程高峰

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041051）

0 引言

隨著國(guó)家公路網(wǎng)建設(shè)的不斷完善及中西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，高速公路逐步向崇山峻嶺地區(qū)邁進(jìn)，由于小凈距隧道能夠更好地適應(yīng)山區(qū)的地形地貌，因此小凈距隧道修建規(guī)模越來(lái)越大，但其在修建過(guò)程中多次擾動(dòng)圍巖，其圍巖應(yīng)力多次重分布，且小凈距隧道結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜，極易引起隧道局部塌方、變形、基地失穩(wěn)等病害。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)小凈距隧道的施工技術(shù)已開(kāi)展了大量的研究工作。祁寒[1]等人利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)15種工況下淺埋偏壓小凈距隧道開(kāi)挖進(jìn)行了模擬，對(duì)均質(zhì)硬巖、均質(zhì)軟巖和豎向半軟半硬巖中不同凈距隧道的拱頂沉降、中巖墻的水平位移、中巖墻最大主應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)進(jìn)行了分析。張學(xué)富[2]等人以重慶南山隧道出口端淺埋偏壓小凈距段為依托工程，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并利用ANSYS軟件建立二維有限元模型對(duì)各工況圍巖位移、應(yīng)力場(chǎng)及錨桿軸力進(jìn)行對(duì)比分析，研究了其施工力學(xué)特性。張運(yùn)良[3]等人運(yùn)用ANSYS軟件研究淺埋偏壓小凈距隧道在不同的偏壓角度、間距、埋深條件下，先開(kāi)挖深埋側(cè)和先開(kāi)挖淺埋側(cè)兩種工況下的受力變形特性，并對(duì)比分析了圍巖拉應(yīng)力、洞周最大位移、中巖柱水平位移和豎向應(yīng)力等。胡華星[4]等人以艾坪山隧道為依托工程，利用數(shù)值模擬手段分析了軟弱圍巖洞口淺埋小凈距隧道分別采用先挖埋深較淺和先挖埋深較深兩種工況，提出了先開(kāi)挖埋深較淺隧道再采用預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿支護(hù)的施工方法。

然而小凈距隧道在爆破施工過(guò)程中易造成圍巖損傷破壞，且伴隨產(chǎn)生新的節(jié)理裂縫，嚴(yán)重影響圍巖的整體穩(wěn)定性。因此，本文結(jié)合黃衢南高速公路橫嶺底隧道的工程實(shí)際情況，重點(diǎn)分析了小凈距隧道合理凈距的取值影響因素，結(jié)合小凈距隧道爆破施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，并利用數(shù)值模擬手段分析了不同凈距隧道施工過(guò)程中的塑性區(qū)分布情況，從而綜合確定了小凈距隧道的合理凈距，為類似工程提供了借鑒意義。

1 工程概況

黃山至衢州高速公路是浙江省“二縱二橫十八連三繞三通道”中最重要的“一連”，是國(guó)家公路網(wǎng)中7條首都放射線中“北京-臺(tái)北”重要的組成部分，其在國(guó)家公路網(wǎng)中作用極為重要。該高速公路位于地質(zhì)及地形條件極為復(fù)雜的山嶺重丘區(qū)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為減小隧道開(kāi)挖量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低工程造價(jià)、增加線形的靈活性，在整條高速公路中共修建11座小凈距隧道，其中橫嶺底隧道最具代表性。該隧道左洞長(zhǎng)度為646 m，右洞長(zhǎng)度為638 m，最小凈距僅為3.5 m，行車(chē)道凈寬為2×3.75 m，建筑界限為高5.5 m，寬10.75 m。該隧道進(jìn)口處位于一斜坡地貌上，其坡度為33°～45°，地表覆蓋有6～8 m厚的殘坡積土，含有大量黏性土、碎石土，呈棱角狀，灰黃色，稍密；其下為黏性土層，厚度為10～12 m；下伏基巖為泥巖，主要包含全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、微風(fēng)化泥巖。

2 小凈距隧道合理凈距影響因素

2.1 地質(zhì)因素

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力狀態(tài)受到擾動(dòng)，被擾動(dòng)范圍大小與巖體強(qiáng)度性質(zhì)有密切聯(lián)系。隧道圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)即隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力經(jīng)調(diào)整后的分布特征，可以說(shuō)，小凈距隧道開(kāi)挖掌子面穩(wěn)定性受其圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的影響。在地質(zhì)條件較好情況下，圍巖自身穩(wěn)定性較好，隧道開(kāi)挖后圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)為彈性應(yīng)力，不采取支護(hù)措施也可處于穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時(shí)，隧道開(kāi)挖后，圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)為塑性狀態(tài)，產(chǎn)生塑性區(qū)，若小凈距隧道凈距取值較小，使得左右洞圍巖塑性區(qū)產(chǎn)生疊加，極易造成隧道圍巖失穩(wěn)、塌方、大變形等病害。

2.2 施工因素

由于不同施工方法對(duì)于隧道圍巖的擾動(dòng)程度不同，其圍巖應(yīng)力狀態(tài)也不同，因此小凈距隧道施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)開(kāi)挖方法進(jìn)行嚴(yán)格選用，保證圍巖穩(wěn)定。目前，針對(duì)Ⅵ級(jí)圍巖，一般采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖，并根據(jù)實(shí)際情況采取一定的超前支護(hù)加固措施；對(duì)于V級(jí)圍巖，尤其針對(duì)淺埋、偏壓、松散土質(zhì)情況下，推薦采用正向單側(cè)壁導(dǎo)坑法；對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，可根據(jù)實(shí)際情況選取上下臺(tái)階法與正向或反向側(cè)壁導(dǎo)坑相組合的方法進(jìn)行開(kāi)挖。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)可知，小凈距隧道相鄰洞施工相互影響，后行洞采用側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)，可使得先行洞開(kāi)挖類似于分離式隧道，而先行洞在地質(zhì)條件較好情況下可優(yōu)先選用臺(tái)階法。

