小净距隧道围岩稳定性控制技术研究

小净距隧道围岩稳定性控制技术研究

李群武

中铁十六局集团第五工程有限公司河北唐山064000

摘要：近年来，我国的隧道工程建设有了很大进展，在隧道工程中，小净距隧道围岩稳定性是小净距隧道工程的基本问题之一。通过对小净距隧道围岩变形、应力以及塑性区分布特点进行系统研究，总结分析了小净距隧道围岩稳定性特点，基于此对小净距隧道围岩稳定性控制技术进行了探讨，提出了小净距隧道围岩稳定性控制技术应从充分发挥围岩自承能力、加强中夹岩墙加固措施以及减小围岩扰动等3个方面进行考虑，并对中夹岩墙合理加固参数的确定进行了研究。研究成果可为小净距隧道的设计和施工提供参考。

关键词：小净距隧道；围岩稳定性；中夹岩墙；控制技术；合理加固参数

引言

小净距隧道是双洞最小净距小于正常使用规定范围的隧道，因其中间岩柱较薄、双洞净距小、对施工相互影响大，而不宜应用于长、特长的隧道。但小净距隧道能够满足特定的地质地形条件及线桥隧衔接的需要，当长、特长隧道需要洞口局部压缩净距时可以考虑使用。

1小净距隧道围岩压力演化特点

支护结构的受力状态直接体现了隧道的稳定性，因此为了研究小净距隧道施工期间围岩的稳定性，对支护结构的安全性进行评价，达到信息化施工的目的，需要对小净距隧道围岩压力演化规律有一个充分的认识。本文取小净距隧道双洞内侧围岩压力进行研究，一般来说，小净距隧道双洞内侧受施工影响较为明显，为支护结构受力最不利位置，结构安全性低，因此取双洞内侧围岩压力进行分析具有较强的代表性。

2小净距隧道围岩塑性区发展特点

对于不同的侧压力系数，围岩塑性区分布情况也大为不同，当侧压力系数较小时（λ＝0.1），围岩无塑性区产生，这说明无需进行辅助施工即可保证隧道安全，随着侧压力系数的增大，不仅在隧道周边出现了塑性区，在地表也出现了屈服，这表明对于浅埋小净距隧道而言，地层变形可向上传递至地表，使得地表处于不稳定状态，因此，在进行隧道施工时地表变形也应格外关注。此外，随着侧压力系数的不断增大，地表塑性区范围和围岩塑性区范围均不断增大，λ＝1时双洞间塑性区已然贯通，此时中夹岩墙处于极不稳定状态，但地表塑性区与围岩塑性区并未贯通，在二者中间存在受力状态相对较好的弹性区将二者隔开，此时需及时对中夹岩墙进行加固，否则一经施工扰动将诱发进一步围岩失稳，塑性区范围扩大，甚至可能使得地表塌陷，造成不可估量的经济损失和人员伤亡。

3小净距隧道围岩压力影响因素分析

①垂直围岩压力影响因素分析。浅埋小净距隧道垂直围岩压力主要与隧道跨度、埋深和双洞净距有关。小净距隧道垂直围岩压力与隧道开挖宽度（即跨度）和双洞净距相关性较弱，这是由于在隧道开挖宽度较大或双洞净距较小时，隧道施工风险较大而采取了相应的辅助施工方法，从而一定程度上影响了隧道围岩压力的分布；而随着埋深的增加，垂直围岩压力近似呈直线增加，这表明上覆岩土层自重对垂直围岩压力有直接影响。②侧压力系数影响因素分析。小净距隧道侧压力系数随埋深的增大而减小，其机理为隧道埋深增大有利于压力拱的形成，虽然在浅埋隧道中无法形成成熟的压力拱，但这种趋势使得随着埋深增大，小净距隧道内侧垂直压力增长率要比水平压力大，因此使得“偏压”现象更为明显。随着净距增大，侧压力系数值也逐渐增大。这是由于当净距增大时，双洞间相互影响减弱，荷载模式逐渐趋近于单洞，这表明小净距隧道侧压力系数要小于相同条件下的单洞情况。侧压力系数与围岩地质参数黏聚力和内摩擦角相关性较强，黏聚力和内摩擦角越大，侧压力系数越小；而与围岩弹性模量相关性较弱，笔者认为这与统计样本较少而弹性模量相对较为集中有关。但总体而言，围岩条件越好，侧压力系数则越小。侧压力系数与隧道跨度之间并无明显相关性，这是由于实际工程中，在条件允许的情况下，隧道跨度不仅应满足工程要求，其选取往往与净距相互制约，在施工工艺、支护时机的选择等方面也会作出相应的调整，因此隧道跨度对侧压力系数的影响并不明显。

