小净距隧道围岩稳定性影响因素研究

长期以来，国内外学者一直非常重视隧道围岩稳定性问题的研究。由于小净距隧道两洞体围岩相互重叠，隧道开挖后围岩应力和位移调整存在相互干扰，尤其中岩柱是围岩稳定性的最薄弱部位，其稳定性问题比单线隧道要复杂得多，各因素对围岩稳定性的影响规律也较复杂。影响小净距隧道围岩稳定性因素概括起来有：隧道埋深、断面形状及隧道净距等横向因素；围岩级别、地质条件及水文条件等介质因素；开挖方案、开挖顺序及支护方案等纵向因素，现分述如下。

（1）净距问题

上下行分离式隧道（独立隧道）施工时，由于两隧道之间的净距较大，可忽略施工对彼此的影响。小净距隧道施工时，净距大小直接决定了洞室相互之间的影响程度，双洞之间的相互影响不能忽略。净距问题是小净距隧道结构的核心问题，合理净距研究一直是小净距隧道问题的研究热点和难点。20世纪70年代初，日本铁道技术学会发表了“关于平行隧道研究的报告”，指出当把地层当作完全弹性体时，平行隧道的中心距约为开挖宽度的两倍；而在黏土等软土层中，则为开挖宽度的五倍；并且规定平行公路隧道的标准中心距为30m，国铁单线隧道的标准净距是20m［1］。这些规定是在毛洞条件下，通过推导两洞之间不产生相互影响而得到的，并被许多国家所借鉴，我国的铁路和公路隧道设计规范亦借鉴了这一规定。然而，大量工程实践表明，只要两相邻隧道间的岩柱具有足够的强度和稳定性，不致危及两相邻隧道的施工和结构安全，则可认为隧道间的净距是合理的。关于小净距隧道的合理净距问题，挪威的经验是隧道净距与隧道高度相近，对高洞可取隧道高度的06～08倍，但最小净距不宜小于5m，对扁平隧道其净距则要稍大些；美国经验认为，围岩质量较好时，浅埋隧道净距可取与隧道上覆最小岩石厚度或隧道跨度相等［2］；Ghaboussi等通过研究指出，当隧道净距超过2倍洞径，相邻隧道施工引起的位移和单洞隧道施工状况基本相同［3］；Fujita和Fang等认为，隧道净距超过17倍洞径时，双洞施工将不产生显著影响［4，5］；日本在近接隧道施工影响范围划分基础上，针对两隧道不同位置关系，将隧道净距与影响范围联系起来，提出平行双洞隧道影响限制范围为1倍洞径［6］。

20世纪80年代，我国开始了双洞隧道净距问题的研究。朱敬民等［7］通过研究提出，当两洞中间岩柱的厚度大于23m时，在开挖时将不会产生相互影响；王景春等［1］认为，合理的相邻隧道中心距必须经过综合分析确定，应综合考虑隧道所处的地质条件、断面形状、现有隧道的衬砌情况、施工方法等因素，通过类比初步确定间跨比，再进行分析验证确定最佳相邻隧道中心距。厦门市政建设指挥部等进行了“现代城市双洞、双线隧道修建技术的研究”［8］，提出了城市双线隧道最小净距的参考值，在净距优化上有了较大突破；张玉军等［9］结合京珠国道沿线近距离双隧道开挖与支护过程，对比分析了围岩与支护结构的受力、变形及塑性、受拉区的演化状况，提出了双洞净距压缩的可能性。刘伟［10］依托京福高速公路小净距隧道群的工程实践，对两车道小净距隧道净距优化进行了较系统的研究，分析总结了小净距隧道合理净距取值的准则，同时得出了不同围岩级别下隧道最小净距的取值；鲁彪［11］和田志宇［12］也分别对两车道小净距隧道围岩稳定性进行了分析研究，提出了不同围岩级别下隧道最小合理净距取值。刘艳青等［13］研究表明，当两隧道中岩柱厚度为2～3m时，塑性区连通，当岩柱厚度扩大到4m时，塑性区范围显著减小。黄拔洲等［14］比较了净距分别为3m和4m时的隧道力学状态，分析表明当隧道净距在3m时，中岩柱的受力状态要远比4m净距时严峻得多，相应的围岩加固也会增加难度；秦峰等［15］对5m左右的小净距隧道施工特点进行分析并指出了其具体特征；冯升等［16］通过数值分析指出了5m左右的小净距隧道相对连拱隧道的优越性；姚勇等［17］分析不同净距对中间岩柱塑性区的影响，得出当隧道净距2m、3m时中岩柱塑性区完全贯通，当净距为6m时岩柱塑性区显著减小，且不贯通。

