夏夢然

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

隨著隧道建設(shè)的快速發(fā)展，各種復(fù)雜地質(zhì)條件不斷出現(xiàn)，對隧道施工技術(shù)要求也不斷提高。在隧道建設(shè)場地不受限時，往往選擇分離式隧道，規(guī)范中對隧道最小凈距提出了明確要求，從而能夠使相鄰兩條線在施工過程中不影響彼此的應(yīng)力、變形等。然而，在某些城市淺埋隧道的修建過程中，受場地限制、地質(zhì)條件等諸多因素的影響，分離式隧道左右線凈距很難滿足《公路隧道設(shè)計規(guī)范》要求，從而常常采用小凈距或連拱隧道方案[1]。但連拱隧道存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、施工工序復(fù)雜、隧道的防排水效果不易控制等問題。小凈距隧道有施工方法簡單、造價相對低、工期較短、施工質(zhì)量容易控制等優(yōu)點，因此，小凈距隧道更容易推廣。

不同于一般的分離式隧道，小凈距隧道相鄰兩條線路施工過程中擾動影響較大[2]，先行洞室開挖后，改變了圍巖初始應(yīng)力條件，影響后行洞室開挖；后行洞室的開挖容易造成中隔巖柱變形，不利于隧道施工的穩(wěn)定性，導(dǎo)致科研人員無法單獨研究某一洞室的力學(xué)特征和變形規(guī)律。中國常用的雙洞小凈距隧道施工方法主要有單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和超前導(dǎo)洞預(yù)留光爆層法等，施工過程中，關(guān)鍵是要保證隧道的中隔巖柱有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[3-5]，能夠維持兩個隧道圍巖、襯砌承載體系的獨立性和完整性。迄今為止，出現(xiàn)了許多小凈距隧道施工成功案例，但與之相匹配的理論研究嚴(yán)重落后。Lo等[6]對多隧道之間開挖相互影響的現(xiàn)場監(jiān)測試驗研究了多洞隧道在施工過程中的相互影響，得出了先行隧道對后行隧道在力學(xué)性質(zhì)上的影響規(guī)律。Wu等[7]通過對兩條軟土盾構(gòu)隧道開挖過程中隔巖柱及圍巖的變形監(jiān)測，提出了小凈距隧道開挖過程對圍巖變形的影響規(guī)律。今田轍等[8]針對硬巖條件下多種隧道斷面及施工方式的小凈距隧道開挖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。Lo等[6]、Samuel等[9]、Kimmance等[10]、Snow等[11]、Long等[12]通過實際工程現(xiàn)場檢測，對小凈距隧道施工過程中相鄰洞室間的影響規(guī)律展開了大量研究。針對小凈距隧道影響因素的研究主要集中在隧道凈距、埋深、圍巖條件、開挖方法等方面[13-14]。

迄今為止，中國已修建了一些超小凈距隧道，在超小凈距隧道的施工過程中也遇到不少問題，如隧道施工中中隔巖柱圍巖的失穩(wěn)破壞，施工完成后襯砌能否成功承載等。有些問題可以通過工程經(jīng)驗來解決，但有些問題卻由于缺乏相關(guān)理論仍未能得到有效處理，因此，針對超小凈距隧道中隔巖柱圍巖穩(wěn)定性的研究意義重大。筆者基于小凈距隧道中隔巖柱承載模型確定中隔巖柱上覆應(yīng)力，結(jié)合土體極限應(yīng)力公式對中隔巖柱在不同施工條件下的失穩(wěn)破壞特征進(jìn)行分析。

1 小凈距隧道的定義及分類

《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70—2004)對分離式水平凈距在布線上做了原則性的規(guī)定，如表1所示，并規(guī)定當(dāng)隧道兩洞間中隔巖柱厚度小于表1建議值時可稱之為小凈距隧道。然而，隨著隧道及地下工程的蓬勃發(fā)展，特別是城市淺埋隧道，地層的復(fù)雜多變導(dǎo)致隧道設(shè)計空間大幅度降低，小凈距隧道的修建已成常態(tài)。

