小净距隧道

小净距隧道支护结构设计原则与施工措施研究

2009-04-16 10:35 P.M.

【摘要】小净距隧道是介于普通分离式隧道与连拱隧道的一种结构型式，由于不受地形条什以及总体线路线型的限制，其较连拱隧道有施工工艺简单、造价较低的特点，愈来愈受到工程界的育睐。但山于小净距隧中间岩柱体厚度远小于普通分离式隧道，具围岩变形和支护结构受力较为复杂。本文结合小净距隧道围岩的受力、变形特点，对小净距隧道的支护结构设计原则与施工步骤进行了研究。

【关键词】隧道小净距设计原则施工步骤

1前言

在地下铁道、铁路隧道、公路隧道中，由于受到地形条件以及总体线路线型的限制，往往不得不在间距不充分的条件下修建2孔或多孔隧道。在该种情况下，目前主要采用连拱隧道及小净距隧道等特殊结构型式，而工程实践表明，连拱隧道存在大量缺点：诸如1)由于开挖总断面较大、扁平率较低、施工较复杂，施工中极易产生塌方，施工期间的安全性不易保证；2)由于结构构造复杂，中墙顶部连接处的防水问题很3囡解决，建成后容易渗漏水，严重影响公路隧道的适用性和耐久性；3)连拱结构对变形敏感，衬砌易出现裂缝，破坏结构整体，安全性较差；4)进出口浅埋段及低类别围岩段工程造价过高等。而小净距隧道施工工艺同普通分离式隧道相比差别较小，较之连拱隧道施工工艺简单，造价低，施工安全性和长期可靠性容易得到保证。

但由于小净距隧道中夹岩柱体的厚度较小，其围岩稳定性和变形特点，支护结构的受力机制具有自身的特征，因而支护结构的设计原则和施工方法将与其他结构型式隧道不同。

2 小净距隧道围岩的受力、变形特点

小净距隧道围岩的受力、变形特征与隧道断面型式、断面尺寸、围岩类别、隧道埋深、中夹岩柱体厚度、开挖方式、支护型式和参数选取等众多因素有关。其中，小净距隧道与普通分离式隧道的主要区别是，前者中夹岩柱体的厚度较薄，因施工过程中的多次扰动而成为受力薄弱环节。当围岩类别较低，岩柱较薄时，其中夹岩柱体将形成贯通的塑性区，严重影响围岩的稳定性。

图1为开挖单洞和双洞后，拱顶位移与隧道净距、围岩类别的关系曲线图。可知拱顶位移随隧道净距减小、围岩类别降低而急剧增加。

图2为双洞开挖后等效应力随隧道净距的变化情况图。从中可以看出小净距隧道随着中夹岩柱体厚度的减小，其围岩的受力变得愈来愈不利，尤其是中夹岩柱体的受力。

因此，对于小净距隧道宜限据围岩条件、岩柱厚度等因素选取合理的断面型式、开挖方式和支护参数等。

3 小净距隧道支护结构设计原则

小净距隧道与普通分离式隧道相比，中夹岩柱体厚度较薄，受力不利，加之地质条件变化较大，参数准确选取相当困难，因此，对于小净距隧道支护结构设计，宜在监控量测的基础上采用动态设计的原则。需注意以下几个方面的问题：

(1)初次支护宜采用锚喷支护，有利于及早进行支护，保护围岩、稳定围岩的变形，同时，有利于根据实际监控量测情况进行支护加强。

(2)初期支护宜作为主要受力结构，二次衬砌采用模筑混凝土或钢筋混凝土，只承受少量荷载，主要作为安全储备，有利于在围岩条件恶化后，保证隧道的长期安全性。

(3)中央岩柱体的稳定性是小净距隧道是否成功的关键，应根据

情况对中夹岩柱体采用大吨位预应力锚索、对拉锚杆、无阽结钢绞线、小导管预注浆、水平贯通式锚杆等技术进行加固。

(4)仰拱对减小、抑制围岩的变形，改善支护结构的受力有重要作用，因此，对于小净距隧道宜考虑设置仰拱并使其尽早闭合。

(5)由于现场地质条件的复杂性和多变性，对于支护结构、中夹岩柱、围岩的受力和变形状态进行现场监控量测具有重要意义。

(6)虽然数值计算在参数选取、模型建立上与现场实际情况有较大的出入，当在隧道设计中用以作为辅助手段，研究围岩、支护结构变形、受力不利部位和薄弱环节，作为定性分析，仍是很有必要的。