从上述研究可以看出，国内外关于小净距隧道划分原则及标准较一致，以上下行并设隧道施工时是否存在相互影响作为区别独立隧道与小净距隧道的原则，并且根据围岩等级不同，净距标准一般在1～5倍洞径之间。净距大于这个范围，则认为双洞之间的相互影响可以忽略，净距小于这个范围则作为小净距隧道问题研究。我国现行《公路隧道设计规范》中，根据两相邻隧道应分别置于围岩压力相互影响及施工影响范围之外的原则，区分上下行独立隧道和小净距隧道的净距标准与上述范围一致。然而，这仅仅是小净距隧道净距问题中的上限问题，对净距下限问题的研究结论则存在较大差异，即在确保小净距隧道围岩稳定的前提下，净距最小可以优化到何种程度。从目前已建和在建的小净距隧道工程来看，绝大部分隧道净距远小于规范中的上限值，但净距取值差异较大。因此，对小净距隧道工程的合理净距研究，目前还没有形成系统的统一认识和结论。产生上述问题的原因，与研究所依托的工程、所采取的研究方法以及所选用的评价准则等方面的差别是有关系的。实际上，在影响小净距隧道围岩稳定性主要因素中，除净距问题外，还有围岩级别、开挖方案和支护加固方案等。理论上讲，合理净距是相对的，只要采取合理的设计和施工措施，较小净距的上下行并设隧道工程均可取得成功。因此，对净距问题的研究应集中在两个方面：一是在线路线型允许的范围内，研究净距调整对围岩应力和位移分布的影响规律，掌握围岩应力和位移发生突变的临界点净距；二是研究一定净距条件下，应采取何种设计和施工措施才能确保小净距隧道围岩的稳定性，并对各种方案做技术经济性比较，保证工程顺利实施。从已有的文献看，对上述两个问题的研究是缺乏系统性的，研究结论也是不成熟的。

（2）开挖顺序与爆破震动研究

隧道的施工从开始到结束必然有一个较长的时间过程，由于隧道的开挖，围岩的物理力学性质和力学平衡状态将发生变化，施工过程中各种合理施工措施的选用则保证了围岩应力和位移状态的平稳调整，达到施工完毕后新的平衡和稳定状态。因此隧道开挖后，围岩稳定性是随时间和空间不断变化的三维问题。从力学角度来讲，开挖和支护都是对围岩施加荷载，由于地层的复杂性，隧道围岩往往是非弹性介质，围岩的最终力学状态必然与应力路径相关，即隧道开挖方法与顺序对围岩稳定性影响显著［18］。其影响主要体现在以下三个方面：①隧道开挖引起了地层应力变化，其应力变化空间路径随不同的开挖加载步距和顺序而不同；②初次支护的本质是改善和提高围岩的各项力学性能指标，开挖过程直接决定了初次支护在空间上的展开顺序；③开挖（爆破）作用引起的震动效应。