4小净距隧道围岩稳定性控制方法

4.1小净距隧道围岩稳定性控制原则

隧道开挖使得原本处于平衡状态的岩土体受到扰动，通过围岩变形和应力转移寻求新的平衡状态，对于小净距隧道，这一过程尤为漫长。通常情况下小净距隧道双洞施工进程因场地和设备限制而不同步，先行洞的施工对围岩形成一次扰动，后行洞在开挖时对双洞之间的中夹岩墙形成二次扰动，此时先行洞的支护－围岩平衡状态也被打破，因此，在后行洞施工过程中应减小围岩扰动，同时通过对先行洞的实时监控量测及时对支护进行加强，防止围岩失稳。根据隧道设计要求，隧道围岩变形标准一般是确定的，这就决定了隧道的容许变形量一般是确定的，因此可以通过加固和支护措施来控制围岩变形的大小，从而达到控制围岩稳定性的目的，据此可得小净距隧道围岩稳定性控制流程。首先进行隧道围岩稳定性判别，根据本文提出的方法对围岩塑性区、变形量以及应力集中程度进行预测，并采用工程类比法或理论分析等手段确定以上3个评价指标的控制标准，并依次对三者进行评价，只要有一项不满足安全性要求即视为隧道围岩无法长期稳定，需对其采取相应的辅助措施，并实时对围岩变形和受力进行监控量测，实现信息化施工，确保施工安全。

4.2合适的施工方法

小净距隧道后洞开挖往往会打破既有隧道的平衡状态，围岩经过复杂的应力重分布后达到新的平衡。不同的施工方法和施工顺序对既有隧道的扰动也不尽相同，引起的围岩应力重分布、变形等都不一样。由本文分析可知，侧壁导坑法由于对中夹岩墙的干扰较小，中夹岩墙受力状态较好，因此优于台阶法。然而侧壁导坑法施工工序复杂繁琐，且施工空间狭小造成施工难度加大，施工工期较长，而台阶法施工设备简单，工期较短，经济效益比较理想，因此施工方法的选择需要结合具体工程进行优化。

4.3合理的支护设计

由于小净距隧道应力集中程度较大，易出现受力薄弱区，在长期的隧道施工过程中较难维持其自身稳定，因此需要结合围岩变形和受力特征，选取合理的加固方法和加固时机对其进行干预。当围岩条件较好时，侧压力系数相对较小，对中夹岩墙可采用锚杆支护协助其承载；对于极其破碎的软弱围岩，由于侧压力系数较大，中夹岩墙受力过大，其自身稳定性差，需要先对其进行注浆加固改善围岩条件，充分发挥围岩自承能力，同时辅以锚杆支护协助围岩承载，即可达到较为理想的支护效果。对于隧道结构设计，由于小净距隧道偏压效应显著，应采取不对称支护技术，双洞内侧支护结构受力较大，应适当加强，外侧支护受力较小，可适当弱化，从而使隧道围岩—中夹岩墙—支护结构形成共同承载的力学体系，改善支护结构的受力特性，防止围岩失稳和破坏。

结语

综上所述，本文对小净距隧道施工过程中围岩塑性区分布、变形和受力特点进行了分析，提出了小净距隧道围岩合理加固参数的确定方法，研究成果可为完善小净距隧道的设计和施工方法提供一种思路。

参考文献

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