小净距隧道合理滞后距离的确定

赵亚龙，任 刚，孔 君，修占国，李志军，郑晓萍，董庆伟

(1.东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2.中交隧道工程局有限公司， 北京 100000)

进入21世纪以来，随着我国交通路线网络的不断扩建、改造，以高速铁路和城际铁路以及为推进城市化进程而大量持续建设的以地铁为主的地下交通得到了飞速的发展，而公路隧道作为其重要的组成部分也得到了飞速的发展[1]。根据2004年的《公路隧道设计规范》[2](JTG D70—2004)，首次正式提出了小净距隧道的概念:隧道间的中间岩柱厚度小于独立双洞最小净距值的特殊隧道布置形式，规定了分离式独立双洞间的最小间距，一般小于1.5倍隧道开挖宽度。作为一种新的隧道结构形式，小净距隧道很好的克服了分离式隧道在展线及与洞外接线困难的问题，同时也克服了联拱隧道在造价高、施工工艺复杂、质量控制难度大的问题[3-4]。小净距隧道不仅能够很好的适应地形、地质条件以及桥隧衔接方式，并且有利于线路的整体规划及线型优化，同时具有明显的技术经济效果，因此在公路和铁路隧道中到了广泛的应用，尤其是在山区隧道中[5]。

由于小净距隧道两平行双洞间距离较小，先行洞与后行洞的开挖势必会对中岩柱造成多次扰动，而中夹岩作为小净距隧道稳定性最重要的部位势必会对整个隧道的安全性产生重要的影响[6]。如果先行洞与后行洞掌子面的滞后距离较近，中岩柱会同时受到左右隧洞施工的叠加影响，对整个隧道的安全性会产生严重的隐患；如果距离过长，则不利于施工进度的控制，会无形之中延长工期，造成成本的浪费[7]。

然而我国对于小间距隧道滞后距离的研究很少，田国宾[8]利用ANSYS对小净距隧道的滞后距离进行了研究，但其只对竖向位移和承受荷载进行了分析，并没有考虑中夹岩处的水平位移。何巍[9]以九岭隧道某小间距段为工程背景用ANSYS对对滞后距离进行了研究，但是其只选取了6 m、15 m、30 m三个滞后距离进行了研究，结果存在偶然性。高一杰等[10]对浅埋暗挖的隧道滞后距离进行了研究，虽然其对应力、位移、支护都进行了数值模拟，但是其选取的滞后距离同样只有三种间距，其结果存在偶然性。综上可知他们在研究的深度和系统性方面存在不足。同时在设计和实际工程施工中为了保证安全，都设有很大的滞后距离，故对小净距隧道的合理滞后距离有很重要的研究价值[11-13]。本文以重庆兴隆隧道小净距段为背景，研究在小净距平行双洞隧道的合理滞后距离。

1 工程概况

兴隆隧道为重庆三环高速公路合川至长寿某标段，位于重庆市渝中区木耳镇金刚村。为双向四车道高速公路，设计速度为80 km/h，隧道宽11 m，高6 m，设计荷载为公路-Ⅰ级。本文研究的小净距段位置为K35+495—KZ38+034段。区段属构造侵蚀丘陵地貌区，隧道大体沿垂直构造线方向布置，与岩层走向呈大角度相交。分布地层主要为第四系全新残坡积粉质黏土、素填土、坡积块石土，分布不均匀，部分地段基岩出露，出露地层岩性为侏罗纪中统上沙溪庙组泥岩、砂岩组成。依据《公路隧道设计规范》[2](JTG D70—2004)第3.6.3-3.6.5条规定的质量指标BQ值判断法，计算此区段围岩等级为Ⅳ。

2 模型的建立

数值模拟软件采用适用于岩土工程分析的FLAC3D5.0软件，其采用显示三维快速拉格朗日分析程序，该程序能够很好的模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动以及软化至大变形的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形和施工过程[14]。

根据设计，小净距段净距为6 m，埋深30 m。为研究滞后距离，数值模拟设置两开挖掌子面间的滞后距离分别为6 m、12 m、18 m、24 m、36 m五工况进行开挖，其开挖方法为台阶法。围岩参数采用现场勘测数据并结合公路隧道设计规范选取：弹性模量0.37×1010Pa，泊松比0.33，密度为2 150 kg/m3，黏聚力为0.45×106Pa，内摩擦角为44.5°。本构模型采用摩尔-库仑本构模型。模型中隧道边界高度为11 m(B为隧道开挖宽度，B=11 m)，高度为7.8 m，隧道净距为6 m。以两隧道中间为中心的模型的边界条件为：x=-60、x=60，x方向固定；z=-35，z=35，z方向固定；上面边界自由，y=0，y=72，y方向固定。其网格单元见图1，其监测点见图2。