小净距隧道结构的特殊性决定了施工过程中双洞相互影响显著，开挖引起的围岩应力和变形特点及对围岩稳定性的影响要比普通隧道复杂。在进行小净距隧道施工方案设计时，应考虑加载方式在时间和空间上的展开顺序对围岩最终力学状态的影响。因此，国内外针对开挖方案及开挖力学行为对小净距隧道围岩稳定性的影响展开了大量研究。川田等依托田真新镇干线公路上的尾山大理隧道对小净距隧道设计、开挖方式进行了系统研究［19］。日本在小净距隧道近接施工问题上，于1987年编制了《近接施工的设计与指南》，初步给出了隧道结构相互影响的基本条件、影响范围的分类与划分、影响预测和施工对策［20］。虽然针对小净距隧道日本制定了相关规定，但由于小净距隧道工程的复杂性，日本在进行小净距隧道施工时，结合特殊地质及地形条件，还在进一步采用新的研究手段，对施工期间的开挖支护方法、监控量测基准、支护参数、衬砌结构的安全性等多项内容进行大规模技术研究［21，22］。其他国家对小净距隧道施工的研究则不太系统，仅针对工程事例进行模拟计算方面的探讨。我国在该问题的研究上主要集中在不同围岩级别下合理的开挖方法和开挖顺序选择方面，并取得了较好的施工效果：Ⅰ与Ⅱ级围岩采用超前导坑预留光爆层——台阶法或双洞台阶法、Ⅲ与Ⅳ级围岩采用上下台阶——侧壁导坑组合法、Ⅴ与Ⅵ级围岩采用双洞侧壁导坑法［23，24］；靳晓光等应用有限元法对施工方案进行了对比，提出同一围岩条件下优先顺序为双洞侧壁导坑法、上下台阶——侧壁导坑组合法、双洞台阶法［25］；晏启祥等用有限元模拟表明要慎重选择后开洞的施工方案，应尽量延迟形成中岩柱的时间［26］；刘生秀认为在浅埋软弱围岩段施工时，对后开洞应先开挖中岩柱侧的导洞，超前加固中岩柱［27］；龚建伍［28］结合福州国际机场高速公路鹤上大断面小净距隧道工程实际，对双侧壁导坑法、中隔壁法和上下台阶法3种开挖方案进行研究比较，认为上下台阶法相对较为不利，实际施工时在确保安全施工的前提下应根据围岩实际情况，选择施工成本低、施工进度快的开挖方案。

另外，小净距隧道施工特别强调中岩柱的稳定和爆破振动对相邻隧道的影响，这也是小净距隧道与分离式独立双洞隧道的不同之处。小净距隧道施工爆破产生的振动对相邻隧道结构安全的影响一般都比较大，有可能会对相邻隧道造成损伤，如日本的荻津公路初狩隧道、意大利的LocooColin公路隧道，国内的西康线响水沟隧道、湘黔铁路增建11线坪口隧道、流潭隧道等，均发生了爆破振动引起隧道衬砌开裂、剥落等现象［29，30］。因此，在小净距隧道施工过程中，有必要对中岩柱受爆破振动的影响进行相关监测，以减少或避免爆破施工对相邻隧道的损伤。史雅语［31］、刘慧等［32，33］对招宝山小净距隧道施工爆破进行了监测分析，研究了不同爆破方式对隧道的影响，结果表明在中槽爆破中布置预裂孔或防震带，可取得显著的减震效果。阳生权［34，35］对梧桐山小净距隧道开挖爆破振动速度和加速度进行了测试分析，结果指出相同断面加速度峰值拱顶高于边墙；先行洞近中岩柱侧振动加速度峰值显著大于远离岩柱侧，数量上二者相差2～8倍；水平方向加速度峰值基本大于垂直方向；如以加速度峰值作为安全判据，则上下台阶法爆破施工为最优爆破施工法。卓效明［36］结合厦门仙岳山公路隧道分析了小线间距城市公路隧道纵向振速衰减规律、隧道横断面振速分布规律，提出了隧道各类围岩爆破振动振速允许值和隧道振动安全判据。

综上所述，由于小净距隧道结构的复杂性和新颖性，在设计和施工之前必须对隧道施工力学行为进行分析研究，掌握围岩稳定性处于最不利状态的具体部位。通过对施工方案的比选，分析各种施工方案对围岩稳定性的影响程度，据此选用合理的施工方法以减小对围岩的扰动。研究人员针对这些问题进行了大量有意义的实践和探讨，并基本形成了一些共识和结论：依据围岩级别采用不同的开挖方法和开挖顺序；开挖方法和开挖顺序的选择应尽可能减少中岩柱的塑性区面积或减少洞周特征点位移量；考虑到相邻隧道的相互影响，应将双洞开挖掌子面保持一定距离。