表1 普通分離式隧道雙洞間的最小凈距

目前常見對小凈距的分類標(biāo)準(zhǔn)多以中隔巖柱的塑性區(qū)貫通情況為主，隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，如果重新分布后的圍巖應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，則認(rèn)為此時圍巖仍未屈服，處于彈性階段，反之則圍巖達(dá)到塑性或破壞狀態(tài)，由此可將小凈距隧道按中隔巖柱塑性區(qū)分布情況分為4種關(guān)系，如圖1～圖4所示。

圖1 雙洞無影響

圖2 雙洞弱影響

圖3 雙洞強(qiáng)影響

圖4 雙洞進(jìn)入有危害區(qū)

1)無影響區(qū)：此區(qū)域即為規(guī)范規(guī)定的隧道合理凈距，隧道間中隔巖柱未遭到任何破壞，有足夠的承載能力，因此，兩隧道開挖互不影響，在設(shè)計或施工中按單洞開挖考慮即可。

2)弱影響區(qū)：隨著凈距的縮小，兩隧道開挖開始相互影響，彈性區(qū)內(nèi)圈初始地應(yīng)力開始升高，中隔巖柱整體處于彈性受力階段，此時，圍巖未屈服，在設(shè)計中可不對中隔巖柱進(jìn)行加固處理，但在施工中為防止遭遇圍巖軟弱破碎區(qū)需對兩洞進(jìn)行實時監(jiān)測。

3)強(qiáng)影響區(qū)：此時兩隧道的開挖對中隔巖柱的影響較為劇烈，隧道進(jìn)入開挖的強(qiáng)烈影響范圍之內(nèi)，兩隧道以剪應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度，進(jìn)入塑性狀態(tài)的圍巖即塑性區(qū)外圈相連，設(shè)計中需要特殊處理，施工中也需采取專門措施。

4)有危害區(qū)：隧道進(jìn)入開挖的異常強(qiáng)烈影響范圍，兩隧道以應(yīng)力和強(qiáng)度明顯下降的松動圈相連，無及時足夠的支護(hù)抗力，圍巖難以自穩(wěn)。

顯然，在設(shè)計空間足夠的情形下，按規(guī)范要求選擇合理凈距能大幅度減小工程難度，但有時在地下限制或地下空間的規(guī)劃要求下，保持較大的凈距有一定的困難，這就需要縮小隧道兩洞間的凈距，有時甚至需要縮小凈距達(dá)到圖4中不建議采取的危害區(qū)，一般將處于危害區(qū)的小凈距隧道稱為極小凈距隧道或超小凈距隧道。

2 影響小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性的因素分析

研究小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定性，需要首先分析其影響因素，已有大量學(xué)者對其影響因素進(jìn)行理論、試驗及數(shù)值分析。筆者通過總結(jié)前人研究成果，將這些影響因素分為兩大類：一為客觀因素或是自然因素，即隧址區(qū)本身的圍巖介質(zhì)條件，如覆土厚度，地下水分布情況等；二為主觀因素或施工設(shè)計因素，即人為確定的隧道凈距、形狀、大小、開挖方式、支護(hù)形式等。不管是主觀因素還是施工設(shè)計因素，都會對小凈距隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。

2.1 自然因素

2.1.1 上覆巖土體厚度 隧道上覆巖土體厚度決定了隧道圍巖的初始地應(yīng)力，在淺埋地層中，隧道上覆巖土體厚度越大，圍巖的初始地應(yīng)力也就越大，而小凈距隧道的開挖及開挖后的穩(wěn)定性均與隧道周邊圍巖的初始地應(yīng)力息息相關(guān)。隧道開挖后，圍巖的初始地應(yīng)力開始重新分布，在重新分布的過程中，往往會使隧道發(fā)生變形甚至失穩(wěn)破壞，從而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，特別是對于小凈距隧道而言，應(yīng)力的重分布勢必會對中隔巖柱內(nèi)巖土體產(chǎn)生不利影響，因此，研究小凈距隧道的穩(wěn)定性就必須考慮上覆巖土體厚度。

