超小凈距隧道結構設計與施工穩定性分析

周鴻翔

文章依托某城市地下互通式隧道工程中一處超小凈距隧道工程，對超小凈距隧道的三種結構形式進行比選，研究確定了無中隔墻的超小凈距隧道結構方案，采用錨桿注漿加固中夾巖柱并加強一次襯砌和微震預裂爆破技術的分步挖掘施工方案;利用有限元數值模擬超小凈距隧道支護施工過程，得到其各個施工步序下圍巖及支護結構應力、應變狀態，分析其穩定性，優化并驗證設計參數，有效指導設計與施工。

超小凈距隧道;結構設計;中夾巖柱;數值模擬;穩定性分析

0?引言

隨著城市地下空間的開發利用，建設地下互通式隧道成為道路互聯互通，提高通行效率的有效手段之一。然而，匝道隧道逐漸與主線隧道分離，隧道由特大斷面過渡為兩個一般斷面隧道，面臨超小凈距隧道的設計與施工難題，過渡段隧道結構及中夾巖柱的穩定性至關重要。在有限的地下空間內，超小凈距段若按傳統的單導洞或三導洞工法設計、施工中隔墻連拱隧道，雖然可以保證隧道襯砌及中隔墻的穩定性，但其施工工序繁雜、造價高、進度慢。針對中隔墻連拱隧道的缺點，有學者提出了無中隔墻連拱隧道及中夾巖柱超小凈距隧道結構方案，較中隔墻連拱隧道優勢明顯，并在一些工程實踐中得到成功應用：如西部大通道黃陵至延安段羊泉溝隧道、云南平文高速公路土基沖隧道在超小凈距段采用無中隔墻連拱隧道結構方案;福州煙臺山隧道工程的超小凈距段（凈距為5.5 m）采用加固中夾巖柱的超小凈距隧道結構方案等。已建成的類似工程案例多為雙線平行的小凈距隧道，凈距為定值或凈距是連拱隧道中隔墻厚度的數倍。

本文依托工程為地下互通式隧道工程，由單洞過渡到超小凈距段雙洞隧道，因地下作業空間局限，超小凈距段隧道凈距受隧道特大斷面制約，最小凈距僅1.04 m且為漸變段，與前述工程案例有所不同，設計、施工面臨更大的挑戰。超小凈距隧道（中夾巖柱僅1.04 m）開挖引起圍巖發生松弛、變形的程度與中夾巖柱的穩定性及承載力，直接關系到隧道圍巖能否形成承載拱，決定了超小凈距隧道結構設計方案的可行性及施工的安全性。文章對超小凈隧道三種結構形式進行比較，提出對中夾巖柱進行注漿加固，采用微震爆破技術、分步開挖的方案，通過有限單元法數值計算分析，獲得超小凈距隧道結構及圍巖的應力、應變特征，分析隧道設計結構施工過程中的穩定性，優化驗證設計參數并指導施工，實現超小凈距隧道工程的快速、安全施工。

1?工程概況

依托工程為城市地下互通立交式隧道，主線隧道為雙車道，建筑限界凈寬為10.0 m，高為5.0 m;匝道為單車道，限界凈寬為7.0 m，高為5.0 m。匝道隧道從主線隧道分流形成分岔式隧道，在分流鼻前端為23.5 m寬的特大斷面隧道，在分流鼻后端為超小凈距段隧道，隧道凈距由1.04 m漸變分開至雙洞分離式隧道。該段縱向長約60 m，其中超小凈距段長10 m，分岔特大斷面段長17 m，分岔大斷面段長36 m。本文主要以超小凈距段為研究對象。超小凈距段隧道平面及橫斷面設計如圖1所示。

超小凈距段隧道穿越地層主要為：散體狀強風化凝灰巖、碎裂狀強風化凝灰巖、中風化凝灰巖等。地下水滲流主要受地形、地貌及地質構造控制。地下水類型主要為孔隙潛水、裂隙潛水，賦存和運移于風化基巖及破碎帶裂隙之中。隧道圍巖級別以Ⅳ級為主。隧址區地震加速度值為0.15 g，設計抗震設防烈度為Ⅶ度。

2?超小凈距隧道結構形式、設計參數及施工步序

2.1?超小凈距隧道結構形式

超小凈距隧道結構根據其施工工法、中隔墻（中夾巖柱）設置情況可分為中隔墻連拱隧道、無中隔墻連拱隧道、中夾巖柱超小凈距隧道等三種結構形式（如圖2所示）。

中隔墻連拱隧道可分為復合式中隔墻和整體式中隔墻兩種類型。無論采用何種中隔墻形式，均需中導洞施工澆筑中隔墻后，才能進行左右主洞施工。相較于獨立的雙洞隧道設計與施工，其工序繁雜，左右洞前后錯開施工，中隔墻反復受力擾動，工期長，造價高，運營期病害較多，在地下互通式非對稱連拱隧道中尤為突出。地下互通施工空間狹窄，且隧道之間凈距逐漸變化，由分流鼻前端特大斷面隧道過渡到中導洞或三導洞工法的連拱隧道，施工較為困難。