（3）支护结构

隧道作为一种特殊的工程结构体系，在整个施工过程及运营期间，其力学特性和稳定性不仅受到围岩地质环境、隧道形状和开挖方法等因素的影响，还受到作为隧道结构组成部分的支护结构的影响，支护方案的合理与否在一定程度上决定了隧道建设的成败。合理支护结构的设计依托于围岩与支护的相互作用理论的发展及支护技术的进步。20世纪早期，以普氏为代表的古典地压理论，认为巷道支护的压力就是拱内岩石重量，坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关，而与隧道埋深无关；20世纪50年代，人们开始用弹塑性力学来解决隧道支护问题，逐渐意识到埋深对地压的影响以及围岩具有自承能力，20世纪60年代提出了新奥法设计施工理念，即“利用隧道围岩的自承能力来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环”。该理念被广泛应用于岩石工程，在工程界产生了广泛影响。随着隧道围岩与支护的相互作用理论的发展，隧道支护技术也从以传统棚式支护技术为核心的被动式支护发展到以锚杆支护技术为核心的主动式支护。为正确设计和应用锚杆支护，众多学者提出了悬吊作用、组合梁作用及组合拱作用等锚杆支护理论，这些理论以一定的假说为基础，从不同的角度阐述了锚杆支护的作用机理，虽然各有差异，但在锚杆支护强化了围岩这一结论上是一致的。

作为新型结构型式的小净距隧道，其围岩和支护共同体的受力特征和稳定性问题与分离式隧道相比远要复杂，设计时其支护结构形式一般考虑采用复合式衬砌，即初期支护采用锚喷支护，起到强化围岩强度的作用，促进围岩自稳，二次衬砌采用模筑混凝土，作为承载结构或者安全储备。而对小净距隧道支护结构的研究基本围绕着支护类型、支护参数、支护时机以及中岩柱的受力特征和加固措施等问题展开。万明富［37］对小净距隧道岩柱受力特点进行分析指出，中岩柱侧壁必须及时施加足够的侧向约束，且无论岩石好坏，中岩柱初期支护都要配置钢筋网，以使预应力锚杆施加的压力能够更好地扩散。同时，对中岩柱围岩较差段必须进行注浆加固处理，以保证在两洞开挖之后初期支护和侧向约束施加之前，能有足够的稳定时间以支撑其顶部荷载。黄拔洲［14］、杨转运［24］、姚勇［17］等，通过对不同级别围岩中间岩柱加固方式等进行有限元分析，指出软弱围岩必须通过注浆、对拉锚杆等对中间岩柱进行加固以确保中间岩柱的稳定，而对质量较好的围岩设计时只需要考虑加长锚杆，一般在系统锚杆基础上加长05～1m即可。秦卫［38］等认为，中间岩柱在4～6m时宜采用直径为25mm的水平对拉预应力锚杆进行加固，若地质条件差，可加设小导管对岩柱进行注浆加固；岩柱净距在6～10m时宜用胀壳式低预应力锚杆进行加固，当地质条件较好时，可采用加长中空注浆锚杆或砂浆锚杆进行加固。刘明高等［39］对小导管注浆、系统锚杆及水平贯通预应力锚杆三种应用比较广泛的岩柱加固技术进行了归纳，认为小导管注浆对提高低类别围岩力学参数效果明显，更多适用于低级别的围岩预加固，对高级别围岩选择系统锚杆加固技术较为合理，而水平贯通预应力锚杆可独立用于较好围岩。夏才初等［40］针对大断面小净距隧道的特点，对福建省鹤上隧道进行地表下沉、围岩内部位移、拱顶下沉和衬砌内力等项目的监测工作，提出小净距隧道衬砌支护的最佳时机，并为支护体系的优化提供依据。杨建平等［41］结合沪-蓉-西高速公路漆树槽分岔隧道小净距段的施工特点，开展了在不同荷载释放比例下支护时机对围岩稳定性影响的研究，认为支护越早衬砌和锚杆承担的荷载越大，围岩的塑性变形和塑性区范围越小。

综上可知，现有对小净距隧道支护方案的研究重点在中岩柱保护方面，一般认为中岩柱厚度较小稳定性较差，在施工中应加强对其保护，以最大限度地保证其完整性，提高开挖过程中围岩的自承自稳能力。然而，现有的研究基本建立在这样一个假设之上：一定的支护材料类型和参数与围岩体强度强化之间的定量关系是明确的，在此基础上研究小净距隧道整体支护效果与支护类型、支护参数及支护时机之间的关系。事实上，以相似材料模拟实验、原型试验、数值计算及解析理论等手段对锚杆支护机理的研究及认识尚未统一，锚固体强度强化的定量指标研究远未成熟，建立在强度强化定量关系上的隧道围岩-支护结构的支护效果研究是有缺陷的。另外，对小净距隧道围岩支护体系的设计，没有考虑不同部位围岩的受力特征，除中岩柱部位外，小净距隧道不同部位围岩的支护材料类型和参数等都是相同的。实际上现有研究对中岩柱的划分范围是不明晰的，且除中岩柱部位外其他部位围岩的受力特征差异是较大的，支护参数应与此相适应，采用不同值，因此从围岩稳定性效果和经济合理性方面看，上述研究结论是有待商榷的。

