0 引言

我国公路隧道建设迅速发展，小净距公路隧道因经济、社会和环境效益显著，逐渐成为山区狭窄地形条件下修建隧道的主要结构形式之一。在弱节理复杂地质条件下对小净距隧道进行设计、施工及安全稳定性研究，具有十分重要的现实意义^[1-2]。

在弱节理小净距隧道研究中，关键科学问题是合理确定弱节理围岩的力学参数，提出准确的计算分析方法并采取可行的支护和加固措施。针对以上问题，国内外学者已经开展了系列研究。孙闯等^[3]采用超前地质预报和围岩评级系统相结合的方法，合理确定了隧道节理岩体的GSI并获得符合工程实际的围岩力学参数；在数值计算方面，王康^[4]修正了已有的摩尔-库伦屈服接近度，并基于弹塑性有限差分数值模拟，对不同围岩等级的隧道给出了合理的施工方案建议；O.Jenck^[5]等采用数值分析方法分析了浅埋小净距隧道开挖过程中对既有线衬砌结构的变形和内力的影响。在中夹岩柱研究方面，周佳媚等^[6]采用三维数值模拟的手段，得出小净距隧道中夹岩柱应力状态与其净距的关系；应国刚^[7]等通过预留支护界面上的正应力和剪应力分布表达式，计算中夹岩柱的平均应力和附加弯矩从而得到其应力分布规律。目前，在小净距隧道相关研究方面已经获得了一定的成果，但在弱节理小净距隧道合理净距及围岩稳定性方面仍待深入研究。

本研究在前人的基础上，以大荒沟小净距隧道工程为研究背景，基于量化GSI围岩评级系统，确定围岩力学参数，基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型，采用FLAC^3D数值模拟得到不同净距隧道中夹岩柱塑性区分布，确定最小合理净距，理论计算合理净距条件下的围岩压力，并进行支护结构设计，对比分析不同开挖方式下小净距隧道围岩变形量，确定合理的开挖及支护方案。

1 弱节理隧道围岩参数及力学模型 1.1 工程概况

大荒沟隧道位于丹东市宽甸县青山沟乡弯沟村与本溪市桓仁县向阳乡和平村之间，走向南西212°~238°左右。隧道最大埋深330 m，隧道长度1 130 m。通过现场地质勘察及隧道工作面观察可知，大荒沟隧道小净距段岩石主要为砂质泥岩，节理裂隙发育，属于弱节理岩层，岩体整体强度较差，岩层节理分布特征如图 1所示。

1.2 量化GSI围岩评级系统

合理确定弱节理小净距隧道围岩的力学参数，在工程设计中起着至关重要的作用。E.Hoek和Brown在大量的工程实践中发现，对于软弱、破碎的岩体结构，GSI围岩评级系统能够较为理想的反应节理岩体特征。随着GSI围岩评级系统的广泛使用，M.Cai等^[8]提出了量化GSI系统的方法，其中包括结构面条件因子J_c和块体尺寸V_b，量化的GSI方法可以让工程师在现场更客观的对节理岩体参数的进行取值。具体方法如图 2所示。

结合现场勘查、工作面观测结果，估算该区段弱节理围岩峰值GSI在52~55之间，峰后残余GSI在31~34之间，如图 3中峰值区域及残余强度区域所示。现场对隧道内砂质泥岩进行取样，室内采用朝阳GAW-2000微机控制电液伺服刚性压力试验机开展试验，通过现场取样获得隧道工作面砂质泥岩岩样，实验获得砂质泥岩的单轴抗压强度σ_ci=15 MPa，弹性模量为E=1.1 GPa，泊松比υ=0.3。

1.3 应变软化力学模型

基于Hoek-Brown(H-B)屈服准则^[9]，即：

(1)

式中，σ₁，σ₃分别为岩体破坏时最大、最小主应力；σ_ci为岩块单轴抗压强度；m_b，s，a均为常数，其中m_b为m_i的折算值，s反映岩体破坏程度，其取值范围在0~1之间。该准则将扰动系数D引入到岩体强度计算当中，各参数可由下式表示：

(2)

若假设H-B常数中的m_b，s随η值线性衰减，则可得到H-B应变软化模型，其关系式为：

(3)

式中，ω^p为峰值参数; ω^r为残余参数；ω可以代替H-B模型中的m_b；s常数。

将软化参数η定义为塑性剪切应变，通过最大主塑性应变和最小主塑性应变的差值获得，即

(4)

式中，γ_p为塑性剪切应变；ε₁^p，ε₃^p分别为最大、最小塑性应变。

根据现场掌子面节理岩体特征及观测结果，取GSI^p=52，GSI^r=32，确定基于量化GSI系统的围岩力学参数如表 1所示。隧道弱节理围岩的弹性模量根据Hoek提出的方法确定^[10]，即