3 计算结果分析

3.1 围岩竖向位移分析

(1) 拱顶沉降分析。图3—图6为监测点左洞监测点1拱顶竖向位移和右洞监测点5拱顶竖向位移曲线图。在隧道围岩的位移分析中，拱顶的沉降是一个判断围岩稳定性的重要指标，为了研究滞后距离对隧道稳定性的影响，非常有必要分析拱顶位移随滞后距离变化的规律。

注：B：隧道开挖宽度。步数指的是数值模拟计算步数。

图5 拱顶竖向位移

从拱顶竖向位移曲线图可以看出：在不同滞后距离之下，左洞(先行洞)和右洞(后行洞)拱顶的最终沉降值基本一致，最终都稳定在一个定值。从计算结果可知不同掌子面的滞后距离对于最终沉降值影响不大，但是在施工掌子面接近监测断面时沉降值变化很大。

从左洞拱顶竖向位移曲线可以看出，随着开挖的进行，在不同滞后距离下，监测点沉降变化最大的位置为开挖到监测断面的位置，而距离监测断面前后变化率不断减小，在五个循环范围之内有较大变化(每个开挖循环为3 m)，在≥15 m(五个循环)之后变化率很小。右洞拱顶监测点的沉降情况与左洞大致相同，即在距离开挖到监测断面15 m时对监测点的沉降值变化率很小。我们还可以看出左、右洞拱顶沉降位移曲线变化基本一致，且时空效应很明显。

每种滞后距离之下峰值位移占总沉降位移值的变化情况见表1。

表1 左、右洞开挖一循环最大沉降值占总竖向位移沉降值 单位：%

从不同滞后距离之下开挖一循环最大沉降值占总竖向位移沉降值可知，随着开挖掌子面间滞后距离的增大，最大沉降值占总沉降位移值比例有减小的趋势，其中左洞(先行洞)在D=0.5B时约占42%左右，但是在间距D≥2.0B时基本稳定在39%左右。右洞在D=0.5B时约占44%左右，但是在间距D≥2.0B时基本稳定在41%左右。还可以看出右洞测点的沉降峰值占比大于左洞。

综上分析并结合开挖的空间效应，距离开挖目标断面约1.3B时，开始出现沉降峰值有明显增大趋势，而在距离目标约1.5B时,监测点的沉降趋于缓和，表明开挖工作面对洞室围岩的影响范围约为1.3B～1.5B左右，也就是说开挖掌子面最小滞后距离要保持在2.5B～3.0B。在这个范围之外，开挖面对围岩扰动就不是那么明显了。

(2) 中夹岩核心处竖向位移。中夹岩核心区竖向位移见图7。中夹岩处拱腰水平位移见图8。从图7可以看出在距离监测断面D=1.2B时开始出现较大的沉降，在D≥1.2B时，沉降变化平缓。从图8中可以看出，中夹岩核心区的竖向位移终值变化不大，但随滞后距离的增大而减小。由中夹岩核心区沉降位移可知，开挖工作面对洞室围岩的影响范围约在1.2B～1.5B左右，也就是说在开挖面前后1.2B～1.5B的范围有较大的影响,可知两隧道掌子面的滞后距离要在2.4B～3.0B之外。在这个范围之外，开挖面对围岩扰动就不是那么明显了。

3.2 左、右洞拱腰收敛及中夹岩水平位移分析

中夹岩处拱腰和核心区监测点分别为2、3、4。从图8和图9可以看出，在不同滞后距离之下拱腰处水平位移随滞后距离变化的趋势基本一致。在距离开挖面约五个开挖循环(15 m)内能看到明显的位移变化，在D>15 m后水平位移变化趋势很小，说明在距离开挖面15 m之后，开挖对围岩水平位移的影响非常小。

从图9和图10可以看出中夹岩核心区水平位移波动的范围随开挖滞后距离的增大而增大。其水平位移值出现了左右波动的情况,先向左洞之后返回右洞，最终位移基本没有变化。其目标断面的波动值在0.5B～1.5B时变化最大。其水平位移也是在距离开挖面约D=15 m时开始出现较大的水平位移，在D≥15 m时水平位移变化趋势很小。综上可知小间隧道的滞后距离在2.5B～3.0B较为合适。

