小凈距隧道支護結構設計原則與施工措施研究

【摘要】小凈距隧道是介于普通分離式隧道與連拱隧道的一種結構型式，由于不受地形條什以及總體線路線型的限制，其較連拱隧道有施工工藝簡單、造價較低的特點，愈來愈受到工程界的育睞。但山于小凈距隧中間巖柱體厚度遠小于普通分離式隧道，具圍巖變形和支護結構受力較為復雜。本文結合小凈距隧道圍巖的受力、變形特點，對小凈距隧道的支護結構設計原則與施工步驟進行了研究。
【關鍵詞】隧道 小凈距 設計原則 施工步驟

1前言
在地下鐵道、鐵路隧道、公路隧道中，由于受到地形條件以及總體線路線型的限制，往往不得不在間距不充分的條件下修建2孔或多孔隧道。在該種情況下，目前主要采用連拱隧道及小凈距隧道等特殊結構型式，而工程實踐表明，連拱隧道存在大量缺點：諸如1)由于開挖總斷面較大、扁平率較低、施工較復雜，施工中極易產生塌方，施工期間的安全性不易保證；2)由于結構構造復雜，中墻頂部連接處的防水問題很3囡解決，建成后容易滲漏水，嚴重影響公路隧道的適用性和耐久性；3)連拱結構對變形敏感，襯砌易出現裂縫，破壞結構整體，安全性較差；4)進出口淺埋段及低類別圍巖段工程造價過高等。而小凈距隧道施工工藝同普通分離式隧道相比差別較小，較之連拱隧道施工工藝簡單，造價低，施工安全性和長期可靠性容易得到保證。但由于小凈距隧道中夾巖柱體的厚度較小，其圍巖穩定性和變形特點，支護結構的受力機制具有自身的特征，因而支護結構的設計原則和施工方法將與其他結構型式隧道不同。
2 小凈距隧道圍巖的受力、變形特點
小凈距隧道圍巖的受力、變形特征與隧道斷面型式、斷面尺寸、圍巖類別、隧道埋深、中夾巖柱體厚度、開挖方式、支護型式和參數選取等眾多因素有關。其中，小凈距隧道與普通分離式隧道的主要區別是，前者中夾巖柱體的厚度較薄，因施工過程中的多次擾動而成為受力薄弱環節。當圍巖類別較低，巖柱較薄時，其中夾巖柱體將形成貫通的塑性區，嚴重影響圍巖的穩定性。
圖1為開挖單洞和雙洞后，拱頂位移與隧道凈距、圍巖類別的關系曲線圖。可知拱頂位移隨隧道凈距減小、圍巖類別降低而急劇增加。
圖2為雙洞開挖后等效應力隨隧道凈距的變化情況圖。從中可以看出小凈距隧道隨著中夾巖柱體厚度的減小，其圍巖的受力變得愈來愈不利，尤其是中夾巖柱體的受力。
因此，對于小凈距隧道宜限據圍巖條件、巖柱厚度等因素選取合理的斷面型式、開挖方式和支護參數等。

3 小凈距隧道支護結構設計原則
小凈距隧道與普通分離式隧道相比，中夾巖柱體厚度較薄，受力不利，加之地質條件變化較大，參數準確選取相當困難，因此，對于小凈距隧道支護結構設計，宜在監控量測的基礎上采用動態設計的原則。需注意以下幾個方面的問題：
(1)初次支護宜采用錨噴支護，有利于及早進行支護，保護圍巖、穩定圍巖的變形，同時，有利于根據實際監控量測情況進行支護加強。
(2)初期支護宜作為主要受力結構，二次襯砌采用模筑混凝土或鋼筋混凝土，只承受少量荷載，主要作為安全儲備，有利于在圍巖條件惡化后，保證隧道的長期安全性。
(3)中央巖柱體的穩定性是小凈距隧道是否成功的關鍵，應根據情況對中夾巖柱體采用大噸位預應力錨索、對拉錨桿、無阽結鋼絞線、小導管預注漿、水平貫通式錨桿等技術進行加固。
(4)仰拱對減小、抑制圍巖的變形，改善支護結構的受力有重要作用，因此，對于小凈距隧道宜考慮設置仰拱并使其盡早閉合。
(5)由于現場地質條件的復雜性和多變性，對于支護結構、中夾巖柱、圍巖的受力和變形狀態進行現場監控量測具有重要意義。
(6)雖然數值計算在參數選取、模型建立上與現場實際情況有較大的出入，當在隧道設計中用以作為輔助手段，研究圍巖、支護結構變形、受力不利部位和薄弱環節，作為定性分析，仍是很有必要的。
(7)巖柱厚度對支護結構、圍巖的受力和變形，特別是巖柱體的穩定有重要的影響，因此，無論何種圍巖，巖柱體均不宜過小。
4 小凈距隧道的施工
小凈距隧道的施工方法與普通分離式隧道相比差別不大，但由于中夾巖柱體厚度較小，在施工過程中，其是受力薄弱部位，穩定性較差，因此，在施工中對中夾巖柱體的保護將至關重要。小凈距隧道施工的難點、重點是合理選取開挖順序、控制爆破作業，確保隧道開挖過程圍巖的穩定，減小兩隧道之間由于凈距較小引起的圍巖變形、爆破震動等不利因素。對于低類別圍巖、軟弱、破碎圍巖來說，重在確定合理的開挖順序，減少對圍巖的擾動；對于高類別圍巖、堅硬、完整圍巖，重在控制爆破振動對圍巖穩定性的影響。
4．1 采用合理的開挖順序
為確保開挖過程中圍巖的穩定性，減小因隧道間距小引起的圍巖變形、爆破震動等不利因素，滿足小凈距隧道中央巖特有的加固要求，一般情況下，I、II類圍巖采用正向單側壁導坑法的開挖方法，Ⅲ類圍巖采用反向單側壁導坑的開挖方法,IV、V、VI類圍巖采用超前導坑預留光面層的開挖方法。
表1 雙車道小凈距隧道推薦采用施工方法

