非对称小净距隧道施工顺序及施工方法研究

刘 春 邱 浩 尹 辉

（重庆科技学院，重庆401331）

近年来我国公路、铁路以及城市地铁隧道修建数量庞大，非对称小净距隧道数量也随之增多，这种隧道多为满足双线停车、节省用地、增添景观等设计要求[1]。

近年来对小净距隧道施工研究规律表明，先行洞对于中间岩柱和地层沉降的影响都弱于后行洞，通过转换隧道施工方法、加强支护方式、可以保证隧道的施工的安全[2]。非对称小净距隧道断面不对称的几何结构，导致隧道处于偏压状态，其围岩应力相互作用更加复杂，因此针对非对称小净距隧道施工顺序、施工工法展开研究对提高施工效率和保证施工安全具有重要的意义。

我国学者针对非对称小净距隧道主要通过理论分析、数值模拟等手段结合现场施工经验展开研究。张志强，黄朱林，韩飞[3]对软弱围岩地段的隧道开挖顺序和中间岩柱展研究得到先开挖小洞隧道优于先开挖大洞隧道，王小林[4]等人对断面非对称小净距黄土地铁隧道施工顺序模拟对比研究，得出大小断面地铁隧道先后施工顺序对拱顶沉降和地表变形影响相差不大，但是先小后大能够有效地减小拱腰水平位移和中间土柱应力。将坤[5]对v 级围岩非对称小净距隧道地铁隧道施工顺序进行分析，大断面采用CD 法施工，小断面采用环形开挖预留核心土法施工，研究发现小断面先行、大断面后行在控制隧道周边拱顶下沉、水平围岩、初期支护结构内力以及中间岩柱整体稳定性更有效。王振田，梁宪魁，朱睿[6]对并行非对称小净距隧（转下页）道施工顺序对夹岩受力、拱顶沉降和地表沉降的影响规律，结果表明先开挖大洞后开挖小洞对中夹岩受力和地表沉降相对更为有利。李伟聪[7]对不同围岩级别大断面隧道选用台阶法、反侧壁导坑法、小断面采用全断面施工综合分析围岩应力以及支护内力，后行洞采用全断面开挖法较可以减少对中间岩柱的多次扰动，以保证围岩的稳定性。

表1 断面信息表

表2 隧道支护物理参数

表3 建模物理力学参数一览表

2017 年苗天[8]非对称结构偏压小净距隧道施工工法数值分析采用双侧壁导坑法对控制围岩变形、岩柱应力和初衬轴力，减小对中间岩柱的扰动和偏压作用的影响最为有利，CRD 法次之，三台阶法最为不利。由此可见开挖工法和开挖顺序对于减少围岩应力、位移以及减少偏压作用、保证中间岩柱稳定具有重要的意义。

1 工程背景

选取重庆轨道交通九号线一期工程（高滩岩～兴科大道）高滩岩站～天梨路站区间为本工程的第一个区间（以下简称为高天区间），选取工程为高天区间的第一个工程，穿越的地层从上到下依次为人工填土、残坡积（Q4el+dl）粉质粘土及侏罗系中统沙溪庙组(J2s)砂岩、砂质泥岩。

本文针对高天区间的第一段路程，YDK0+554.214～YDK0+554.214 段进行分析，该段路程设计为双洞隧道，因左侧车道为双线车道，右侧车道为单线车道为减少工程造价，所以采用断面非对称隧道设计方式，左侧大断面隧道为A 断面，右侧小断面隧道为B 断面，左右两洞的中间岩柱的距离仅有2.82m，断面信息表如表1 所示。

2 隧道施工动态模拟

2.1 工况选取及模型建立

本次数值模拟的模型将钢拱架与喷射的混凝土单元折算为壳体单元进行计算，高滩岩站至天梨路区间工程地质围岩等级为Ⅳ级，其中砂岩、砂质泥岩占到大部分，建模围岩物理力学参数来源于地质勘探，由于二次衬砌作为后期筹备作用，本次模拟暂不考虑二次衬砌的影响，在数值模拟中按等效刚度的原则，将工字钢或格栅钢架的弹性模量折算到初期支护上，单车道和双车道之间的间距仅为2.8m，隧道之间的扰动比较大，采用钢拱架和锚喷支护相结合的支护结构。

