超小凈距隧道中巖柱受力分析研究與實踐

權國紹/ QUAN Guo-shao

（中國鐵建昆侖投資集團有限公司，四川 成都 610041）

1 超小凈距隧道方案的提出

李家臺隧道K1+273～K1+450 原設計為連拱隧道，設計方案為先開挖中導洞，開挖至設計樁號后轉為向洞口方向澆筑中隔墻混凝土，中隔墻完成后用工字鋼封閉右側中導洞，待從進口向出口開挖該段洞身土石方，主洞開挖采用CD 法進行開挖，進尺控制在1 榀鋼架間距，各臺階及時跟進，相距在3～5m 之間。隧道中隔墻與先行洞掌子面之間距離不小于50m，隧道先行洞二次襯砌與后行洞掌子面之間距離不小于40m。

超小凈距隧道結構介于獨立雙洞和連拱隧道之間，能夠充分發(fā)揮兩隧道洞間圍巖的自承能力，符合新奧法的設計思想。較獨立雙洞隧道，超小凈距隧道具有連線難度小、占地少等特點；和連拱隧道相比，超小凈距隧道具有工期短、施工質量易控制以及造價低等優(yōu)點。

超小凈距隧道和連拱隧道存在的重點問題在于“中隔墻”與“中巖柱”的比較。從施工工藝及工序比較：連拱隧道=中導洞施工工序+中隔墻施工工序+中導洞臨時支撐拆除工序；超小凈距隧道=中巖柱加固工序。

傳統(tǒng)連拱隧道中隔墻是采用鋼筋混凝土結構代替原有地層作為受力結構，需要先破壞原有地層結構，而超小凈距隧道是采用對中巖柱進行加固處理，對原有地質巖性結構不產生破壞，中巖柱加固施工與正洞施工同步進行，這樣大大節(jié)約了施工工期。此外，超小凈距隧道按照常規(guī)防水工藝安裝，防水板在二襯及初支間容易形成封閉整體，不受臨時支撐等的影響，有利于隧道結構防水。

經與設計溝通，拉開左、右隧道中心線線間距離，將該段雙連拱隧道優(yōu)化為超小凈距隧道。加快了施工進度，同時降低了施工成本。

2 超小凈距隧道總體方案設計

左、右線正洞按“小導洞先行，后斷面擴挖”的施工開挖技術方案進行施工。

2.1 小導洞先行

小面積開挖隧道，施作支護形成小導洞。小導洞的開挖，能有效減小對圍巖的擾動，使其充分發(fā)揮自身承載能力，同時可以提前釋放一部分地下應力，有效減小圍巖后期的沉降收斂，保證施工的安全。小導洞內施工作業(yè)，適當加固中巖柱，以提高中巖柱的承載能力，減小后續(xù)施工對圍巖的擾動，避免造成冒頂、坍塌事故的發(fā)生。

2.2 小導洞斷面設計

小導洞斷面尺寸擬為5m×6m（寬×高），具體尺寸可根據巖性、圍巖等級、埋深及左右洞相互影響綜合考慮進行調整。小導洞施工位置初步擬定于隧道中部，且底部與下臺階上部高度（工字鋼 B、C 單元連接位置高度）一致。

小導洞屬部分永久性初支+部分臨時支護結合方案，其支護參數(shù)采用I18 工字鋼+鋼筋網+噴射混凝土支護，工字鋼間距60cm，鋼筋網采用?8mm 鋼筋綁扎成20cm×20cm 的網片，錨桿采用?25mm 中空注漿錨桿（長2.5m），梅花形布置，噴射混凝土采用強度等級為C20 噴射混凝土，厚度為20cm。

