小净距双洞隧道穿越断层影响带的空间效应研究

   刘金义

   （中铁十九局集团有限公司，北京  100176）

[摘要]隧道及地下工程在近接施工过程中会产生空间效应的影响，主要表现为先行洞室对后行洞室开挖前的卸荷和后行洞室通过后对先行洞室的二次扰动，如不能有效控制空间效应对洞室开挖稳定性的影响，极有可能导致洞室支护结构的失稳破坏，引发工程事故。以在建成兰铁路柿子园隧道小净距双洞段为研究对象，通过对现场地应力、围岩强度和隧道变形的实测，并用FLAC3D对隧道施工过程进行模拟，计算隧道变形及锚杆、衬砌的受力，分析仰拱开裂及小净距隧道施工的空间效应影响，并形成相应的处理措施。

[关键词]隧道工程；软岩；小净距；断层；空间效应；数值模拟

[中图分类号]    U459.1       [文章编号]1002-8498(2016)01-0098-05

  0  引言

    招宝山隧道为我国第1座小净距隧道，隧道施工过程中的时空效应显著，随后修建的内江-昆明青山隧道、新坪口隧道、新柳潭隧道也相继出现了小净距隧道工况，很多学者对此进行了相关研究，但多数小净距隧道施工的理论研究采用了平面模型，并未充分考虑隧道施工空间效应的影响，而与单行隧道相比，小净距隧道施工的空间效应影响无 疑是显著的。

    受地形、地貌等选线因素的影响，越来越多的铁路隧道出现了双洞单线向单洞双线过渡的小净距隧道施工段落，由此产生了先行洞对后行洞的卸荷和后行洞对先行洞的二次扰动等显著空间效应。本文以在建成兰铁路柿子园隧道分合修过渡段为研究对象，研究小净距隧道的时空效应。

1工程概况

    柿子园隧道4号横洞工区D3K87+400-D3K87 +350为双洞分修变为单洞合修的小间距渐

变段，埋深约120m,Ⅳ~V级围岩，向小里程方向，左线先于右线开挖。隧道洞身处于王家坪断层影响带，岩层主要为泥岩夹泥灰岩、泥岩，受断层影响严重，层面紊乱，节理裂隙发育，岩体破碎，强度较低，断层面有曲折弯转现象。该工区的隧道断面、地层剖面及地质参数和支护参数分别如图1，2和表1，2所示。

    隧道采取两台阶法（加临时横撑）施工，上台阶高度约6. 4m，下台阶高度约2．Om，仰拱开挖深度约1. 6m,上、下台阶错开步距约15m，仰拱距掌子面的距离控制在30~40m，二衬距掌子面的距离控制在70m以内，施工步序如图3所示。

2现场地应力测试

    现场地应力测试采用水压致裂法。水压致裂满足3个基本假设条件：①岩石呈线弹性且各向同性；②岩石是完整、非渗透性的；③岩石中主应力之一的方向和钻孔轴平行。测试时通过分割器之间逐级加载的高压水将围岩压裂，根据水压力换算得出地应力，主应力方向通过围岩破裂方位的印模确定。测试方法如图4所示。

现场选取D3 K87  +900处进行地应力测试，其测试结果如表3所示。

    由测试结果可知该处应力场以构造应力为主，最大水平主应力方向为NE向，与隧道大角度相交，最大水平主应力与垂直应力比值平均值为1. 38，围岩强度为5. 87MPa，属于高地应力情况。

3  衬砌开裂情况

    柿子园隧道4号横洞工区左线D3K87 +500-D3 K87 +353仰拱（填充）出现开裂宽度为3~25mm的纵向张性贯通裂缝，向掌子面方向呈网状发展；同时在D3K87 +365-DK3K87 +390的拱部产生宽度为0.2~ 5mm的纵向张性开裂。

