DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.042

浅埋偏压大跨花岗岩残积土小净距隧道合理间距研究

陈秋南¹，赵磊军¹，谢小鱼^{1, 2}，贺成斌¹，曹运江¹

(1. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，411201；

2. 湖南路桥建设集团公司，湖南 长沙，410004)

摘要：针对花岗岩残积土浅埋偏压大跨小净距隧道合理间距与偏压程度的关系问题，引入偏压率P，通过建立洞口段1:7，1:5和1:3共3种边坡坡度的偏压小净距隧道模型；基于FLAC^3D软件，研究花岗岩残积土围岩小净距隧道施工工法优化和不同偏压率P对其最小合理间距的影响。研究结果表明：双侧壁导坑法较适合偏压率为1.13的小净距隧道施工，最小合理间距为24 m，中间岩柱是最薄弱部位；岩柱上方地表沉降最大，靠近岩柱两侧隧道支护锚杆轴力最大，在施工过程中塑性变形较严重，进一步验证了数值模拟结果的合理性，因此，在施工时应优先加固岩柱的上岩盘，同时兼顾加固中岩盘和下方岩盘，确保中间岩柱稳定。

关键词：浅埋偏压大跨小净距隧道；合理间距；花岗岩残积土；数值模拟；工法优化

中图分类号：U459.2             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)09-3475-06

Reasonable distance for super-large section neighborhood tunnel of granite residual soil with shallow–buried bias

CHEN Qiunan¹, ZHAO Leijun¹, XIE Xiaoyu^{1, 2}, HE Chengbin¹, CAO Yunjiang¹

(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

2. Hunan Road & Bridge Construction Group Corporation, Changsha 410004, China)

Abstract: In order to discuss the relationship between reasonable spacing and degree of bias of granite residual soil shallow–buried bias tunnels with small spacing span, the bias ratio index P was introduced. After the tunnel portal of bias neighborhood tunnel models were built for three kinds of slope gradient, i.e. 1:7, 1:5 and 1:3, the impact of granite residual soil surrounding rock tunnel construction methods optimization and different rates of bias P on the reasonable minimum spacing were discussed based on the software FLAC^3D. The results show that the double side heading tunnel construction method is more suitable for bias of 1.13, and that the minimum reasonable distance of tunnel is 24 m, the middle pillar is the weakest part, the settlement of pillar above the group is the largest, the axial forces of the supporting bolt of both sides of the tunnel are the largest, and during the construction process the plastic deformation of both sides near the pillar is also the biggest. The numerical simulation method is feasible and effective; therefore, the rock on the plate of rock pillar must be firstly consolidated during tunnel construction, and rock both in the middle and under the plate must be consolidated to ensure the stability of the middle rock pillars.

Key words: large-span tunnels with small clear spacing in shallow buried; reasonable spacing; granite residual soil; numerical simulation; optimization of construction method

高速公路在穿越丘岭、山区时，大跨小净距隧道越来越受到设计者的青睐。这种隧道既能解决山岭场地窄的问题，又可以大大提高交通通行能力，但在隧道进出口段存在埋深浅、偏压严重和中间岩柱受力复杂不稳定的问题。不同的开挖方式对隧道的影响不同，选择合理的开挖方式是决定隧道设计施工成败的必要因素，因此，有必要对不同开挖方式下围岩和支护结构的变形及力学特征进行研究，优化隧道施工方案，这对于推动大跨度小净距隧道的发展和应用具有重要的现实意义^[1]。对于大跨度软弱围岩隧道，可以采用台阶法、预留核心土法、双侧壁导坑法和CRD法等进行施工^[2-4]。我国地下铁道工程施工及验收规范^[5]、公路隧道设计规范^[6]和日本盾构隧道标准规范^[7]中都将分离式独立隧道的最小间距规定为至少大于隧道跨径或直径的1倍，但对于小净距隧道的间距，应根据进出口地质、地形条件，结合使用要求，作出充分论证和比较研究后确定^[5]。在国内外均有隧道间距小于规范标准值而建设成功的先例，如新加坡高速公路系统采用四孔平行隧道穿越回填土和海相黏土冲积   层^[7-8]；日本京都建成的4 条近间距施工的盾构地铁隧道，隧道最小间距为0.729 m^[9-10]；王伟等^[11]开展了上海越江隧道合理间距研究，结果显示当江中段的隧道间距为0.8D(D为隧道跨径)时最合理；为0.7D时则基本合理，但需采取较严格的施工控制措施以确保安全；当取0.5D时，则有相当大的风险。本文以某高速公路浅埋、偏压段大跨花岗岩残积土小净距隧道为研究对象，采用有限差分软件分别建立双侧壁法、三台阶法和CRD法隧道开挖模型，并对3种工法的模拟开挖结果进行对比分析，优化超大跨度小净距隧道施工方案；结合花岗岩残积土小净距隧道的偏压特性，探讨其合理间距，并与现场监测成果对比分析，进一步验证其合理性。