2.3 斷面擴挖

小導洞擴挖至正常斷面，施作隧道初期支護。在對中巖柱進行加固后，預留3m 寬范圍采用鑿巖機開挖靠近巖柱一側的巖體，遠離巖柱一側（3～8m）采用淺孔松動爆破方式開挖，開挖時必須注意對中間巖柱的保護（采用弱爆破）。開挖后及時進行支護，特別是靠近中巖柱一側巖體，必要時可增加臨時支撐或加強支護參數(shù)。

3 數(shù)值模擬受力分析論證

為證明超小凈距段施工方案的可行性以及超小凈距采取相關施工措施的必要性，采用有限元法對不同工況進行數(shù)值模擬論證。分析結果表明整個隧道在正洞開挖情況下，隧道變形位移較大，塑性區(qū)范圍較廣，且延伸至地表，在采取相關施工措施后，隧道變形有較大幅度的減小，塑性區(qū)分布較小，整體處于一個較穩(wěn)定狀態(tài)，具體計算情況如下。

3.1 模型建立

根據具體工程概況，選擇斷面K1+450（YK1+450）出口段附近按最大淺埋工況進行分析，建立小凈距隧道施工數(shù)值模擬分析模型。模型中，為消除模型邊界效應影響，計算范圍取3～5 倍洞徑，其中左、右邊界取4 倍洞徑，下邊界取4 倍洞高，上邊界取為埋深平均深度15m。具體模型尺寸為144m×62.5m。

3.2 計算參數(shù)選取

計算中巖土體物理力學材料參數(shù)以地質鉆孔勘察報告和經驗取值為依據，加固區(qū)參數(shù)采用提升一級的圍巖級別的參數(shù)，參數(shù)取值如表1 所示。網格劃分情況及中間巖柱加固體如圖1 所示。

表1 模型中主要物理參數(shù)

圖1 網格劃分情況及中間巖柱加固體

模擬中，工字鋼通過等效方法進行考慮，按抗壓強度相等的原則，將鋼架的彈性模量折算成混凝土彈性模量，最后形成初支的等效彈性模量。計算得E等=28.819GPa。二襯鋼筋通過同樣的方法，將鋼筋的彈性模量折算給二襯混凝土，計算得E′等=31.609GPa。

3.3 模擬施工過程

1)建立模型，在自重應力場下進行平衡計算。

2)開挖左線上臺階并施作第一層初期支護，對相應區(qū)域進行加固，平衡計算。

3)開挖左線預留核心土，平衡計算。

4)開挖左線下臺階并施作第一層初期支護，平衡計算。

5)施作左線二次襯砌，計算平衡。

6)開挖右線小導洞并施作小導洞初期支護，平衡計算。

7)開挖右線上臺階，施作初期支護，平衡計算。

8)拆除小導洞，開挖右線下臺階并施作初期支護，平衡計算。

9)施作右線二次襯砌，平衡計算。

3.4 計算結果及分析

該數(shù)值仿真主要是模擬不同施工工序的全過程，從圍巖和初支受力等分析結果發(fā)現(xiàn)，各分部的開挖引起的內力及地層變形不是很大，因此此處不針對各施工步驟進行詳細分析，選擇性分析重點施工步驟。本模擬分析，主要從圍巖位移、中巖柱位移場和應力場及塑性狀態(tài)、支護內力等方面分析方面進行。

3.4.1 圍巖豎向位移

從各開挖步驟的圍巖豎向位移云圖可以看出，隨著隧道開挖，圍巖沉降值及圍巖擾動范圍不斷增大，左線隧道支護完成、右線上臺階擴挖和右線隧道支護完成3 個施工步驟中圍巖最大豎向沉降位移分別為2.39mm、3.35mm、3.36mm，基本均出現(xiàn)在隧道拱頂附近，但總體上位移沉降值較小。由此可知，當采用該種方案進行施工時，因小導洞開挖位置離左線隧道開挖斷面存在一定距離，且對中間巖柱進行加固處理，在右線隧道開挖時，右線的位移沉降相對較小。

3.4.2 中巖柱位移場和應力場及塑性狀態(tài)

