高兴隆

隧道设计规范规定[1，2］:两相邻单线隧道间的最小净距，应按围岩地质条件、隧道断面尺寸及施工方法等因素确定，一般情况，在Ⅴ类 ～Ⅳ类围岩中为(2.0～2.5)B，在Ⅲ类围岩中为(2.5～3.0)B，B为隧道开挖宽度。随着我国城市的不断发展，浅埋特大断面小净距隧道将愈来愈多，因此，研究软弱围岩浅埋特大断面小净距隧道施工方法具有重要的现实意义。

1 工程概况

西北某隧道场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘陵区，地质复杂，施工难度大。隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，全长860m。隧道最大埋深约为68m，洞口浅埋段埋深6m～15m，从外到内穿越Ⅴ，Ⅳ级围岩，主要岩性为强风化花岗岩。隧道最大毛洞开挖跨度B为18m，高度11m，左右洞最小净距W为10m，属于浅埋特大断面小净距隧道[3，4］。

2 Ⅴ级围岩小净距隧道开挖支护方案优化

2.1 现场监测分析

隧道浅埋段采用双侧壁导坑法开挖，表1和表2分别为典型断面隧道周边位移和拱顶下沉监测结果。

表1 隧道周边位移监测结果

表2 隧道拱顶下沉监测结果

由表1，表2可见，初期支护最大收敛值只有1.45mm，拱顶最大下沉值为5.87mm，都远小于规范规定的允许限值。可见，双侧壁导坑法能充分保证隧道围岩的稳定性，但由于设计双侧壁导坑开挖支护方法施工工序繁多，工效低，因此，为实现隧道早日贯通，在保证结构安全的前提下，可对隧道支护形式进行简化与优化，以加快施工进度节省工期。下面利用数值模拟技术[5］对Ⅴ级围岩段中典型断面进行数值模拟，确定合理的优化方案。

2.2 支护优化数值分析

双侧壁导坑开挖法施工工序如下:1)开挖左侧导坑上台阶;2)施工上台阶初期支护和临时支护，施工上台阶锁脚锚杆;3)开挖左侧导坑下台阶;4)施工下台阶初期支护和临时支护(必要时边墙脚设置锁脚锚杆);5)开挖右侧导坑上台阶;6)施工上台阶初期支护和临时支护，施工上台阶锁脚锚杆;7)开挖右侧导坑下台阶;8)施工下台阶初期支护和临时支护，施工上台阶(必要时边墙脚设置锁脚锚杆);9)开挖中部上台阶上部分;10)施工拱部初期支护;11)开挖中部上台阶下部分;12)施工中部临时仰拱;13)开挖中部下台阶;14)施工仰拱初期支护;15)施工仰拱第二层初支;16)施工仰拱二次模筑衬砌;17)拆除临时支护(一次拆除纵向长度小于2m);18)施工边墙及拱部第二层初期支护;19)分步施工防排水系统和边墙、拱部二次模筑混凝土衬砌。如图1所示，以下称作方案1，优化变更方案则是在设计方案中取消第二层初支结构，将二衬结构厚度调整为75cm，以下称作方案2。建立二维有限元模型，对两种方案进行数值计算，比较隧道围岩位移、应力变化，进而确定科学合理的优化方案。

图1 双侧壁导坑法示意图

1)隧道围岩位移分析。位移场的分析主要考虑开挖后围岩的竖向位移的大小，同时考虑中间岩柱侧壁的水平位移，本研究分析左右洞的关键位置拱顶、拱腰和中间岩柱的位移情况。计算结果显示，隧道开挖后，围岩最大竖向位移为-3.578mm，在右隧道拱顶，围岩最大水平位移为-1.684mm，同样是出现在浅埋的右隧道。表3为两方案开挖引起洞室的主要位移结果对比，从表3中可知，方案2对水平位移影响很小，主要对拱顶竖向位移有影响，两洞室的拱顶沉降都比方案1要多下沉0.14mm。拱顶最大下沉为-3.578mm，而已开挖并支护的同一围岩级别的断面的拱顶下沉监测值为-4.78mm，由于模拟断面(未开挖)与已开挖断面隧道埋深不同，可以近似认为两种方法得到的值一致，因此数值模型参数取值及边界条件是合理的。

