軟弱圍巖非爆破開挖小凈距隧道施工步距合理性分析

閆虎，侯月琴

（1.中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401123；2.西安交通大學，西安 710049）

1 引言

小凈距隧道先行洞的施工在其周圍產生一個松動圈，后行洞位于該松動圈內，先行洞的開挖會對后行洞產生影響；同時，后行洞的開挖在其周圍也會產生一個松動圈，如先行洞位于后行洞的松動圈內，則后行洞的開挖也會對先行洞的襯砌產生影響。因此，對小凈距隧道而言，先行洞與后行洞之間是相互影響的[1]。在小凈距隧道的施工過程中，先行洞與后行洞施工錯開距離將會影響到先行與后行洞的圍巖穩定性與襯砌的受力與變形規律?；谝陨纤伎己驼J識，本文結合工程實例進行了研究分析。

2 工程概況

天馬山隧道設計為一座上、下行分離的雙向6車道高速公路隧道。隧道左線長3 701m，右線長3 657m，隧道進、出口段間距＜25m，屬小凈距隧道。洞口段主要由殘積砂質黏性土層及全～強風化花崗巖組成，地下水飽和，呈流塑狀，巖質軟弱，采用人工非爆破開挖。

3 先后行洞開挖錯開距離數值模擬分析及判斷依據

為研究洞口段軟弱圍巖條件下小凈距隧道的力學變化規律，開展了相關的數值模擬分析。建立相應的力學分析模型及有限元網格，研究相同凈距條件下先后行洞隧道不同錯開距離時周圍巖土體及襯砌的受力與變形規律以及后行洞施工對先行洞影響性分析。

3.1 力學模型的建立及有限元網格的劃分

計算模型中，雙線隧道的凈距取15m，＜1.5倍洞徑，整個模型尺寸長×寬×高=200m×200m×100m，圍巖、初襯噴射混凝土、二襯鋼筋混凝土均采用8節點六面體單元模擬，臨時支撐采用梁單元模擬。雙線隧洞的雙側壁導坑法開挖的模型方法為：首先對開挖土體進行應力釋放，然后殺死開挖體的單元，同時施作初次襯砌。在掌子面后方一定距離位置施作鋼筋混凝土二次襯砌。

圍巖的力學參數根據GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》選取[2]，初襯與二襯混凝土材料參數根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》選取[3]。

3.2 雙線小凈距隧道錯開距離數值模擬分析

3.2.1 雙線隧道洞頂的位移變化

如圖1所示為先后行洞開挖錯開距離發生變化時，先行洞與后行洞洞頂監測點位移變化曲線。

圖1 先后行洞開挖錯開距離發生變化時，雙洞洞頂監測點位移變化曲線

從圖1可以看出，隨著先行洞與后行洞錯開距離的增加，洞頂監測點的位移有減小的趨勢，這主要是由于當錯開距離較小時，雙洞開挖的相互擾動效應會明顯增加，周圍圍巖的開挖損傷會加劇。

3.2.2 雙線隧道圍巖塑性區

對左洞與右洞圍巖塑性區分布進行分析可得，雙洞的圍巖破壞區均分布在兩側拱腰的位置，右洞的塑性破壞程度明顯高于左洞，這主要是由于在右洞開挖前，其周圍圍巖已經過一次開挖擾動，松動圈內的巖體有了一定程度的損傷，抗剪強度降低。在右洞開挖過程中，損傷的巖體再次遭受松動損傷，致使塑性破壞區面積增加。如表1所示為錯開距離不同時圍巖塑性破壞區體積。

表1 先后行洞開挖錯開距離不同時圍巖塑性破壞區體積

從表1可以看出，當先行洞與后行洞錯開距離為20m時，左右周圍圍巖的塑性破壞區體積為8.1×103m3，隨著先行洞與后行洞錯開距離的增加，左右洞周圍圍巖的塑性破壞區體積減小。結果表明，先行洞與后行洞的錯開距離直接影響到圍巖的破壞與襯砌的安全，施工過程中先行洞與后行洞掌子面應當保持20m以上（一般認為1.5B的距離，其中，B為隧道寬度）。