根據各模擬步中巖柱塑性狀態(tài)判斷，在對中間巖柱進行加固后，隨著隧道開挖的進行，中間巖柱的塑性范圍有輕微增加，但中巖柱大部分區(qū)域還未發(fā)生屈服或者破壞。

在以上3 個分析步中，中間巖柱附近圍巖的最大豎向沉降位移依次是：1.49mm、2.35mm、2.43mm，最大水平正向位移依次是：-0.30mm、0.53mm、0.55mm。豎向位移較大值均在靠近隧道拱頂位置附近，而水平位置較大值基本均出現(xiàn)在兩線隧道中間巖柱最薄處附近。豎向應力較大值基本集中于中巖柱最薄處，且隨著開挖的進行，區(qū)域內的豎向應力基本一直在增大，最大豎向應力依次為：1.97MPa、2.68MPa、2.79MPa，而水平應力在左線擴挖時，中巖柱的水平應力達到較大值。這是由于開挖引起圍巖擾動，中間巖柱需要承受上覆土體的荷載，而巖柱尺寸極小，因而引起中巖柱位移和應力的增大。所以在右線擴挖時，必須特別注意對中巖柱的加固與保護，以防引起隧道的塌方。同時，須嚴格控制初期支護在各連接處以及鎖腳錨管的施作質量，及時將初支封閉成環(huán)，以提高整體承載能力。

3.4.3 支護內力

各模擬步中支護內力如圖2、圖3 所示。

圖2 右線隧道支護完成（軸力）

圖3 右線隧道支護完成（彎矩）

從上圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖的進行，初支的軸力和彎矩持續(xù)增大。以上3 個分析步中，初支最大軸力依次為：1.23×106N、2.02×106N、2.13×106N，較大值均集中在左線隧道右拱腳附近；初支最大彎矩依次為：+7.22×104Nm、+1.96×105Nm、+1.2×105Nm，較大值基本集中在左線隧道右拱腳附近以及右線隧道左拱腳附近；特別是在右線上臺階擴挖工序，左線隧道支護軸力最大值以及最大彎矩值均出現(xiàn)在右側靠近中間巖柱部位，且在右線隧道支護完成后，左線隧道最大彎矩值基本出現(xiàn)在右拱腳附近。此外，內力較大值處基本位于上、下臺階支護連接部位。因此一方面有必要加強中間巖柱的強度，使之與支護結構共同發(fā)揮承載能力，另一面可適當采取初支加強措施，并注意鎖腳錨桿等施作質量，保證在施工階段支護的穩(wěn)定性。

4 結語

1）原設計方案采用連拱隧道方案，施工工序煩瑣，造價較高；提出了超小凈距隧道的方案，并采用“小導洞先行，后斷面擴挖”施工工藝，施工工序較少，免去了側導洞和中導洞臨時支撐拆除和單獨開挖等工序，因此進度最快，大大縮短了斷面整體結構的完成時間，效益較好，整體造價也低。

2）經過數(shù)值模擬分析論證，認為采用“左線隧道正常開挖，右線隧道小導洞先行，再擴挖至設計輪廓”工藝能較好地控制圍巖變形，且能有效提高施工效率，縮短工期。

3）通過加固中巖柱，可以有效提高中間巖柱的強度和穩(wěn)定性減小巖柱塑性區(qū)范圍，此外，對圍巖的變形也有一定的抑制，減小圍巖的沉降收斂。

4）在加固巖柱前提下進行開挖支護，支護結構的安全系數(shù)大于規(guī)范所要求值，結構處于安全狀態(tài)下工作。

綜上所述，采用上述超小凈距施工方案，輔以采用中巖柱加固、爆破控制及冷開挖工藝，能保證隧道施工的安全性，縮短工期，減少成本投入。同時在施工中仍需加強支護結構的施作質量，根據現(xiàn)場圍巖揭露情況，必要時加強支護結構強度或施作臨時支撐。