4  现场变形监测情况

    柿子园隧道D3K87 +365-DK87 +415为仰拱开裂最为严重段落，其中拱顶沉降最大断面为D3 K87+370，累计7.4mm；仰拱最大隆起断面为D3K87+372，累计10. 9mm。D3K87+400．

D3 K87 +372衬砌开裂前后的变形时程曲线如图5，6所示。

    D3 K87 +400断面隧道净距为4m，由图5可知衬砌开裂前拱顶累计沉降11.3 mm，开裂后累计沉降3. 4mm，后行洞对先行洞的累积变形影响比例为23. 3%：D3K87 +372断面隧道净距为3m，由图6可以看出，衬砌开裂前的累计拱顶沉降为15.5 mm，开裂后沉降值为7. 4mm，后行洞对先行洞的累积变形影响比重为32. 3%。由此可知，现场实际后行洞对先行洞的二次扰动作用明显。

5数值计算分析

5.1  计算模型建立

    采用显式有限差分软件FLAC3D按地层-结构模型对该施工过程进行模拟，模型边界按≥10倍洞跨进行考虑，计算模型如图7所示。

    计算模型采用位移边界限制顶面以外5个面的法向位移；围岩、二次衬砌、仰拱回填选用实体单元，初期支护选用壳单元，锚杆选用锚索单元。5.2计算参数确定

    依据地勘资料、原位试验、岩样测试、反分析、《铁路隧道设计规范》TB10003-2005、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010综合给出本次计算的各项参数如表4所示。

    根据实测及反分析，确定计算模型的侧压力系数为0.9，形成原始地应力场如图8所示，由此可见初始计算条件的建立是合理的。

5.3施工过程模拟

    在对该段双线分修隧道进行数值模拟时，考虑隧道间距的变化，建立隧道净距分别为2，4，8m的3种计算模型，模拟隧道的开挖过程结合现场实际，采用两台阶法开挖，每循环开挖进尺1m，上下台阶错开步距5m，下台阶和仰拱错开步距25m，二衬与仰拱的错开步距30m。基本施工步骤为：①形成初始地应力场；②按步距分布开挖及施作锚杆和初衬；③按步距施作二衬。

5.4计算结果及分析

5. 4.1  塑性区分析

    塑性区的分布范围与隧道净距的位置关系如图9所示，模拟隧道施工结束后的塑性区分布情况如图10所示。

    由图9可以看出先行洞周边塑性区的分布范围随隧道净距的增大而减小，并且仰拱的变化最为明显，在小净距隧道施工时应加强对仰拱的加固。

    由图10可以看出，隧道仰拱两侧的塑性区分布明显大于仰拱正下方，由此导致墙脚下部围岩的承载力弱于仰拱正下方的承载力，引起仰拱的不均匀沉降，诱发仰拱填充乃至仰拱衬砌的开裂；先行洞周边塑性区的分布范围大于后行洞，说明先行洞的卸荷作用明显，超前的应力释放降低了后行洞塑性区的扩展。

5.4.2变形分析

    通过对隧道施工过程的模拟，同时监测左线（先行隧道）中间断面的变形，统计拱顶、边墙和仰拱的位移值如表5所示，后行洞对先行洞的变形影响程度与隧道净距的关系如图11所示。

    从表5可知，单线隧道施工时，仰拱隆起已达20mm以上，此时的仰拱变形量已对结构稳定极为不利，而右线施工又加剧了左线变形量。由图11可知随着隧道净距的逐渐变小，后行洞对先行洞的影响程度逐渐增大，当隧道净距<1倍洞径时，这种现象尤为明显；同时从各曲线的斜率可以看出这种空间效应在拱顶和仰拱更加突出。

5.4.3结构受力分析

    先行隧道的二衬受力及锚杆轴力与隧道净距的关系如表6，7和图12所示。

    由表6和图12可知，当隧道净距<1倍洞径时，拱顶和仰拱二衬受拉应力，且隧道净距越小力越大，受力不利，其余部位在各隧道净距情况下受压应力，因此应对隧道的断面形式进行优化，增加曲率半径，改善结构的整体受力；由表7可知锚杆所受最大轴力随隧道净距的减小而逐渐增大，在小净距隧道施工段应加强锚杆的支护作用。