2.1.2 初始地應(yīng)力 隧道圍巖的初始應(yīng)力是在沒有受到人類活動影響的擾動而天然存在的天然應(yīng)力，圍巖初始地應(yīng)力場的形成跟地球的各種板塊運動擠壓、溫度不均勻、水壓梯度以及地表剝蝕等自然因素密不可分。初始地應(yīng)力狀態(tài)的分布對開挖后的隧道或其他地下工程在修建完成后應(yīng)力的重分布或失穩(wěn)破壞產(chǎn)生的變形狀態(tài)存在較大的影響。在應(yīng)力進(jìn)行重分布的情況下，會出現(xiàn)一系列隧道病害問題，如隧道壁出現(xiàn)拉應(yīng)力或壓應(yīng)力集中區(qū)，塑性區(qū)由此產(chǎn)生，其中某些部位可能發(fā)生松脹或擠壓。

2.1.3 巖土體性質(zhì) 巖土體的工程性質(zhì)一般主要表現(xiàn)為巖土體的強(qiáng)度或者堅硬度，倘若圍巖的完整性良好且均一、輕微裂隙發(fā)育和巖土體強(qiáng)度較高，那么圍巖的強(qiáng)度就高，隧道在開挖后圍巖變形就小，隧道發(fā)生失穩(wěn)破壞的概率就比較??；但如果圍巖破碎程度比較大，再加上巖土體的風(fēng)化程度比較厲害等不良因素，就會大大增加圍巖的失穩(wěn)概率。

2.1.4 地下水 大量現(xiàn)場施工經(jīng)驗表明，隧道或其他地下工程中，災(zāi)害基本上都與水有關(guān)，因此，含水量對隧道圍巖劃分等級至關(guān)重要[15]。水對圍巖主要有以下影響：

1)在地下工程中，如果長時間處于水環(huán)境下，巖石會軟化、強(qiáng)度下降，表現(xiàn)更加趨向于軟巖，土體會產(chǎn)生流動甚至液化。

2)當(dāng)圍巖中存在結(jié)構(gòu)面軟弱帶時，則將帶走充填物或使夾層液化，各層之間的摩擦阻力減少，將會導(dǎo)致巖塊滑移。

3)在潮濕的環(huán)境下，潮解膨脹的巖體會產(chǎn)生較大變形，砂礫巖石就是典型的潮解膨脹巖體，很可能引發(fā)潛蝕和流沙，當(dāng)黃土達(dá)到一定含水率時，黏聚力急劇降低[16]。

4)由于水體自重會增加支護(hù)的承載力。

5)可能發(fā)生滲漏或突水等狀況，影響正常的施工。

2.2 施工設(shè)計因素

在隧道或其他地下工程事故中，施工設(shè)計也是一個重要因素，施工設(shè)計主要包括：隧道形狀、斷面尺寸、開挖方式、支護(hù)類型、隧道埋深等。

2.2.1 隧道尺寸及形狀 隧道的尺寸和形狀，尤其是跨度對穩(wěn)定性的影響最為顯著。一般而言，隧道開挖的跨度越大，其產(chǎn)生的擾動就越大，圍巖就越不穩(wěn)定；對于同一種圍巖，洞室開挖越小，對原狀圍巖的擾動就越小，洞室的穩(wěn)定性越好。

圖5為隧道開挖寬度與穩(wěn)定性的概率圖[17]，由圖5可以看出，開挖寬度越大，塌方的幾率就越大，其中，開挖寬度在10～15 m范圍內(nèi)的塌方幾率占到70%。出現(xiàn)這種情況的主要原因是，開挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)重新分布，重新分布后有可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到圍巖的強(qiáng)度從而引發(fā)失穩(wěn)破壞。