式中：E 为折算后的弹性模量；

E0为混凝土的弹性模量；

SG为工字钢或格栅钢架的单位长度截面面积；

EG为工字钢或格栅钢架的弹性模量；

S0为混凝土单位长度截面面积。

隧道的支护参数和建模参数如表2 和3 所示。

为保证定因素分析，在进行开挖顺序和开挖工法模拟的过程中选择工程两隧道之间的净距2.8m，前后掌子面12m 进行开挖模拟。

其中模拟工况如表4 所示。

表4 模拟工况表

2.2 模拟计算结果及分析

图1 六种工况竖向位移图

表5 大洞先行双洞开挖后X Z 方向位移

表6 小洞先行双洞开挖后X Z 方向位移图

通过以上图表分析，不同开挖工法，不同开挖顺序，造成的拱顶沉降和拱底隆起数值不同，分布位置也有所差异。台阶法和双侧壁导坑法沉降最大值出现在拱顶，CRD 法则出现在右上部导洞，对上部围岩沉降区域影响也有所区别，台阶法对上方围岩影响区域最大，几种不同工法上部造成的围岩沉降呈现明显偏压特征，双侧壁导坑法和CRD 法偏压效应较小。隧道开挖完成后隧道沉降值、拱底隆起数值，台阶法＞CRD 法＞双侧壁导坑法，台阶法进行开挖，一次性开挖面积较大，开挖后隧道中部没有支撑，导致隧道变形难以控制，沉降和收敛值相对较大；

CRD 法将隧道断面分成几个断面分部开挖封闭成环，对于沉降收敛都具有较好的效果；

而双侧壁导洞法采用预留核心土的方式开挖，对于沉降控制较好，因此采用台阶法开挖时必要时考虑钢拱架作为临时支撑。

对比拱顶沉降和边墙收敛数值，三种施工工法不同开挖顺序，先开挖大洞要优于先开挖小洞。考虑断面较大的隧道，施工过程种隧道沉降难以控制，围岩受到扰动范围较大，当先行洞为小洞时由于围岩受到一定扰动导致大断面隧道开挖围岩受到二次扰动的强度远远大于大洞开先行时小断面隧道对于围岩造成的二次扰动，当然这也验证了多步序开挖容易造成围岩扰动对先行隧道的不利的局面，即后行洞隧道开挖工法选择以少步骤为标准，以减少对先行洞扰动。

图2 六种工况中间岩柱横向位移图

以上为八种不同工况下中间岩柱横向位移图，三种工法不同施工顺序，中间岩柱总是向先行洞隧道偏移且数值较大，不同施工顺序中间岩柱左右受力平衡点分布位置不同，以大断面为先行洞中间岩柱受力较为均匀，小断面先行洞中间岩柱受力偏压严重不利于中间岩柱的稳定；三种工法大断面隧道偏移数值出现最大点位置不同即围岩受力集中点不同，其中CRD 法施工中间岩柱横向受力较为均匀，台阶法集中在下台阶，双侧壁导坑法集中在中间岩柱中间区域，因此施工中不同施工工法中间岩柱支护侧重有所不同。考虑中间岩柱、拱顶沉降、边墙收敛开挖顺序以大断面隧道为先行洞，小断面隧道为后行洞，CRD法施工更利于隧道围岩和中间岩柱的稳定，不同开挖工法洞周、中间岩柱受力有所不同，施工过程中及时改变支护方案有利于保证施工安全。

3 结论

通过对非对称小净距隧道拱顶位移、边墙收敛、中间岩柱进行的相关分析，得以下结论：

（1）在开挖顺序上，通过分析开挖完成后的拱顶沉降、边墙收敛、中间岩柱位移，先开挖大断面隧道后开挖小断面隧道，对控制拱顶沉降、边墙收敛较有利，选用合适的工法可以减少上部围岩的偏压效应；选用在围岩条件较好的情况，后行洞开挖时选择施工步骤较为简单地工法以减少对先行洞围岩、中间岩柱的扰动。

（2）不同开挖工法施工隧道洞周和中间岩柱应力集中部位有所不同，在选择施工工法中优选对中间岩柱造成偏压较小的工法，施工过程中加强对受力集中部位监控测量，及时改变支护方案，对于保证施工安全进行具有重要的意义。