2.3 爆破震動(dòng)速度

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）中的規(guī)定，小凈距隧道施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)相鄰隧道凈距、圍巖級(jí)別、隧道支護(hù)措施等情況對(duì)最大臨界震動(dòng)速度進(jìn)行確定。對(duì)于Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖段的先行隧道，最大臨界震動(dòng)速度應(yīng)不大于20 cm/s；Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖有支護(hù)措施條件下不大于35 cm/s，無(wú)支護(hù)條件下不大于30 cm/s；Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖有無(wú)支護(hù)情況下均應(yīng)不大于40 cm/s。

2.4 爆破震動(dòng)頻率

對(duì)于隧道圍巖而言，其對(duì)爆破震動(dòng)的阻尼作用大小與爆破震動(dòng)頻率有關(guān)，即在高頻震動(dòng)情況下，圍巖阻尼作用較大，爆破震動(dòng)能量吸收率較高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在爆破震源點(diǎn)附近，高頻震動(dòng)含量較高，而隨著距離的不斷增大，低頻震動(dòng)含量逐漸增大。由于隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的自振頻率通常較低，當(dāng)爆破震動(dòng)主頻率與自振頻率接近時(shí)，引發(fā)自振作用，因此爆破震動(dòng)頻率對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響較大。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 爆破震動(dòng)測(cè)試方案

為全面了解小凈距隧道后行洞在爆破施工過(guò)程中對(duì)先行洞的影響程度，本文依托橫嶺底隧道工程，選取其右洞YK38+420斷面為典型測(cè)試斷面，其圍巖級(jí)別為V級(jí)，埋深為20 m，兩洞凈距僅為4.5 m。在該測(cè)試斷面選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)布設(shè)在迎爆側(cè)的邊墻部位，這些部位通常是最大震動(dòng)速度出現(xiàn)區(qū)域[5]，測(cè)試點(diǎn)間距為2 m，其位置情況如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖2所示。

圖1 測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

圖2 測(cè)試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況

在爆破現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中應(yīng)使用TC-4850型爆破測(cè)振儀進(jìn)行爆破震動(dòng)信號(hào)的拾取，該測(cè)振儀配置了X、Y、Z三個(gè)方向的速度傳感器，并附帶相應(yīng)軟件進(jìn)行矢量合成分析。在測(cè)試過(guò)程中，拾振點(diǎn)粘貼在隧道邊墻部位，其將爆破震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳回采集系統(tǒng)。

3.2 爆破震動(dòng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中所獲取的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的震動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 3個(gè)測(cè)試點(diǎn)振波時(shí)間曲線

由圖3可以看出，P2斷面的爆破震動(dòng)速度明顯較大，此原因主要在于當(dāng)爆破面前方中巖柱兩側(cè)為臨空面時(shí)，后行洞在爆破開(kāi)挖施工過(guò)程中對(duì)先行洞前方中間圍巖體的震動(dòng)影響明顯大于后方圍巖；且先行洞的邊墻位置處，豎直方向爆破震動(dòng)速度遠(yuǎn)大于縱向速度。

4 數(shù)值模擬

本文在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，重點(diǎn)研究不同凈距工況下圍巖塑性區(qū)的分布情況，并提取對(duì)應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試P2斷面的爆破震動(dòng)速度，從而進(jìn)行全面分析。本文選取V級(jí)圍巖條件下的典型斷面分別建立了凈距為4 m、6 m、8 m、10 m四種工況下的隧道模型，其中凈距10 m的模型如圖4所示，其圍巖塑性區(qū)如圖5所示。

圖4 隧道模型網(wǎng)格圖

圖5 凈距10 m時(shí)的圍巖塑性區(qū)

由上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，在V級(jí)圍巖條件下，當(dāng)凈距為10 m時(shí)，后行洞進(jìn)行爆破施工作業(yè)，其中間巖柱塑性區(qū)面積較凈距為4 m、6 m、8 m時(shí)的面積明顯減小，且唯有凈距為10 m時(shí)塑性區(qū)未覆蓋到先行洞的系統(tǒng)錨桿作用區(qū)，可見(jiàn)V級(jí)圍巖10 m凈距工況下后行洞爆破施工對(duì)其中間巖柱穩(wěn)定性影響較小，滿足施工安全要求。

5 結(jié)論

a）小凈距隧道合理凈距影響因素主要包括地質(zhì)因素、施工因素、爆破震動(dòng)速度、爆破震動(dòng)頻率等，因此在施工過(guò)程中應(yīng)充分考慮地質(zhì)、施工因素，嚴(yán)格控制后行洞的爆破震動(dòng)因素。

b）當(dāng)爆破面前方中巖柱兩側(cè)為臨空面時(shí)，后行洞在爆破開(kāi)挖施工過(guò)程中對(duì)先行洞前方中間圍巖體的震動(dòng)影響明顯大于后方圍巖。

c）在V級(jí)圍巖條件下，凈距為10 m時(shí)中間巖柱塑性區(qū)范圍較小，可滿足后行洞爆破施工情況下先行洞的整體穩(wěn)定要求。