圖5 洞室開挖寬度與塌方次數(shù)比例關(guān)系圖

2.2.2 開挖方法 不同的開挖方式對圍巖的擾動范圍也不盡相同。對于小跨徑的隧道，可以采用全斷面開挖、臺階法開挖；當(dāng)斷面跨度較大時，需要用擾動較小的方式，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法等進(jìn)行開挖，才能保證整個圍巖的穩(wěn)定性，減少地表的沉降。但是，只要有開挖，就會有擾動，無論是人工開挖還是機(jī)械開挖都不能避免，施工中爆破對圍巖擾動最嚴(yán)重。

2.2.3 支護(hù)方法和時間的影響 恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)可以有效控制圍巖變形，從而加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，保證施工人員和設(shè)備的安全性，因此，支護(hù)的方式和時機(jī)非常重要。超前支護(hù)或者強(qiáng)支護(hù)可以充分利用圍巖自身的承載力，大大增加圍巖的穩(wěn)定性。支護(hù)的時間也需要引起足夠的注意，修建隧道或其他的地下工程是應(yīng)力釋放的過程，其變形比較大且時間相對較短，因此，在圍巖發(fā)生較大變形之前，需要及時、合理的支護(hù)，這樣可以對松動的圍巖迅速地施加支護(hù)反力，較好地控制和減少圍巖的變形。

2.2.4 隧道埋深的影響 隧道或其他地下工程的埋深直接影響其穩(wěn)定性和安全性，通常埋深的深度越大，隧道受到的荷載就越大，當(dāng)埋深過大時，會導(dǎo)致高應(yīng)力場問題的產(chǎn)生，在施工過程中需要引起足夠的重視，不然可能會發(fā)生巖爆和大變形。

李炎延等[18]通過有限元強(qiáng)度折減法對隧道的穩(wěn)定性因素進(jìn)行研究，分析了埋深與隧道安全性之間的關(guān)系(見圖6)。從圖6可以得到埋深與安全系數(shù)近似滿足反比例關(guān)系，其他條件不變的情況下，隨著埋深的增加，隧道的安全性變得越低。

圖6 埋深與安全系數(shù)的關(guān)系

陳秋南等[19]研究了隧道埋深與失穩(wěn)塌方的概率(見圖7)。由圖7可知：當(dāng)埋深不大于10 m時，塌方的幾率比較??；當(dāng)埋深介于10～60 m時，塌方的概率占80%左右；當(dāng)埋深大于60 m時，隧道的塌方不足10%。說明當(dāng)埋深達(dá)到一定深度時，圍巖的穩(wěn)定性比較好，開挖隧道各種條件相對比較穩(wěn)定。

圖7 洞室埋深與塌方次數(shù)比例關(guān)系圖

3 超小凈距隧道中隔巖柱圍巖承載模型及破壞特征分析

3.1 中隔巖柱承載模型

超小凈距隧道研究的關(guān)鍵是中隔巖柱的穩(wěn)定性問題，有必要對中隔巖柱的承載能力及失穩(wěn)破壞的判據(jù)進(jìn)行研究。張志強(qiáng)等[20]結(jié)合連拱隧道施工期間中隔巖柱的實際受力過程，建立了中隔巖柱在“全覆土自重”荷載下的計算力學(xué)模型；在實際情況下，由于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的承載能力，中隔巖柱所受上覆荷載可分為兩部分：1)自身上方圍巖覆土壓力荷載，即圖8中中隔巖柱上覆荷載區(qū)域；2)兩隧道的開挖會造成隧道上覆土體的下沉，從而帶動中隔巖柱上覆土體下滑，產(chǎn)生附加的下滑荷載，如圖9中的隧道上覆荷載區(qū)域。