（4）其他因素

在小净距隧道围岩稳定性影响因素中，除净距问题、开挖问题及支护结构外，还有隧道断面形式与几何尺寸、隧道埋深、围岩级别等因素。其中的隧道断面形状及几何尺寸不仅决定了围岩应力的集中程度和衬砌结构的受力条件，也直接影响了隧道内净空利用率和隧道断面工程量。由于小净距隧道结构形式在近十年才在我国得到普遍应用，对小净距隧道断面优化问题的研究甚少，王辉等［42］利用大型有限元分析软件ABAQUS对某拟建大跨度小净距隧道不同扁平率及其间距进行参数化设计，认为优化方案可以明显降低围岩变形，改善衬砌受力，提高围岩的稳定性。李之达［43］利用数值模拟，对不同围岩等级下的仰拱设置进行了研究，结果表明在小净距隧道边墙下部为整体性好的Ⅲ级围岩时，不设置仰拱对围岩的稳定性和初衬、二衬的受力影响并不大，因此可以取消仰拱的设置，简化设计与施工。更多的研究主要集中在分离式独立隧道的断面优化上。曾宜江等［44］通过对单拱四车道公路隧道断面的优化认为，扁平率应控制在061～063对单拱四车道公路隧道是合理的，这既能满足初期支护条件下围岩稳定性要求，又能提高隧道建设的经济效益。王飞［45］认为大断面隧道的扁平率要控制在06～07；镇亦明等［46］通过对某隧道最大埋深地段不同断面形式引发的岩爆活动进行数值分析后认为，在相同的应力条件下，采用的断面形式不同，将会导致不同的岩爆结果。韩现民［47］通过有限差分法（FLAC3D）数值计算和现场试验对马蹄形断面和大曲率边墙、似圆形断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行了对比分析，得出采用似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量和变形速率，尤其是水平收敛变形。谷胜利［48］利用ESO进行隧道断面形状优化时，认为误差面积和加权误差面积作为ESO优化效果评价的定量指标是可靠的。徐林生、孙钧［49］借助于数值分析的方法，以洞周位移作为判断依据从理论上探讨了京珠高速公路粤境北段洋碰隧道断面形状的设计优化问题。吕爱钟［50，51］以洞室周边的最大切向应力最小为最优准则，给出了利用复合形最优化技术确定最优洞室形状的方法，在基于该准则所得的最优化洞室周边应力集中程度最小。

与其他影响因素相比，隧道埋深和围岩级别对小净距隧道围岩稳定性影响的研究则要成熟的多。总的来说，在其他工况条件相同的情况下隧道埋深越小及围岩质量越好则围岩稳定性越好。龚建伍［52］认为不同级别围岩的拱顶下沉随净距增大而减小的程度是不同的，埋深小于30 m时隧道净距变化对拱顶下沉的影响非常显著，二者近似呈二次曲线关系，而埋深大于30m时，隧道净距对拱顶下沉的影响相对较小，且拱顶下沉与隧道净距近似呈线性关系。另外，杜菊红［53］通过分析认为，围岩条件越差隧道开挖后地层位移值越大，主要位移范围也相应增大；两洞之间的相互影响程度随着围岩级别降低而增大，围岩条件越差越要注意小间距隧道之间的相互影响。

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物态特征

①土粒密度，土中固体颗粒的质量与其体积之比,即土粒的单位体积的质量;

②天然密度，天然状态下，土的总质量与总体积之比；

③干密度，土的孔隙中完全没有水时，土的单位体积的质量；

④含水率，土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，常以百分数表示；

⑤孔隙率：土的孔隙体积与土的总体积之比，常以百分率表示；

⑥孔隙比，土的孔隙体积与土粒体积之比，常用小数表示；

⑦饱和度，土的孔隙中水的充填度，即土中水的体积与孔隙体积的百分比值。