  6  开裂原因综合分析及整治措施

  6.1  开裂原因综合分析

    1)围岩物理力学性质

    隧道开裂段围岩受王家坪断层影响严重，属于碎裂块体结构。岩性主要为泥岩夹泥灰岩，泥质胶结，部分泥岩页理化、片状明显，呈页岩状；夹有钙质胶结物及透镜状泥灰岩团块，受构造影响剧烈，镜面现象明显，在结构面附近岩体有糜棱化现象，泥质及钙质团块重胶结；强风化状，采取率约70%。岩块强度较高，其饱和单轴抗压强度为10.4~10. 88MPa，抗拉强度约为抗压强度的1/8~1/10，该区段地下水影响严重，岩石吸水后强度减低很快，属软岩范畴。

    2)地应力影响

    隧道所处区域构造运动活跃，且柿子园隧道受多个断层切割，延线地应力场大小和方向受构造和岩性影响很大。现场地应力实测结果表明，最大水平主应力与垂直应力比值平均值为1. 38，与隧道轴线大角度400~ 770相交，对隧道结构不利。

    3)邻近隧道相互影响

    计算表明，隧道净距分别为8，4，2m时，后行隧道通过时使先行隧道拱顶沉降的增量分别为26%，36 %，38 %；现场实测表明，当右线施工至距离左线约1倍洞径的时候，左线变形量开始增加，仰拱逐步开始破坏，说明空间扰动现象明显。

    4)支护结构形式和参数

    柿子园开裂段未考虑水平构造应力影响，设计支护强度相对较弱，大部分开裂段初期支护仰拱未闭合成环，二衬仰拱设计厚度相对较弱，刚度不够（曲率较小），导致仰拱在应力变形调整过程中隆起较大，致仰拱和边墙开裂。

    5)施工因素

    现场施工时，仰拱二衬的施作时机较早，未等到围岩应力充分释放后就完成了二衬施作，使得隧道开挖后较多的残余应力作用到了仰拱二衬，导致仰拱开裂。

6.2开裂整治措施

    1)针对仰拱开裂破坏严重地段D3 K87  +400-D3 K87 +353，建议采取分段拆换仰拱措施。新施做仰拱曲率适当增大，厚度和刚度要加强，基底适当注浆加固。

    2)针对仰拱开裂中等严重地段D3 K87  +450-D3 K87 +400，建议在仰拱两侧各打2排6m长钢管桩并完成注浆，仰拱中间可适当注浆，完成对仰拱围岩的加固，提高墙脚的基底承载力，提高围岩的自稳能力，减少作用在仰拱上的力，并对仰拱回填层裂缝处进行注浆处理。

    3)针对仰拱开裂轻微地段D3K87+500-D3K87 +450，可不进行加固处理，只需对仰拱回填

层裂缝处进行注浆处理。

7  结语

    1)仰拱开裂段处于王家坪断层影响带中，岩体破碎，节理裂隙发育，岩体强度低；同时岩体节理间隙有泥质填充，并伴有弱地下水发育，对岩体强度的弱化作用明显，使基底承载力不足。

    2)原始地应力高，水平最大主应力为第一主应力，且与隧道轴线大角度相交，对隧道结构安全不利。

    3)高地应力软岩小净距隧道施工时，当隧道净距<1倍洞径时，后行隧道对先行隧道的空间效应影响显著。

    4)对于穿越断层影响带带小净距隧道，应加强对围岩松动圈的加固，同时注重对中岩柱的保护；着重改善拱部及仰拱底部的围岩状况，限制拱顶位移的发展和仰拱的不均匀沉降。

    5)对于高水平地应力软岩的小净距隧道，在设计时应考虑断面形式的最优性，适当增加仰拱曲率和厚度，提高结构受力的整体性。