(7)岩柱厚度对支护结构、围岩的受力和变形，特别是岩柱体的稳定有重要的影响，因此，无论何种围岩，岩柱体均不宜过小。

4 小净距隧道的施工

小净距隧道的施工方法与普通分离式隧道相比差别不大，但由于中夹岩柱体厚度较小，在施工过程中，其是受力薄弱部位，稳定性较差，因此，在施工中对中夹岩柱体的保护将至关重要。小净距隧道施工的难点、重点是合理选取开挖顺序、控制爆破作业，确保隧道开挖过程围岩的稳定，减小两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素。对于低类别围岩、软弱、破碎围岩来说，重在确定合理的开挖顺序，减少对围岩的扰动；对于高类别围岩、坚硬、完整围岩，重在控制爆破振动对围岩稳定性的影响。

4．1 采用合理的开挖顺序

为确保开挖过程中围岩的稳定性，减小因隧道间距小引起的围

岩变形、爆破震动等不利因素，满足小净距隧道中央岩特有的加固要求，一般情况下，I、II类围岩采用正向单侧壁导坑法的开挖方法，Ⅲ类围岩采用反向单侧壁导坑的开挖方法,IV、V、VI类围岩采用超前导坑预留光面层的开挖方法。

表1 双车道小净距隧道推荐采用施工方法

(1)对于I、II类围岩，宜采用正向单侧壁导坑法，该法有利于及早对中夹岩柱进行加固，及早对中夹岩柱进行监控量测，为开挖后存在的风险提供超前预报，以便及时处理。

当遇隧道断面较大、围岩条件较差、隧道浅埋、地下水丰富时，围岩难以自稳，应对围岩进行超前预加固、地表加固或对单侧侧壁的上、下台阶进—步采用分步开挖。

当围岩状况较好，掌子面稳定性好，为发挥大型设备的优势，加快施工进度，也可以将单侧侧壁的上、下台阶合为一步开挖或采用上下台阶与正向单侧壁导坑组合法，但应控制开挖进尺。

(2)对于Ⅲ类围岩，宜采用反向单侧壁导坑，有利于减小爆破振动对中夹岩柱的影响，当围岩条件较好、掌子面易稳时，对于土质、

软质岩石条件，可采用上下台阶与正向单侧壁导坑组合法；对于硬质岩石条件，可采用上下台阶与反向单侧壁导坑组合法或上下台阶法。

(3)对于Ⅳ、V、Ⅵ类围岩，宜采用超前导坑预留光面层的开挖方法，增加开挖临空面，降低爆

破对岩柱的影响。Ⅳ、V、Ⅵ类围岩自稳定性好，开挖的关键在于减小爆破振动对岩柱的影响，由于超前导坑的存在，二次扩挖(预留光爆层)的爆破装药量可以大大减小，从而降低爆破对岩柱的影响。对于岩柱较厚时，可采用上下台阶和全断面开挖法。

(4)由数值计算町知，小净距隧道后开挖隧道对先前施工隧道的影响较先施工隧道对后施工隧道的影响大，因此，在两孔隧道地质条件不同的情况下，先开挖地质条件较差的[C较有利。

4．2 控制爆破施工中的振动效应

(1)采用低威力、低曝速炸药或采用小直径不偶合装药

某隧道工程中，在二号岩石硝铵炸药中混入13％的添加剂，制成低爆速炸药，使二号岩石硝铵炸药的爆速从3 200m／s降至1 800m／s，振动观察表明，降震效果可达40％-60％。

(2)采用微差爆破

试验表明，采用微差爆破后，与齐发爆破相比可降震约50％。微差段数越多，降震效果越好(如图3所示)。当每段起爆时间间隔大于100ms时，各段爆破产生的地震波无明显叠加，降震效果比较明显。

(3)采用预裂爆破或预钻防震孔

在爆破体与保护体之间钻凿不装药的单排、双排防震孔(如图4所示)或采用预裂爆破，降震率

可达30～50％。

同时，也可以在预裂炮孔内侧打一排孔，酌情少量装药，与预裂孔同时起爆，从而形成破碎区，这就可为内部的大规模开挖建立隔震屏障，如图5所示。

(4)限制一次起爆的肽装药量

当保护体的容许临界振动速度确定后，可以根据经验公式，计算出一次爆破的最大装药量计装药量大于该值又无其他可靠降震措施时，则必须分次爆破，控制一次爆破的炸药量。

(5)采用分步开挖，增加临空面。

爆破体每增加一个临空面，其振动效应可相应降低10％～15％。

5 结论

小净距隧道由于中夹岩柱体厚度较薄，使得围岩、支护结构受力不合力，给施工带来困难。但是，只要在设计、施工中坚持“动态设计、精心施工、及时支护、勤量测”的原则，合理选取断面形式、支护参数、开挖方式和施刀j匝序，就能充分发挥小间距隧道的优点，同时，又能达到经济、安全的目的。