小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(diǎn)，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(yuǎn)小于普通分離式隧道，具圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜。本文結(jié)合小凈距隧道圍巖的受力、變形特點(diǎn)，對小凈距隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則與施工步驟進(jìn)行了研究。
【關(guān)鍵詞】隧道 小凈距 設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)型式，而工程實(shí)踐表明，連拱隧道存在大量缺點(diǎn)：諸如1)由于開挖總斷面較大、扁平率較低、施工較復(fù)雜，施工中極易產(chǎn)生塌方，施工期間的安全性不易保證；2)由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)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(yán)重影響公路隧道的適用性和耐久性；3)連拱結(jié)構(gòu)對變形敏感，襯砌易出現(xiàn)裂縫，破壞結(jié)構(gòu)整體，安全性較差；4)進(jìn)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(wěn)定性和變形特點(diǎn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制具有自身的特征，因而支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和施工方法將與其他結(jié)構(gòu)型式隧道不同。
2 小凈距隧道圍巖的受力、變形特點(diǎn)
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(hù)型式和參數(shù)選取等眾多因素有關(guān)。其中，小凈距隧道與普通分離式隧道的主要區(qū)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(huán)節(jié)。當(dāng)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(qū)，嚴(yán)重影響圍巖的穩(wěn)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(guān)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(yīng)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(jù)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(hù)參數(shù)等。

3 小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhì)條件變化較大，參數(shù)準(zhǔn)確選取相當(dāng)困難，因此，對于小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，宜在監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上采用動態(tài)設(shè)計(jì)的原則。需注意以下幾個方面的問題：
(1)初次支護(hù)宜采用錨噴支護(hù)，有利于及早進(jìn)行支護(hù)，保護(hù)圍巖、穩(wěn)定圍巖的變形，同時，有利于根據(jù)實(shí)際監(jiān)控量測情況進(jìn)行支護(hù)加強(qiáng)。
(2)初期支護(hù)宜作為主要受力結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性是小凈距隧道是否成功的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)情況對中夾巖柱體采用大噸位預(yù)應(yīng)力錨索、對拉錨桿、無阽結(jié)鋼絞線、小導(dǎo)管預(yù)注漿、水平貫通式錨桿等技術(shù)進(jìn)行加固。
(4)仰拱對減小、抑制圍巖的變形，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力有重要作用，因此，對于小凈距隧道宜考慮設(shè)置仰拱并使其盡早閉合。
(5)由于現(xiàn)場地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)、中夾巖柱、圍巖的受力和變形狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測具有重要意義。
(6)雖然數(shù)值計(jì)算在參數(shù)選取、模型建立上與現(xiàn)場實(shí)際情況有較大的出入，當(dāng)在隧道設(shè)計(jì)中用以作為輔助手段，研究圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、受力不利部位和薄弱環(huán)節(jié)，作為定性分析，仍是很有必要的。
(7)巖柱厚度對支護(hù)結(jié)構(gòu)、圍巖的受力和變形，特別是巖柱體的穩(wěn)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(wěn)定性較差，因此，在施工中對中夾巖柱體的保護(hù)將至關(guān)重要。小凈距隧道施工的難點(diǎn)、重點(diǎn)是合理選取開挖順序、控制爆破作業(yè)，確保隧道開挖過程圍巖的穩(wěn)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(jiān)硬、完整圍巖，重在控制爆破振動對圍巖穩(wěn)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(wěn)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(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖方法，Ⅲ類圍巖采用反向單側(cè)壁導(dǎo)坑的開挖方法,IV、V、VI類圍巖采用超前導(dǎo)坑預(yù)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(cè)壁導(dǎo)坑法，該法有利于及早對中夾巖柱進(jìn)行加固，及早對中夾巖柱進(jìn)行監(jiān)控量測，為開挖后存在的風(fēng)險(xiǎn)提供超前預(yù)報(bào)，以便及時處理。
當(dāng)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(wěn)，應(yīng)對圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固、地表加固或?qū)蝹?cè)側(cè)壁的上、下臺階進(jìn)—步采用分步開挖。
當(dāng)圍巖狀況較好，掌子面穩(wěn)定性好，為發(fā)揮大型設(shè)備的優(yōu)勢，加快施工進(jìn)度，也可以將單側(cè)側(cè)壁的上、下臺階合為一步開挖或采用上下臺階與正向單側(cè)壁導(dǎo)坑組合法，但應(yīng)控制開挖進(jìn)尺。
(2)對于Ⅲ類圍巖，宜采用反向單側(cè)壁導(dǎo)坑，有利于減小爆破振動對中夾巖柱的影響，當(dāng)圍巖條件較好、掌子面易穩(wěn)時，對于土質(zhì)、軟質(zhì)巖石條件，可采用上下臺階與正向單側(cè)壁導(dǎo)坑組合法；對于硬質(zhì)巖石條件，可采用上下臺階與反向單側(cè)壁導(dǎo)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(dǎo)坑預(yù)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(wěn)定性好，開挖的關(guān)鍵在于減小爆破振動對巖柱的影響，由于超前導(dǎo)坑的存在，二次擴(kuò)挖(預(yù)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(shù)值計(jì)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(zhì)條件不同的情況下，先開挖地質(zhì)條件較差的[C較有利。
4．2 控制爆破施工中的振動效應(yīng)
(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(dá)40％-60％。
(2)采用微差爆破
試驗(yàn)表明，采用微差爆破后，與齊發(fā)爆破相比可降震約50％。微差段數(shù)越多，降震效果越好(如圖3所示)。當(dāng)每段起爆時間間隔大于100ms時，各段爆破產(chǎn)生的地震波無明顯疊加，降震效果比較明顯。

(3)采用預(yù)裂爆破或預(yù)鉆防震孔
在爆破體與保護(hù)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(yù)裂爆破，降震率
可達(dá)30～50％。
同時，也可以在預(yù)裂炮孔內(nèi)側(cè)打一排孔，酌情少量裝藥，與預(yù)裂孔同時起爆，從而形成破碎區(qū)，這就可為內(nèi)部的大規(guī)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(dāng)保護(hù)體的容許臨界振動速度確定后，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出一次爆破的最大裝藥量計(jì)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(yīng)可相應(yīng)降低10％～15％。
5 結(jié) 論
小凈距隧道由于中夾巖柱體厚度較薄，使得圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不合力，給施工帶來困難。但是，只要在設(shè)計(jì)、施工中堅(jiān)持“動態(tài)設(shè)計(jì)、精心施工、及時支護(hù)、勤量測”的原則，合理選取斷面形式、支護(hù)參數(shù)、開挖方式和施刀j匝序，就能充分發(fā)揮小間距隧道的優(yōu)點(diǎn)，同時，又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全的目的。

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