無中隔墻連拱隧道與中夾巖柱超小凈距隧道的區別在于雙洞之間是否保留并利用中夾巖柱。無中隔墻連拱隧道施工過程將中夾巖柱爆破挖除，而后采用高強度噴射混凝土或澆筑混凝土替換中夾巖柱，并加強雙洞之間的側墻及拱腳結構，兩隧道間噴射混凝土結構的強度及鋼架連接的可靠程度，決定了施工期間的安全性、穩定性。超小凈距隧道施工過程需保留中夾巖柱，采用微震爆破技術，減小擾動破壞，并設置注漿加固、對拉錨桿等加固措施。這兩種結構方案均較中隔墻連拱隧道施工簡單、工期短、造價低，根據地質條件不同，各有其適用性。當圍巖強度不高，屬松散土體或軟弱圍巖，巖體中夾巖柱無法自穩，即使通過注漿加固等措施也無法滿足強度及穩定性要求時，可考慮用混凝土替換中夾巖柱，采用無中隔墻連拱隧道;當中夾巖柱圍巖強度較高，屬較硬巖，具備一定的自穩能力，通過注漿、錨桿加固后，整體性較好時，則可考慮采用中夾巖柱超小凈距隧道。

2.2?超小凈距隧道結構設計參數

文章依托工程屬地下互通式立交，分岔式超小凈距段隧道位于Ⅳ級圍巖段，節理裂隙發育，巖體具備一定的強度，隧道由超小凈距漸變至分離式隧道，不具備貫通中導洞及施工中隔墻條件，因此采用中夾巖柱超小凈距隧道結構形式。超小凈距隧道段兩主洞凈距由1.04 m至5 m漸變。設計采取對中間巖柱錨桿注漿加固、加強初期支護等措施加固中夾巖柱，采用微震控制爆破技術，爆破振動速度標準按V≤2.5 cm/s控制，在兩主洞隧道靠近中夾巖柱一側設置預裂爆破減震孔，減小對中夾巖柱、初期支護結構的損傷。超小凈距段隧道襯砌結構斷面如圖3所示。

隧道結構設計參數為：主線隧道模筑襯砌采用50 cm厚模筑C30鋼筋混凝土結構，初期支護采用25 cm厚C25噴射混凝土，間距為75 cmⅠ18型鋼，掛網噴錨防護;匝道隧道模筑襯砌采用45 cm厚模筑C30鋼筋混凝土結構，初期支護采用23 cm厚C25噴射混凝土，間距為75 cmⅠ16型鋼，掛網噴錨防護。中夾巖柱厚度1.04 ～5 m，采用32 mm自進式錨桿，注漿加固。

2.3?超小凈距隧道施工步序

超小凈距段施工前，先對特大斷面隧道堵頭墻進行噴錨封閉加固，將匝道隧道作為先行洞，采用全斷面法先期開挖，待先行洞初期支護閉合，仰拱回填后，再進行后行洞（主洞）施工，采用臺階法施工。前后保持施工安全步距，施工全程進行爆破振動監測，實時掌控爆破振速≤2.5 cm/s，嚴格控制單次起爆藥量，在中夾巖柱開挖邊沿設置預裂爆破減震孔。超小凈距段隧道施工步序如圖4所示。

3?數值模擬分析

3.1?計算分析理論及荷載釋放系數

現有的研究成果認為對于地下工程的結構分析，在3～5倍洞徑范圍以外開挖引起的應力重分布影響較小。取開挖斷面在3～5倍洞徑范圍地層，建立隧道施工過程有限元模型，對施工過程中圍巖和結構的變形和受力進行計算分析，可滿足工程需求。在半無限地層中，隧道結構屬于縱向軸對稱結構，不考慮縱向變形位移，其屬于平面應變問題。

圍巖采用平面應變單元，圍巖材料的本構關系采用Drucker-Prager模型。Drucker-Prager模型的屈服準則是對Mohor-Colomb屈服準則的近似值，屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而變化，屈服準則的表達式如式（1）：

F=3σm+12{S}T[M]{S}12-σy=0??（1）

對于Drucker-Prager模型材料，當材料參數β和σy為定值時，屈服面為錐形表面，其是正六邊形Mohor-Colomb準則屈服面的外切錐面，如圖5所示。

當根據彈塑性問題建立平面應變模型來模擬隧道施工過程時，為反映圍巖的時空效應以及施工過程的步序，根據工作條件逐漸釋放地應力。在ANSYS軟件中，可實現連續工作條件的計算，應用“施加虛擬支撐力逐步釋放法”，依次在開挖邊界施加一定比例的支撐荷載，模擬洞周位移的釋放效應。利用單元的“生死”功能，“殺死”開挖的圍巖單元，“激活”支護結構單元，簡便有效地模擬隧道的開挖和支護過程。