(5)

2 弱节理小净距隧道合理净距的确定

本研究以FLAC^3D有限差分软件为工具，基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型，建立三维小净距隧道数值模型，数值分析小净距隧道中夹岩柱的塑性区分布特征及塑性区的突变规律，综合确定隧道合理净距，计算工况分别取小净距为0.9B~1.7B等9种，其中B为隧道的跨度。

2.1 弱节理小净距隧道数值计算模型

大荒沟小净距隧道建筑限界宽10.25 m，净高5 m，双车道隧道。内轮廓采用曲墙三心圆形式，宽10.84 m，高8.9 m。计算模型力学边界条件采用位移边界条件，上边界为自由边界，左右两边边界采用水平位移+应力约束，更加准确地还原隧道的原岩应力状态，固定纵向方向的位移，底部边界为固定边界，根据公式P=λγh可知，P₁=6.8 MPa，P₂=3.4 MPa，侧压力系数λ为0.5。

2.2 数值计算结果分析

本研究以FLAC^3D数值模拟软件计算0.9B~1.7B净距条件下，双洞开挖后围岩塑性区分布情况。对小净距隧道合理净距的判定条件，主要包括两个方面，一是小净距隧道中夹岩柱不出现塑性区贯通^[11-12]，二是塑性区顶部不能出现突变情况，若出现上部塑性区突变则说明中夹岩柱易产生塌方隐患，通过计算获得不同净距隧道中夹岩柱的塑性区分布如图 4所示。由数值计算结果可知，当隧道小净距D取0.9B~1.1B时，塑性区在中间岩柱位置全部处于贯通状态，说明在这种条件下不满足小净距隧道的施工要求；当隧道小净距D取1.2B~1.4B时，隧道中夹岩柱的塑性区并没有贯通，围岩具有一定的自稳能力，但是隧道的肩部出现明显突变现象，说明在这种条件下开挖时，隧道中夹岩柱仍然存在塌方隐患；当D=1.5B时，塑性区顶部突变现象明显减小，且两硐室塑性区处于分离状态，隧道围岩趋于稳定。根据综合分析大荒沟隧道地质条件和数值计算结果，将其最小合理净距取值确定为D=1.5B较为适宜。

3 弱节理小净距隧道支护结构设计

小净距隧道双洞内侧应力状态较单洞情况复杂^[13-15]，其影响因素不仅包括隧道尺寸和埋深等工程条件，还包括围岩参数等地质条件，本研究以松散介质平衡理论(普式理论)为基础，计算深埋隧道开挖后围岩的垂直压力及两侧水平压力^[16]。

3.1 小净距隧道围岩压力

(1) 垂直压力

深埋隧道垂直压力由基本松散压力q₁和附加松散压力q₂组成，可按下式计算：

(6)

(7)

式中，q₁为小净距隧道的基本垂直压力荷载，单侧洞室形成的稳定平衡拱下部的土压力, 假定其为均布荷载；q₂为小净距隧道的附加垂直压力荷载。左右洞室共同形成的极限平衡拱下部松散土压力减去基本松散土压力及中夹岩柱体上部土压力荷载后的荷载, 假定为梯形分布荷载, 如图 5所示。h_q1为基本荷载高度；h_q2为附加荷载高度；γ为拱顶附近岩体的平均容重。

(2) 两侧水平压力

(8)

(9)

式中，e_1~2ⁱ为外侧拱部及边墙任意点水平方向土压力；e_3~4ⁱ为内侧拱部及边墙任意点水平方向土压力；h_i为计算点到拱顶的距离；λ_w，λ_w为内外侧压力系数，根据朗金公式计算，取0.3。

3.2 支护结构设计

(1) 锚杆支护设计

系统锚杆长度和间距应根据围岩的破碎程度、隧道宽度，采用工程类比法确定，经验公式：

① 锚杆长度：L=1/5B_t~1/3B_t=2.17~3.61，取L=3 m；

② 锚杆间距：P=0.4L~0.7L=1.2~2.1，取P=1.2 m。

式中，L为锚杆长度；B_t隧道开挖宽度，B_t=10.84 m；P为锚杆的设置间距。使用HRB400直径为25 mm的锚杆，矩形排列纵向间距和排距为1.2 m和HRB235的钢垫。根据文献[17]可知，锚杆所能提供的最大承载力为0.139 MPa。锚杆参数如表 2所示。