圖8 中隔巖柱承載模式分析圖

圖9 淺埋小凈距隧道計算荷載簡圖

考慮土體間的相互作用力，采用極限平衡方法，對中隔巖柱的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析計算，中隔巖柱上覆荷載計算圖如圖8所示。采用該模型需計算側(cè)向摩阻力，而針對淺埋小凈距隧道的圍巖壓力計算已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究，故選擇龔建伍[21]的理論分析模型來計算側(cè)向摩阻力，理論計算模型如圖9所示，為了便于分析，采用以下假定：1)假定地面水平且土體為均勻連續(xù)介質(zhì)；2)左右雙洞結(jié)構(gòu)對稱，水平向平行布置，左右洞先后順序開挖。由圖9可知，此時的隧道左右洞中隔巖柱上覆荷載P為

P=γdhL+(T1sinθ+T2sinθ)L

(1)

式中：γ為土體重度，kN/m3；d為凈距厚度，m；h為隧道上覆土體厚度，m；T1、T2分別為先行洞和后行洞的側(cè)向摩阻力；θ為滑面摩擦角；L為中隔巖柱長度，m。

則中隔巖柱所受應(yīng)力為

(2)

T1、T2可根據(jù)文獻(xiàn)[21]計算推導(dǎo)得出，此處不再贅述推導(dǎo)過程。T1和T2的計算公式分別為

(3)

(4)

式中：H為隧道中線上部高度，m；φc為圍巖計算摩擦角，(°)；β1、β2為產(chǎn)生最大推力時的破裂角，(°)，可由式(5)、式(6)計算得到。

(5)

(6)

將式(2)～式(4)帶入式(1)中，可求得中隔巖柱的上覆荷載。

由式(1)可知，中隔巖柱所受應(yīng)力大小與凈距、覆土厚度和土體的摩擦角和破裂角有關(guān)，此處僅研究凈距和覆土厚度的影響。計算參數(shù)為：φc=45°、θ=23°、γ=19.2 kN/m3、d=2.3 m、L=1 m、H=15 m。首先對凈距進(jìn)行分析研究，埋深h分別取4、6、8、10、12 m，計算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，隨著凈距的增大，中隔巖柱所受應(yīng)力隨之減小，且隨著埋深的增大，中隔巖柱所受應(yīng)力減小得也越快。分析原因可知，隨著埋深的增加，中隔巖柱上覆土體與隧道拱頂上部間的約束力也隨之增大，即中隔巖柱兩側(cè)的側(cè)向摩阻力隨之減小。隨后對埋深進(jìn)行分析研究，凈距取2、4、6、8、10 m，計算結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，中隔巖柱承載計算模型與埋深呈線性關(guān)系，且隨著埋深的增大，上覆應(yīng)力也迅速增大，可見，在中隔巖柱承載模型中，埋深是主要因素，凈距次之。

圖10 上覆應(yīng)力與凈距關(guān)系圖

圖11 上覆應(yīng)力與埋深關(guān)系圖

3.2 土質(zhì)中隔巖柱的破壞特征分析

τ=c+σtanφ

(7)

式中：τ為正應(yīng)力σ作用下的極限剪應(yīng)力，kPa；c為土體的黏聚力，kPa；φ為土體的內(nèi)摩擦角，(°)。

一般而言，淺埋小凈距隧道中隔巖柱的最大主應(yīng)力方向垂直，確定了中隔巖柱的主應(yīng)力后，可采用極限平衡條件分析土體是否達(dá)到破壞狀態(tài)，如圖9所示。

進(jìn)一步分析中隔巖柱達(dá)到破壞的應(yīng)力條件，轉(zhuǎn)化后表達(dá)式為

(8)

式中：σ1為土體最大主應(yīng)力，kPa；σ3為土體最小主應(yīng)力，kPa，表現(xiàn)在中隔巖柱中為支護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的支護(hù)反力。

采用最大主應(yīng)力比較法，已知隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)反力以及中隔巖柱土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可求取土體處在極限狀態(tài)下的最大主應(yīng)力σ1f。

(9)

中隔巖柱土體實際最大主應(yīng)力σ1已由式(2)求得，與σ1f比較可知，當(dāng)σ1f>σ1時，表示達(dá)到極限平衡狀態(tài)要求的最大主應(yīng)力大于實際的最大主應(yīng)力，中隔巖柱土體未發(fā)生破壞；當(dāng)σ1f=σ1時，表示中隔巖柱土體恰好處于極限平衡狀態(tài)，土體發(fā)生破壞；當(dāng)σ1f<σ1時，表示中隔巖柱土體已經(jīng)發(fā)生破壞。