1  工程概况

1.1  隧址概况

该隧道位于珠江三角洲边缘剥蚀低丘陵区，植被发育，相对高差约100 m。隧道洞口自地表往下分布依次有粉质黏土()、花岗岩残积土、全风化花岗岩等地层。隧道洞口埋深20~35 m，地质揭露洞口岩层为Ⅴ级围岩，因该隧道跨度大，双洞间距小，在开挖过程中极易造成围岩失稳甚至塌方。经分析，该区域水质对混凝土无腐蚀作用。

1.2  工法设计

受地形条件限制，该小净距隧道双洞净间距设计为18~36 m，单洞跨度约21 m，开挖高度约11 m，断面面积达240 m²。根据围岩特性和地形条件，在隧道进口段分别设计了三台阶法、双侧壁导坑法和CRD法3种工法进行施工。图1所示为3种工法施工工序示意图。

图1  3种工法施工顺序示意图

Fig. 1  Construction order scheme for three methods

2  不同施工工法模拟分析

2.1  模型的建立

根据图1中3种工法的施工顺序，采用有限差分软件FLAC^3D建立数值分析模型。模型水平方向宽度由隧道外边界向两侧分别延伸50 m，拱顶以上到地表(埋深最浅者为20 m，最深者为35 m)，下部方向由仰拱底部向下延伸50 m，隧道单洞跨度21 m，两隧道间距24 m，隧道纵向方向取20 m。

隧道洞口围岩为花岗岩残积土，基本属于Ⅴ级围岩。围岩和支护结构参数如表1所示，围岩超前支护按加固围岩参数。喷射混凝土-钢拱架支护结构弹性模量为15.0×10⁹ Pa，泊松比为0.30，厚度为20 cm；临时支撑结构弹性模量为1.0 GPa，泊松比为0.25；锚杆布置间距为1 m，锚杆长度为3 m，弹性模量为4.5×10¹⁰ Pa，水泥浆加固外圏周长为2 m，水泥浆耦合黏聚力为1.0 MPa。

表1  围岩和支护结构物理力学参数

Table 1  Physical and mechanical parameters of surrounding rocks and supporting structure

2.2  模拟计算结果分析

通过上述建模，模拟计算3种工法下围岩主应力场分布情况、隧道拱顶和地表沉降、围岩塑性区发展情况以及锚杆支护结构受力规律，分析结果见表2。

表2  模拟计算结果

Table 2  Numerical simulation calculation results

从表2可见：采用三台阶法虽然所得中间岩柱应力集中较弱，但拱顶沉降、地表沉降最大，中间岩柱塑性区基本贯通，锚杆轴力也最大。采用CRD法时，虽然各项指标大多比双侧壁法的小，但该工法工序繁多、复杂，工程进度缓慢。综合考虑多种因素，在加强支护的情况下，选择双侧壁法作为偏压浅埋、大跨花岗岩残积土小净距隧道施工工法。而此方法中塑性区主要集中在隧道的顶部、底部和中间岩柱左右两侧，因此，中间岩柱、拱顶和墙脚是小净距隧道施工中应重点关注的部位^[12]。以下研究不同偏压情况下的最小合理间距。

3  偏压小净距隧道的最小合理间距

大跨度小净距隧道的合理净距应根据工程地质条件、埋置深度等因素确定。隧道合理间距将有助于增强隧道周边围岩的稳定性，保证隧道施工及运营的安全以及经济上的合理性^[13]。破坏范围受偏压角度影响，当偏压角度较小时，破裂范围越小，破裂深度浅，塌落量小；反之，破裂范围宽，深度深，塌落量大^[14]。为了研究偏压浅埋大跨隧道合理间距与隧道偏压程度间的关系，引入偏压率P，P=1+eB/h₀(式中：e为地表坡度，B为洞宽，h₀为埋深)，采用FLAC^3D软件研究分析不同偏压率P时的隧道最小合理间距。研究条件如下：

1) 要求隧道左洞埋深相同(埋深均为30 m)，分别建立1:7，1:5和1:3共3种坡度的隧道模型。

2) 模拟隧道围岩级别为Ⅴ级(参数见表1)。

3) 喷锚支护条件下隧道中间岩柱塑性区贯通，视为隧道失稳，进行围岩稳定性分析。

4) 根据地表坡度e与偏压率P的关系，分析偏压率P分别为1.09，1.13和1.22时能保证围岩稳定的中间岩柱宽度。

3.1  偏压率为1.09时的隧道最小合理间距

当偏压率为1.09，间距分别为18，24，30和36 m时隧道喷锚支护开挖后的围岩塑性区分布如图2所示。其中：None表示无破坏单元；shear-n表示当前剪切破坏单元；shear-p表示以前剪切破坏单元；tensin-p表示以前剪张拉破坏单元；tension-n表示当前剪张拉破坏单元。由图2可知：受偏压影响，右洞围岩塑性区范围明显比左洞的大，边墙角和拱腰的塑性区发展严重。当隧道间距为18 m时中间岩柱塑性区贯通，在其他3种情况下中间岩柱塑性区分离。根据贯通视为失稳的准则，可认为当偏压率为1.09时，两隧道最小合理间距为24 m。

