱爆破開挖9部，并及時施作初期支護；

（10）先行隧道拆除側壁臨時支護，并施作10部仰拱及仰拱填充；

（11）先行隧道鋪設環向盲溝及防水板，并整體灌注11部分二襯砼；

（12）后行隧道中夾巖柱小導管注漿加固；

（13）后行隧道弱爆破開挖13部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護及臨時支護；

（14）后行隧道弱爆破開挖14部，并及時施作初期支護及臨時支護；

（15）后行隧道弱爆破開挖15部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護及臨時支護；

（16）后行隧道弱爆破開挖16部，并及時施作初期支護及臨時支護；

（17）后行隧道弱爆破開挖17部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護；

（18）后行隧道弱爆破開挖18部，并及時噴混凝土封閉掌子面和施作初期支護；

（19）后行隧道弱爆破開挖19部，并及時施作臨時支護；

（20）后行隧道弱爆破開挖20部，并及時施作初期支護；

（21）后行隧道拆除側壁臨時支護，并施作21部仰拱及仰拱填充；

（22）后行隧道鋪設環向盲溝及防水板，并整體灌注22部二襯砼。

2.位移場分析

礦山法施工中，圍巖位移的變化是判斷隧道圍巖穩定性的最直接判據。本次計算中著重考察了各個工況下隧道拱頂的下沉位移及地表沉降量。

計算表明，對處于深埋段的V類圍巖，拱頂的最大下沉位移為18.94mm，后行隧道的開挖對先行隧道的拱頂下沉量有一定的影響（16.8mm→18.9mm（平均值））。凈距對拱頂下沉量的影響較小，10m凈距工況位移稍大。

對處于淺埋段的VI類圍巖，拱頂的最大下沉位移為25.97mm，后行隧道的開挖對先行隧道的拱頂下沉量有一定的影響（23.5mm→25.5mm（平均值）。凈距對拱頂下沉量的影響較小，10m凈距工況位移稍大。

對處于深埋段的V類圍巖，地表的最大沉降量為5.36mm，出現在后行隧道二襯施作完成后。10m凈距工況地表沉降稍大。

對處于淺埋段的VI類圍巖，地表的最大沉降量為17.01mm，出現在后行隧道二襯施作完成后。10m凈距工況地表沉降稍大。

對VI類圍巖，兩類凈距情況下，洞周圍巖應力最大值為1.57Mpa，后行隧道的開挖造成先行隧道周邊圍巖的應力最大增大0.04Mpa，增幅為2.6%。15m凈距工況應力值和增幅均較小，與10m凈距工況差別不大。

3.后行隧道對先行隧道二次襯砌內力的影響分析

3. 1二次襯砌結構計算

結構計算分施工期和使用期兩階段進行。施工階段初期支護作為主要承載結構，使用階段初期支護與二次襯砌共同承載。上節有限元計算分析的主要是施工階段的力學行為，該階段初期支護承擔主要荷載；本節二襯計算主要是針對使用階段，假定二襯分擔相當部分的圍巖壓力，考慮了一定的安全儲備。

基于前面有限元分析的結論，二襯計算中考慮了后行隧道開挖帶來的對先行隧道的附加荷載，并且二襯計算以先行隧道來控制。

采用“SAP84”軟件，按荷載—結構模式計算結構內力。計算中，初期支護和二次襯砌按一定比例分配圍巖壓力，分配比例則根據有關工程實例及相關資料并考慮一定的安全儲備來確定。

V級圍巖按深埋進行核算；VI級圍巖最不利的內力出現在圍巖淺埋（埋深在14～45m之間）的斷面，計算值見表1。

3.2安全措施

（1）特別注意保護和加固中間巖柱

采取工程措施以防止兩隧道中間巖柱失穩，是超小凈距平行隧道成功的關鍵。對中間巖柱的加固可采用超前預加固和開挖過程中的補充加固的兩次加固思路，以控制中壁圍巖塑性區發展，保證施工的安全。

（2）對隧道結構予以加強

通過有限元分析的結果表明，對于先行隧道，后行隧道的施工將導致先行隧道所受內力增大，因此在結構上對于先行隧道二次襯砌進行加強；對于后行隧道，由于先行隧道的施工導致后行隧道周邊圍巖穩定性惡化，因此需對其初期支護進行加強。

（3）合理采用施工方法及工序安排

從有限元計算結果來看，初期支護所起作用相當明顯。同時，每步開挖后要注意初期支護的及時施加，盡早封閉。特別的對VI類圍巖，因為圍巖變形持續時間較長，即穩定時間較長，臨時支撐拆除后二襯支護跟進也應及時，防止產生過大變形，危害隧道整體穩定。

4.結語

（1）通過對10m和15m兩個不同凈距工況進行理論分析，從拱頂下沉和地表沉降方面看，10m凈距工況地表沉降值稍大，相比15m工況最多增大6%，兩類凈距條件下圍巖拱頂下沉的差別不大。從隧道洞周圍巖應力情況看，分析結果與位移場的分析結果類似，兩類凈距下隧道洞周圍巖應力水平相差不大，10m凈距工況圍巖應力值稍大。從兩種工況條件下二襯內力計算結果看，其內力值相近，結構配置相同即可。

（2）通過數值計算，研究了后行隧道對先行隧道的影響。研究表明，后行隧道的開挖造成先行隧道周邊圍巖應力、支護結構內力、拱頂下沉量等均有一定程度的增加，其中內圍巖應力和支護結構內力增加較為明顯，最大分別增大6.6%和58.8%。另外對10m凈距和15m凈距條件下上述影響也進行了分析，結果表明，相對于15m凈距方案，10m凈距方案后行隧道施工對先行隧道影響較大，10m方案先行隧道的應力、支護結構內力增幅要比15m方案高出1.1%～2.7%。

（3）在小間距條件下，研究對V、VI級圍巖段采用雙側壁導坑工法開挖進行模擬分析，結果表明，10m凈距和15m凈距條件下采用雙側壁導坑法分部開挖并輔以對應的加固措施均是可行的，均能較好地控制圍巖變形。

綜合來看，10m和15m兩類凈距方案力學條件上差別不大，盡管10m凈距方案在應力場及位移場方面均會造成一定的增量，但這個增量不大，在采用雙側壁導坑法分部開挖并輔以相應的加固措施條件下，可以確保施工和運營安全。考慮到10m凈距方案在用地、線間距布置等方面的優勢，推薦采用10m凈距方案。