(2) 喷射混凝土支护设计

选取C30普通硅酸盐水泥，支护喷射混凝土厚度为20 cm。根据文献可知，混凝土所能提供的最大承载为1.071 MPa。混凝土参数如表 3所示。

(3) 中夹岩柱的支护设计

本隧道净距为D=16.26 m，根据现场的地质条件选取中夹岩柱加固措施，即使用直径为25 mm的HRB400预应力锚杆在中夹岩柱区域连接两个洞室，以达到对中岩墙的加固，选用C30混凝土对上盘岩、下盘岩进行注浆加固。

4 围岩开挖方案优化及稳定性分析

采用FLAC^3D软件分别对支护条件下大荒沟小净距隧道采用二台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法、环形开挖预留核心土法进行数值模拟，分析不同工况下围岩拱顶位移及水平位移的分布特征，选择合理的施工方法，开挖方法如图 6所示。其中二台阶法采用短台阶开挖，台阶步距为0.9B，单侧壁导坑法、双侧壁导坑法的开挖步距为0.6B，CD法、CRD法的开挖步距为0.5B，环形开挖预留核心土法的上部开挖步距为0.1B，下部台阶开挖步距为0.4B。

从图 7中可以看出不同的开挖方法对小净距隧道拱顶沉降量有一定的影响，环形开挖预留核心土法对拱顶沉降量控制最为明显。而隧道左洞、右洞之间的沉降量无较大差别，保持为1 mm左右。

从表 4中可以看出，拱顶最终沉降量环形开挖预留核心土法最小，然后分别是双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、CD法、CRD法、二台阶法。

图 8为不同工况下中间岩柱水平位移变化曲线(向左为负值，向右为正值)，由文献[18]中提出的小净距隧道中间岩柱的分布及加固法可知，中间岩柱的稳定性对小净距隧道施工起着至关重要的作用，对中间岩柱进行加固可减小隧道围岩变形，控制围岩塑性区发展，提高隧道围岩的稳定性。无论是中间岩柱的左侧还是右侧，环形开挖预留核心土法施工时中间岩柱的水平位移最小，二台阶法水平位移最大，由此可知在应用环形开挖预留核心土法施工时对隧道围岩造成的扰动最小。对比岩柱向左和向右移动的水平位移可知，隧道开挖时，中间岩柱向左洞移动趋势明显大于右洞，围岩有先向左洞移动的趋势。

5 小净距隧道施工方案及监测分析 5.1 施工方案的选择

通过对不同工况的数值模拟分析可知，环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、CRD法引起的隧道围岩扰动较小。从整体上来看，环形开挖预留核心土法在控制围岩变形方面优于后两者。而环形开挖留有核心土支撑着开挖面，能够及时进行初期支护，所以开挖面稳定性好，其次核心土和下部开挖是在初期支护保护下进行的，施工安全性好。故选择环形开挖预留核心土法进行隧道施工。

5.2 现场监测分析

为验证数值模拟的可靠性，对大荒沟小净距隧道采用环形开挖预留核心土法施工，采用国产XB338-B型智能数显滑动式沉降仪对拱顶沉降进行量测，采用激光断面仪对水平收敛进行量测，观测点布置如图 9所示。

图 10为DK424+205~+255段拱顶沉降及水平收敛位移随测点距掌子面距离的变化曲线。从图 10中可以看出，隧道拱顶沉降量在初始阶段迅速增大，随着隧道的掘进，拱顶沉降量逐渐趋于稳定，在距掌子面35 m处趋于稳定，达到8.02 mm，小于数值分析结果。从图 10中还可以看出，水平收敛量随着隧道掘进逐渐增大，在距掌子面35 m左右趋于稳定，达到3.71 mm。现场监测数据值与数值模拟分析的最终结果基本吻合，从图中还可以看出，隧道开挖造成的扰动范围大约为1.5B洞跨。

通过对现场监测结果及数值模拟的分析可知，环形开挖预留核心土法在施工安全方面具有可行性，环形开挖预留核心土法能够更加有效的控制隧道围岩的稳定性，结合实际工程，选择1.5B净距及环形开挖预留核心土法施工更加合理。

6 结论

(1) 采用量化GSI围岩评级系统，能够确定合理的节理岩体力学参数，基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型，采用FLAC^3D数值模拟软件计算确定最小合理净距，合理净距的判定条件为小净距隧道中夹岩柱不出现塑性区贯通，塑性区顶部不能出现突变情况。

(2) 按照规范理论计算围岩压力后，进行支护结构设计，采用FLAC^3D数值模拟软件对小净距隧道不同开挖方式进行计算，确定了环形开挖法为理想的施工方法；得出锚喷支护与中夹岩柱长锚杆共同作用，能够有效控制小净距隧道中夹岩柱松动圈的扩展。

(3) 通过现场监测验证了施工方案的合理性，在计算小净距隧道稳定性方面，未考虑岩体的时效变形特性，可能导致计算结果存在偏差，这方面内容需进一步研究。