計算方案按照施工過程，分為以下步序及相應荷載釋放系數：（1）計算初始應力場;（2）匝道隧道開挖，該部分荷載釋放25%;（3）匝道隧道施工初期支護，荷載釋放至70%;（4）主洞開挖，該部分荷載釋放25%;（5）主洞隧道施工初期支護，并加固中夾巖柱，荷載釋放至70%;（6）匝道隧道施工二次襯砌，荷載釋放至100%;（7）主洞隧道施工二次襯砌，荷載釋放至100%。

3.2?計算模型及相關參數

超小凈距段匝道隧道先行洞開挖后，引起應力重分布;后行隧道在擾動過的地層內掘進及后行隧道的爆破開挖震動也會對先行隧道產生影響，引起地應力的再次重分布。兩者相互影響，加劇了設計與施工的難度。本次計算通過有限元數值分析方法，選取超小凈距段兩隧道斷面建立模型，隧道間凈距為1.04 m，重點研究各施工步序下，周邊圍巖、中夾巖柱及支護結構應力、應變狀態以及塑性區分布范圍，分析判斷中夾巖柱及支護結構的承載力及穩定性。考慮計算精度及速度，計算模型寬度取3倍洞室開挖寬度，底部取3倍洞室高度，上部取至地表，模型總寬度為250 m，高為200 m。計算模型的邊界條件為：底部約束垂直位移，兩側約束水平位移。計算中圍巖、噴射混凝土、二次襯砌均采用平面單元模擬，系統錨桿采用桿單元模擬。模型共有11 006個節點、272個桿單元、14 619個平面單元，采用彈塑性模型進行分析，初始地應力主要考慮自重應力，未考慮地層構造應力。有限元計算模型如圖6所示。圍巖和支護結構的參數取值如表1所示。

3.3?計算分析結果

分析最終荷載步計算結果，后行隧道開挖后，中夾巖柱σ3應力極值為-1.8 MPa，σ1應力極值為-0.19 MPa。開挖側墻壁出現小范圍塑性區，數值很小，深度較淺，對中心巖柱的穩定性影響有限。地層豎向方向位移最大值出現在后行隧道拱頂及仰拱處，拱頂下沉仰拱隆起，最大值為3 mm，周邊地層未出現塑性區，地層水平方向收斂變形較小。系統錨桿軸力最大值為15 kN，中墻錨桿軸力最大值為6.7 kN，錨桿軸力以受拉為主，均小于錨桿抗拔力。在拱頂部位30°～45°范圍錨桿加固效果明顯，該區域設計施工過程可采用長錨桿。兩側邊墻以下錨桿受力較小，該區域可適當優化錨桿長度及數量。二次襯砌結構σ3應力極值為-3.67 MPa，主要分布于先行隧道拱腳內側;σ1應力極值為0.26 MPa，主要分布于后行隧道仰拱內側。襯砌結構在拱腳，即仰拱與邊墻過渡的地方，出現一定的應力集中，但應力極值小于C30鋼筋混凝土強度設計值，襯砌結構仍處于彈性狀態，襯砌結構滿足承載力及穩定性要求。在拱腳附近出現應力集中，該區域應適當加大襯砌結構厚度，初期支護注意鎖腳錨桿注漿加固。最終計算結果如圖7～16和表2所示。

由圖7～16和表2可知，隨著開挖和支護的推進，地層應力逐步釋放，中夾巖柱第一主應力極值變化不顯著，第三主應力極值由-1.07 MPa逐步增大至-1.8 MPa，塑性區由匝道拱腳轉移至主洞側墻及拱腳，塑性區分布范圍很小，未出現急劇擴展。中夾巖柱位移由小逐步變大，匝道開挖后，隧道兩側收斂變形，主洞開挖后，中夾巖柱受力逐漸平衡。隨著支護結構的施作，最終水平位移為0.65 mm，說明中夾巖柱能夠基本保持穩定，滿足施工安全要求，采取的加固措施有效。施工過程應注意確保拱腳及側墻的施工質量，塑性區的發展應通過中夾巖柱注漿加固加以控制。

4?結語

通過對超小凈距隧道三種結構形式的比較，結合依托工程的特點，確定了采用中夾巖柱超小凈距隧道方案，采取錨桿注漿加固、加強初期支護等措施，利用微震爆破技術分步開挖。在地下互通式隧道由單洞過渡漸變到雙洞隧道，避免連拱隧道工序轉換繁瑣、進度慢、造價高的不足，成功實現超小凈距隧道（凈距僅1.04 m）的快速、安全施工，節省工程投資，保證了工程建設的進度。

針對超小凈距隧道中夾巖柱復雜的內力狀態，采用有限元數值模擬分析超小凈距隧道結構支護參數的合理性及施工穩定性，得到各施工步驟下圍巖及支護結構應力和應變狀態，從而指導設計與施工。結果表明：隧道拱腳處應力集中，需加強拱腳處支護結構參數，提高鎖腳錨桿數量并保證其施工質量;拱頂及中夾巖柱邊墻以上范圍系統錨桿加固效果明顯;采用中夾巖柱注漿加固措施，控制爆破技術，使中夾巖柱具備較好的穩定性、安全性;結構設計合理可行，施工過程結構穩定性良好，為以后巖質地層類似工程施工提供了經驗。

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