3.3 中夹岩应力分析

(1) 左、右洞拱腰及中夹岩分析监测点为2、3、4监测点的竖向应力分析。从图11拱腰处的竖向应力可以看出，随着两隧道滞后距离的增大，无论是左洞拱腰还是右洞拱腰其最终竖向应力基本没有变化，右洞竖向应力大于左洞竖向应力。左洞和右洞拱腰竖向应力随开挖步变化的曲线在不同的滞后距离之下很相似，基本都是在距离开挖面前后D=6 m(两个开挖步)范围内其应力开始有大的变化值，在D=6 m～15 m时，其变化趋势开始减小，在D≥15 m之后其趋于平缓，说明在其之后受滞后距离影响非常小。从上图中我们还可以看出随着滞后距离的减小，其应力减小相同值需要的开挖步越小，也就是说在很短的时间内其竖向应力就会急剧增大，左洞与右洞施工的叠加效应更加明显。随着滞后距离的增大，这种现象开始明显减弱，出现了明显的分离现象。

从中夹岩核心区竖向应力云图12、图13可知，随着滞后距离的增大中夹岩核心区竖向应力逐渐减小，但减小不大。在不同滞后距离之下竖向应力随开挖步的进行其变化趋势基本相似，不同之处在于随着滞后距离的减小，在很短的时间内其竖向应力就会急剧增大。在D=3.0B之后增长非常缓慢。同样也从中可以看出在D=6 m(两个开挖步)范围内其应力开始有大的变化，在开挖到监测断面时有急剧增大的应力变化值，在D=6 m～15 m时，其变化趋势开始减小，在D≥15 m之后其变化值很小。

综上可知，在监测断面前后两个循环步(6 m)时对隧道稳定性影响最大，在D=6 m～15 m有较大影响，在D≥15 m之后影响变小，竖向应力开始趋于平稳。故滞后距离最好保持在23 m～30 m之间，也就是2.2B～3.0B之间。

(2) 左、右洞拱腰及中夹岩分析监测点为2、3、4监测点的水平应力分析。中夹岩上的水平荷载对中夹岩的稳定性具有重要的意义，一般对于围岩体材料而言其抗压强度远远高于抗剪前度，由于小间距隧道后行洞的开挖会大幅削减隧道的边墙的抗剪强度，对中隔壁在形成后的受力十分不利[15]。通过对中夹岩部分水平应力分析可知：随着滞后距离的增大，无论是中夹岩的拱腰部分还是核心区部分最终水平应力变化不大，只有少许的增大。可以看出拱腰水平应力最小，其次是右洞，与左洞相比差别不太大。最大的是中夹岩核心区水平应力，较左右洞大很多。

从图14—图16可知，在不同滞后距离之下其水平应力的变化趋势大致相同，左洞和右洞拱腰竖向应力随开挖步变化的曲线在不同的滞后距离之下基本非常相似基本都是在距离开挖面前后D=6 m时(两个开挖步)其应力开始有大的变化值，在开挖到监测断面时有急剧增大的应力变化值，在D=6 m～15 m时，其变化趋势开始减小，在D≥15 m之后其变化值很小，说明其受滞后距离影响非常小。从图中我们还可以看出随着滞后距离的减小，其应力减小相同值需要的开挖步越小，也就是说在很短的时间内其竖向应力就会急剧增大，左洞与右洞施工的叠加效应更加明显。随着滞后距离的增大，这种现象开始明显减弱，出现了明显的分离现象。

从图中还可以看出，在不同滞后距离之下的中夹岩处核心区水平应力变化趋势基本相同，不同的是随着滞后距离的减小其应力叠加效果越明显。当D=0.5B时可以明显的看到出现了连续的应力波动和叠加现象。在短时间内的应力连续波动和急剧增加对围岩稳定性是很不利的。随着滞后距离的增大，连续波动逐渐分开，且叠加作用明显减小。同样也可以从中看出在D=6 m时(两个开挖步)其应力开始有大的变化值，在开挖到监测断面时有急剧增大的应力变化值，在D=6 m～15 m时，其变化趋势开始减小，在D≥15 m之后其变化值很小。通过分析中夹岩部分水平应力，两隧道的滞后距离最好在2.0B～3.0B之间。

4 结 论

(1) 在不同滞后距离下两洞的拱顶最终沉降值几乎一致。在开挖掌子面前后约15 m以内其拱顶沉降变化值较大，之外变化趋于平稳。中夹岩核心处竖向位移同样在距离开挖掌子面15 m范围内竖向位移变化率大。

(2) 在不同滞后距离下拱腰水平位移最终值变化基本相同，在距离开挖面15 m范围内变化较大,随着滞后距离的增大变化趋势逐渐减小。

(3) 从竖向应力可以看出随着滞后距离的增大，左、右洞最终竖向应力基本一致，右洞略大于左洞。无论是中夹岩部分的拱腰还是核心区，在D=15 m时(两个开挖步)其应力有大的变化值，在D≥15 m之后其变化趋于平稳。水平应力规律与竖向应力规律基本相似，最终值几乎没有变化，变化较大范围均出现在距离开挖掌子面15 m内。

(4) 通过对应力、位移的分析两隧道的滞后距离最好保持在2.2B～3.0B之内。