图2  偏压率为1.09时不同间距围岩塑性区分布

Fig. 2  Distribution of plastic zone with varied spaces when dias ratio is 1.09

3.2  偏压率为1.13时的隧道最小合理间距

当偏压率为1.13时，4种情况下隧道喷锚支护开挖后围岩塑性区分布如图3所示。从图3可见：两洞的围岩塑性区分布与偏压率为1.09时的相似，但塑性区的范围明显增大，此时，两隧道最小合理间距为24 m。

3.3  偏压率为1.22时的隧道最小合理间距

当偏压率为1.22时，4 种间距情况下隧道喷锚支护开挖后围岩塑性区分布如图4所示。从图4可见：与前2种偏压情况相比，偏压率为1.22时隧道右洞右侧塑性区变形严重，可见偏压越大，右侧围压会随之增大。当隧道间距为18 m和24 m时，中间岩柱塑性区贯通(图4(a)和4(b))；当间距为30 m时，中间岩柱塑性区分离图4(c)，可见两隧道最小合理间距为30 m时才能确保围岩稳定。

图3  偏压率为1.13时不同间距围岩塑性区分布

Fig. 3  Distribution of plastic zone with varied space when dias ratio is 1.13

图4  偏压率为1.22时不同间距围岩塑性区分布

Fig. 4  Distribution of plastic zone with varied space when dias ratio is 1.22

4  监测结果分析与讨论

该隧道的实际偏压率为1.13，设计两隧道的间距为24 m。为了确保该隧道洞口段的安全施工，除了喷锚支护外，还增设了I18钢拱架，间距为0.5 m，中间岩柱采用加密锚杆和注浆进行加固处置。隧道监测为洞口Ⅴ级围岩段，其他围岩和支护结构物理力学参数与表1中的一致。

为了验证花岗岩残积土小净距隧道洞口段模拟计算结果和设计的合理性，在施工过程中对地表沉降、拱顶沉降、收敛位移和支护结构内力进行监测和分析。

4.1  位移监测成果分析与讨论

监测点布置见图5。浅埋偏压小净距隧道洞口K49+750断面地表沉降监测点为图5中的点1，3，5，7和9，隧道拱顶沉降监测点为点A和B。地表沉降观测曲线见图6。

图5  监测点布置

Fig. 5  Arrangement of monitoring points

图6  地表沉降观测曲线

Fig. 6  Surface settlement curves of tunnel

从图6可见：地表沉降发展过程比较缓慢，5个测点的沉降在2014-06-22后基本趋于稳定，中间岩柱上方测点的沉降最大达到10 mm，这是左右动开挖频繁扰动所致，建议在施工过程中加强对岩柱的保护和加固。

拱顶沉降曲线见图7。图7中2个隧道拱顶沉降在2014-06-15左右趋于稳定，最大值为12 mm左右，左洞拱顶沉降略大于右洞拱顶沉降。拱顶沉降主要发生在侧壁上导坑开挖阶段和拱顶开挖阶段。

图7  拱顶沉降曲线

Fig. 7  Settlement curves of vault

4.2  锚杆轴力监测成果分析与讨论

在浅埋偏压小净距隧道洞口K49+750断面左右洞的拱腰均埋设3 m长的锚杆，每根测试锚杆分别设置3个锚杆应变计。图8所示为该断面测试锚杆轴力分布图。从图8可见：该断面锚杆轴力最大值发生在靠近中间岩柱一侧，左洞锚杆轴力最大为14.32 kN,右洞最大为12.56 kN，比远离中间岩柱一侧相应位置的锚杆轴力大得多。这表明花岗岩残积土小净距隧道的中间岩柱为施工时受扰动影响最大部位，需要重点加固上岩盘，同时兼顾加固中岩盘和下岩盘，确保中间岩柱稳定。

图8  锚杆轴力

Fig. 8  Axial forces of anchor

5  结论

1) 偏压浅埋、大跨花岗岩残积土小净距隧道采用三台阶法施工，拱顶沉降和地表沉降最大，中间岩柱塑性区基本贯通，锚杆轴力也最大。采用CRD法所得各项指标大多比双侧壁法的小，但工序繁多，复杂，扰动大，在合理超前支护情况下采用双侧壁法施工较合适。

2) 引入偏压率P=1+eB/h₀，基于FLAC^3D软件模拟研究不同偏压率时中间岩柱塑性分布规律，结果表明偏压率P=1.13时的隧道最小合理间距为24 m。

3) 隧道中间岩柱上方地表沉降最大，靠近岩柱两侧隧道支护锚杆轴力最大，在施工过程中塑性变形较严重。为确保岩柱稳定和安全，需优先加固岩柱的上岩盘，同时兼顾加固中岩盘和下岩盘。

参考文献：

[1] 龚建伍, 夏才初, 朱合华, 等. 鹤上大断面小净距隧道施工方案优化分析[J]. 岩土力学, 2009, 30(1): 236-240.