(1)對于I、II類圍巖，宜采用正向單側壁導坑法，該法有利于及早對中夾巖柱進行加固，及早對中夾巖柱進行監控量測，為開挖后存在的風險提供超前預報，以便及時處理。
當遇隧道斷面較大、圍巖條件較差、隧道淺埋、地下水豐富時，圍巖難以自穩，應對圍巖進行超前預加固、地表加固或對單側側壁的上、下臺階進—步采用分步開挖。
當圍巖狀況較好，掌子面穩定性好，為發揮大型設備的優勢，加快施工進度，也可以將單側側壁的上、下臺階合為一步開挖或采用上下臺階與正向單側壁導坑組合法，但應控制開挖進尺。
(2)對于Ⅲ類圍巖，宜采用反向單側壁導坑，有利于減小爆破振動對中夾巖柱的影響，當圍巖條件較好、掌子面易穩時，對于土質、軟質巖石條件，可采用上下臺階與正向單側壁導坑組合法；對于硬質巖石條件，可采用上下臺階與反向單側壁導坑組合法或上下臺階法。
(3)對于Ⅳ、V、Ⅵ類圍巖，宜采用超前導坑預留光面層的開挖方法，增加開挖臨空面，降低爆
破對巖柱的影響。Ⅳ、V、Ⅵ類圍巖自穩定性好，開挖的關鍵在于減小爆破振動對巖柱的影響，由于超前導坑的存在，二次擴挖(預留光爆層)的爆破裝藥量可以大大減小，從而降低爆破對巖柱的影響。對于巖柱較厚時，可采用上下臺階和全斷面開挖法。
(4)由數值計算町知，小凈距隧道后開挖隧道對先前施工隧道的影響較先施工隧道對后施工隧道的影響大，因此，在兩孔隧道地質條件不同的情況下，先開挖地質條件較差的[C較有利。
4．2 控制爆破施工中的振動效應
(1)采用低威力、低曝速炸藥或采用小直徑不偶合裝藥
某隧道工程中，在二號巖石硝銨炸藥中混入13％的添加劑，制成低爆速炸藥，使二號巖石硝銨炸藥的爆速從3 200m／s降至1 800m／s，振動觀察表明，降震效果可達40％-60％。
(2)采用微差爆破
試驗表明，采用微差爆破后，與齊發爆破相比可降震約50％。微差段數越多，降震效果越好(如圖3所示)。當每段起爆時間間隔大于100ms時，各段爆破產生的地震波無明顯疊加，降震效果比較明顯。

(3)采用預裂爆破或預鉆防震孔
在爆破體與保護體之間鉆鑿不裝藥的單排、雙排防震孔(如圖4所示)或采用預裂爆破，降震率
可達30～50％。
同時，也可以在預裂炮孔內側打一排孔，酌情少量裝藥，與預裂孔同時起爆，從而形成破碎區，這就可為內部的大規模開挖建立隔震屏障，如圖5所示。

(4)限制一次起爆的肽裝藥量
當保護體的容許臨界振動速度確定后，可以根據經驗公式，計算出一次爆破的最大裝藥量計裝藥量大于該值又無其他可靠降震措施時，則必須分次爆破，控制一次爆破的炸藥量。
(5)采用分步開挖，增加臨空面。
爆破體每增加一個臨空面，其振動效應可相應降低10％～15％。
5 結 論
小凈距隧道由于中夾巖柱體厚度較薄，使得圍巖、支護結構受力不合力，給施工帶來困難。但是，只要在設計、施工中堅持“動態設計、精心施工、及時支護、勤量測”的原則，合理選取斷面形式、支護參數、開挖方式和施刀j匝序，就能充分發揮小間距隧道的優點，同時，又能達到經濟、安全的目的。

參考文獻
[1] 劉艷青，鐘世航等 小凈距并行隧道力學狀態的試驗研究．巖石力學與工程學報 2000（9）：590～594
[2] 倪新興，小凈距隧道施工技術西部探礦工程，2002(3)：78~79
[3] 秦峰.淺論小凈距隧道開挖方法.公路隧道，2003(2)：24-28
[4] 張志毅．王中默.交通土建工程爆破工程師手冊：北京：人民交通出版社，2002
[5] 張奇.工程爆破動力學分析及其應用．北京：煤炭工業出版杜，1997