表3 两方案主要位移计算结果汇总 mm

图2为拱顶随开挖步的沉降图，开挖第2)步～第8)步为左洞开挖和初期支护段，因此这期间右洞拱顶变化很小，其值主要是由左洞开挖引起的，而在9)步～15)步时，为右洞开挖和支护段，因此这期间左洞拱顶变化小。从图2中可知，两洞在开挖到靠近中间岩柱一侧时，拱顶都有较大的变形，尤其是右洞开挖这侧时(第11)步)拱顶有一个明显的下沉，左洞拱顶变化相对小些，而左洞在挖核心土时(第6)步)，对拱顶的下沉也引起了一个较大的变化。方案1和方案2由于主要是在第二道支护和二衬上的不同，因此在洞室的前14步两洞室拱顶下沉曲线是重合的，而从第15)步拆除临时支护后，方案2的两洞室拱顶沉降要大于方案1。

图2 洞室拱顶随开挖步的沉降图（单位：mm）

2)隧道围岩应力分析。计算分析可知隧道开挖后，方案1和方案2的围岩最大拉应力都出现在左隧道的左拱脚处，最大值分别为104 909 Pa和109 784 Pa，方案2比方案1最大主应力增加了3.6%，方案2隧道围岩最大拉应力值增大了，围岩的抗拉强度1mPa;最大压应力都出现在左隧道靠近中间岩柱的墙中处，其值分别为-1.47mPa和-1.46mPa;两方案在两隧道的墙角处和中间岩柱中心都出现了应力集中。隧道围岩主要应力计算结果汇总列于表4。由表4可知，方案2在隧道开挖后衬砌应力均有增加，但最终衬砌最大压应力值未超过C30混凝土的抗压强度设计值(13.3mPa)，最大拉应力也未超过C30混凝土的抗拉强度设计值(1.33mPa)。

表4 围岩主要应力计算结果对比mPa

3)对比分析结果。隧道围岩的变形、应力等方面对两种方案对比分析如下:

a.采用优化方案2，在拱顶下沉和水平方向的位移比方案1分别大0.14mm和0.082，两方案位移变化不大，且最大变形都在规范规定以内。b.方案2围岩最大的应力要略比方案1大，但没超过衬砌的抗压强度和抗拉强度。c.对于塑性区的范围，方案2最大塑性变形为0.403mm，方案1最大塑性变形为0.402m，两方案塑性区范围大致一样。

通过以上数据的对比，两方案支护各方面对比变化都不大，各种变形都在规范规定之内，对此围岩级别断面，所采取的开挖和支护都是合理的。综合考虑工程实践，优化开挖支护方案2与设计方案1相比，通过减少工序与支护措施[6］，有效提高施工功效，能充分保证围岩稳定，实现隧道尽早贯通。因此，优化开挖支护方案2是安全可行的。

3 结语

根据以上对已开挖断面的位移监测分析及数值分析对比知，优化变更开挖支护方案能充分保证小净距隧道围岩稳定，施工功效显著提高，经济效益显著。Ⅴ级围岩下采用优化的单层支护方案，取得直接成本节约77万元，工期效益23万元，共计节约100万元。现场监测数据显示:左侧拱顶测点最大累计下沉3.50mm，水平累计收敛最大为1.2mm，隧道围岩稳定。

[1]姚 勇，何 川，谢卓雄.双线小净距隧道中岩墙力学特征及加固措施研究[J］.岩土力学，2007，28(9):1884-1888.

[2]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S］.

[3]段慧玲，张 林.大跨度公路隧道合理开挖方法对比研究[J］.土木工程学报，2009，42(9):114-119.

[4]王应富，蒋树屏，张永兴.四车道隧道动态施工力学研究[J］.公路交通科技，2005，22(6):134-137.

[5]靳晓光，刘 伟，郑学贵.小净距偏压公路隧道开挖顺序优化[J］.公路交通科技，2005，22(8):61-64.

[6]刘艳青，钟世航.小净距并行隧道力学状态的试验研究[J］.岩石力学与工程学报，2000，19(5):590-594.