GONG Jianwu, XIA Caichu, ZHU Hehua, et al. Optimal analysis of construction schemes for Heshang small-space tunnels with large section[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(1): 236-240.

[2] 陈秋南, 王勤荣, 谢小鱼, 等. 扁坦超大断面小净距隧道支护结构的力学性状[J]. 公路交通科技, 2012, 29(9): 89-94.

CHEN Qiunan, WANG Qinrong, XIE Xiaoyu, et al. Mechanical characteristics of supporting structure for flat super-large section small spacing tunnels[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012, 29(9): 89-94.

[3] 章慧健, 仇文革, 冯冀蒙. 小净距隧道夹岩力学特征分析[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(3): 434-439.

ZHANG Huijian, QIU Wenge, FENG Jimeng. Mechanical performance of shared rock of neighborhood tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(3): 434-439.

[4] 安永林, 史胜利, 彭立敏, 等. 隧道浅埋软弱围岩段双下侧导坑施工性态[J]. 公路交通科技, 2009, 26(1): 114-119.

AN Yonglin, SHI Shengli, PENG Limin, et al. Construction behavior of double down-side drifts in a weak tunnel with shallow cover[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009, 26(1): 114-119.

[5] GB 50299—1999, 地下铁道工程施工及验收规范[S].

GB 50299—1999, Code for construction and acceptance of metro engineering[S].

[6] JTG D70—2004, 公路隧道设计规范[S].

JTG D70—2004, Code for design of road tunnel[S].

[7] 陈卫军, 朱忠隆. 近距离交叠隧道研究现状及评析[J]. 现代隧道技术, 2002, 39(1): 42-47.

CHEN Weijun, ZHU Zhonglong. Current situation and analysis of short-distance overlap tunnel[J]. Modern Tunnelling Technique, 2002, 39(1): 42-47.

[8] Lo K W, Chong L K, Leung L F, et al. Field instrumentation of a multiple tunnels interaction problem[J]. Tunnels and Tunnelling, 1998, 18: 4-16.

[9] 日本土木工程师学会. 隧道标准规范(盾构篇)及解说(2006年)[M]. 朱伟, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011: 209-214.

Japan Society of Civil Engineers(JSCE). Japanese shield tunnel standard and comment[M]. ZHU Wei, transl. Beijing: China Architecture and Building Press, 2011: 209-214.

[10] Yamaguchi I, Yamazaki I, Kiritani Y. Study on ground-tunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity, in relation to design and construction of parallel shield tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1998, 13(3): 289-304.

[11] 王伟, 夏才初, 朱合华, 等. 双线盾构越江隧道合理间距优化与分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(增1): 3311-3316.

WANG Wei, XIA Caichu, ZHU Hehua, et al. Optimization and analysis of reasonable distance of twin-tube river-crossing shield tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Suppl 1): 3311-3316.

[12] 杨小礼, 眭志荣. 浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2007, 38(4): 764-770.

YANG Xiaoli, SUI Zhirong. Numerical simulation of construction sequence for shallow embedded bias tunnels with small clear distance[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2007, 38(4): 764-770.

[13] 王辉, 陈卫忠, 陈培帅, 等. 浅埋大跨小净距隧道断面形态及合理间距的优化研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(增2): 641-646.

WANG Hui, CHEN Weizhong, CHEN Peishuai, et al. Study of section morphology and reasonable distance optimization of large-span twin tunnels with small clear spacing in shallow rock mass[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(Suppl 2): 641-646.

[14] 雷明锋, 彭立敏, 施成华, 等. 浅埋偏压隧道衬砌受力特征及破坏机制试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学), 2013, 44(8): 3316-3325.

LEI Mingfeng, PENG Limin, SHI Chenghua, et al. Model research on failure mechanism and lining stress characteristics of shallow buried tunnel under unsymmetrical pressure[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(8): 3316-3325.

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-10-25；修回日期：2014-12-19

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41172275)；湖南交通科技创新项目(201229) (Project(41172275) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(201229) supported by Hunan Traffic Science and Technology Innovation Program)

通信作者：陈秋南，博士，教授，博士生导师，从事岩土与隧道工程研究；E-mail: cqndoc@163.com