4 先行洞襯砌與后行洞開挖錯開距離

4.1 錯開距離數值模擬分析及判斷依據

雙線小凈距隧道先行洞襯砌與后行洞開挖錯開距離的數值模擬模型仍采用先后行洞開挖錯開距離數值模擬的計算模型。模擬方法為：首先對開挖土體進行應力釋放，然后殺死開挖體的單元，同時施作初次襯砌。在掌子面后方一定距離位置施作鋼筋混凝土二次襯砌，為研究先行洞襯砌與后行洞開挖錯開距離對隧道的影響，錯開距離選取0m、10m、20m 3個值。

4.2 雙線小凈距隧道錯開距離數值模擬分析及結論

4.2.1 雙線隧道洞頂位移

如圖2所示為先行洞襯砌與后行洞開挖的錯開距離發生變化時，先行洞與后行洞洞頂監測點位移變化曲線。

圖2 先行洞襯砌與后行洞開挖的錯開距離發生變化時，雙洞洞頂監測點位移變化曲線

從圖2可以看出，隨著先行洞襯砌與后行洞錯開距離的增加，雙洞洞頂監測點的位移均有明顯降低。這是由于二次襯砌為鋼筋混凝土，其整體性好、剛度大、強度高，施作二次襯砌后，隧道周圍圍巖、襯砌基本處于穩定狀態，監測點位移將不再變化。先行洞襯砌與后行洞錯開距離越大，后行洞開挖擾動范圍越小，圍巖的位移也會減小。

4.2.2 雙線隧道襯砌內力

隨著先行洞襯砌與后行洞錯開距離的增大，后行洞初襯拉應力區明顯減小，襯砌受力狀態趨于安全；隨著先行洞與后行洞錯開距離的減小，先行洞二襯拉應力區明顯增加，這是由于錯開距離越小，先行洞受后行洞開挖的影響越大，承擔的圍巖松動荷載越大，二襯的受力狀態越差。因此，從圍巖及襯砌的安全角度來講，后行洞掌子面與先行洞襯砌錯開距離越大，對圍巖及襯砌的安全越有利，而二襯承擔的荷載越大，受力狀態越差，同時施工中還應考慮規范對單洞工序間安全步距的要求。

4.2.3 雙線隧道圍巖破壞區

錯開距離不同時，圍巖塑性破環區體積見表2。

表2 先行洞襯砌與后行洞開挖錯開距離不同時圍巖塑性破壞區體積

從表2可以看出，隨著先行洞襯砌與后行洞錯開距離的增大，左洞與右洞周圍圍巖的塑性破壞區體積均有減小的趨勢。這可以解釋為：先行洞襯砌與后行洞錯開距離越大，先行洞的支護強度越高，周圍圍巖的整體性越好，隧道開挖過程中圍巖松動的影響范圍就越小，圍巖塑性破壞區就越小。

5 結語

綜上所述，通過本文對雙線小凈距隧道錯開距離的研究，得出以下結論：

1）對于雙線小凈距隧道，先行洞的施工在其周圍產生一個松動圈，而后行洞處在這個松動圈內，同時后行洞的開挖施工勢必會對中巖柱土體進行二次擾動，從而影響先行洞的支護結構，因此，先行洞開挖與后行洞應錯開合理的距離，既要滿足均衡連續生產需要，又保證隧道施工及結構安全。

2）通過分析和工程實踐總結，雙線小凈距隧道施工對圍巖性質較差且非爆破開挖的地層應當保證先行洞與后行洞掌子面間的錯開距離，同時為滿足施工安全，先行洞襯砌應緊跟開挖施工，但應滯后后行洞開挖一定距離（一般認為1.5B距離以上）。