3.3 中隔巖柱的破壞特征應(yīng)用分析

由以上研究可知，中隔巖柱的實際最大主應(yīng)力σ1主要由隧道凈距及覆土厚度決定，而土體處在極限狀態(tài)下的最大主應(yīng)力σ1f則由隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的支護(hù)力和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)決定。依托工程為玉函路隧道，由于玉函路隧道位于濟(jì)南市中心，交通人流量大，工程受現(xiàn)場空間的限制。道路設(shè)計最淺埋深約為5～6 m，最深埋深8～10 m。隧道選線及凈距厚度等均已確定，為保證中隔巖柱不發(fā)生破壞，需提高土體的極限最大主應(yīng)力σ1f，選取玉函路地下隧道中凈距2 m、覆土厚度8 m處為例進(jìn)行分析，圍巖的容重為19.2 kN/m3，初始黏聚力c為69 kPa，初始內(nèi)摩擦角φ為23°。

通過提高中隔巖柱土體抗剪強(qiáng)度的方式來提高土體極限最大主應(yīng)力。由圖12和圖13可知，當(dāng)提高土體的黏聚力時，中隔巖柱土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時的最大主應(yīng)力呈線性增加，但增長速率較為緩慢，且當(dāng)黏聚力超過98 kPa時，中隔巖柱土體將不發(fā)生破壞；當(dāng)提高土體內(nèi)摩擦角時，由于中隔巖柱上覆應(yīng)力與土體內(nèi)摩擦角同樣密切相關(guān)，單純提高內(nèi)摩擦角，在提高中隔巖柱土體達(dá)到極限狀態(tài)時的最大主應(yīng)力的同時，也會提高實際最大主應(yīng)力，且內(nèi)摩擦角的增大對極限最大主應(yīng)力的增大有限，因此，在抗剪強(qiáng)度的兩個指標(biāo)中，黏聚力起主要作用。

圖12 主應(yīng)力與黏聚力關(guān)系圖

圖13 主應(yīng)力與內(nèi)摩擦角關(guān)系圖

設(shè)定土體黏聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為23°，由圖14可知，與土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)相比，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的支護(hù)力對中隔巖柱的加固作用效果更顯著，但隧道未進(jìn)行支護(hù)，即中隔巖柱側(cè)向應(yīng)力σ3等于零時，土體極限狀態(tài)時的最大主應(yīng)力僅為60.43 kPa，遠(yuǎn)小于實際所受的最大主應(yīng)力(199.33 kPa)，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的側(cè)向力增大，中隔巖柱土體極限狀態(tài)下的最大主應(yīng)力也迅速增加，當(dāng)支護(hù)力超過63 kPa時，中隔巖柱土體就處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，在施工小凈距隧道時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的及時施作對中隔巖柱的加固起著重要作用。

圖14 最大主應(yīng)力與支護(hù)反力關(guān)系圖

4 結(jié)論

1)通過對已有小凈距隧道的系統(tǒng)調(diào)研，分析小凈距隧道的圍巖分布特征，并依據(jù)中隔巖柱塑性區(qū)貫通情況對小凈距隧道進(jìn)行分類，得出依托工程屬于小凈距隧道中的有危害區(qū)，需特別針對超小凈距隧道中隔巖柱進(jìn)行重點研究，為類似小凈距隧道工程提供了參考。

2)通過總結(jié)小凈距隧道的研究成果，對影響小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性的因素進(jìn)行研究，可將其分為兩類：一為自然因素，如上覆巖土體厚度、巖土體性質(zhì)、地應(yīng)力、地下水分布情況、圍巖裂隙發(fā)展程度等；二為施工設(shè)計因素，如隧道尺寸、凈距、形狀、支護(hù)形式等。