高等级公路隧道一般为上下行分离的独立双洞，双洞常按彼此间不产生有害影响的原则设计，保证最小净距，但在实际工程中存在其他条件限制而不可避免地采用小净距隧道甚至联拱隧道，因此需要做出充分的技术论证，并制订可靠的技术保障措施^[1]。

目前，业内很多学者对各类小净距隧道展开了相关研究，因中岩墙受隧道开挖的多次扰动影响，其受力变形异常复杂，不利于隧道结构的稳定，故核心问题集中在合理净距及中岩墙加固的研究及优化上。姚勇等^[2]对不同围岩级别下的双洞隧道中岩墙受力、变形等进行研究，表明小净距情况下中岩墙的受力、变形极为不利。张永兴等^[3]基于强度折减法，对小净距隧道合理净距研究认为，对于双向六车道隧道，若把塑性区是否连通作为合理净距的原则，认为D=12 m(D为中岩墙厚度)为临界净距。汤劲松等^[4]从围岩塑性区分布情况分析认为，对于IV级围岩复杂地质条件下的双向六车道公路隧道最小安全净距可以确定为0.5B。除合理净距的相关研究外，覃卫民等^[5]对隧道围岩变形监测成果进行分析，对双向六车道小净距隧道的三导洞法、CRD法、CD法等开挖方法进行了比选。龚建伍等^[6]研究表明，对于大断面小净距隧道，施工方案不同对中岩墙受力及变形影响较大。陈秋南等^[7]对八车道小净距公路隧道分别采用双侧壁法、三台阶法、CRD法进行施工模拟，揭示了围岩的变形规律、中间岩柱和支护结构的受力性状。刘芸等^[8]研究表明通过加固中岩墙，可有效提高围岩稳定性及改善支护结构的力学状态。石钰锋等^[9]结合狮子垄隧道，采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究，分析临近贯通时围岩的稳定性。采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固，并提高初支强度，保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。杨进京、李德武^[10]利用有限元法模拟并分析了不同开挖方法对软岩小净距隧道的相互影响，通过对比分析发现，两隧道交互开挖、待左右线均开挖完成后再施作二衬为最优工法。陆伟^[11]采用FLAC^3D数值模拟分析了不同施工工艺下Ⅳ级浅埋偏压小净距隧道中夹岩柱应力应变特性及其稳定性,分析表明上下台阶法施工对中夹岩柱稳定性扰动最小。冯义、陈寿根^[12]研究了低跨比双洞八车道隧道近接时衬砌内力、洞周位移、接触压力随净距的变化规律，并且结合FLAC^3D进行数值模拟计算，阐述了规律形成的原因，分析了隧道净距改变对低高跨比双洞八车道衬砌结构和围岩的破坏特征影响。王更峰等^[13]结合魁岐大跨小净距隧道工程实践，建立了大跨小净距隧道施工动态有限元分析程序，对不同围岩条件下隧道施工方案进行了数值模拟分析，确定隧道最小净距为0.55B是安全的。

以上研究主要针对较小净距下，隧道开挖对中岩墙的扰动所引起的围岩受力和变形影响，而对于后掘隧道开挖对中岩墙和先行隧道支护结构的综合效应的研究较少。本文依托某隧道工程，利用FLAC2D有限差分软件分析手段，通过模拟不同净距下，采用三台阶法开挖，分析后掘隧道开挖多次扰动所引起中岩墙的力学特性变化和先行隧道初支的受力情况，对进一步推动浅覆大跨度小净距隧道的发展和应用，具有重要的现实意义。

某公路双向六车道隧道毛洞净跨度为16.47 m，高度为10.84 m，两隧净距在10~25 m之间，浅埋段隧道埋深为10~20 m。隧道穿越的地层主要为强中风化粉砂岩、细砂岩夹泥岩，地层条件相对复杂。围岩级别为V级，围岩支护结构如图 1所示。

图 1 V级围岩支护结构图(单位：m) Fig. 1 V-grade surrounding rock's support structure (unit: m)

图选项

左右两洞均采用三台阶分部开挖法，先行开挖左洞，再开挖右洞，两洞纵向间距以左洞支护结构达到一定强度作为控制指标。左洞开挖步骤见图 2。

图 2 三台阶法开挖工序示意图(单位：m) Fig. 2 Schematic diagram of construction procedure in 3-step method (unit: m)

图选项

左洞的具体开挖步骤为：(1)上台阶开挖;(2)施作上台阶初支;(3)中台阶左开挖;(4)施作中台阶左初支;(5)中台阶右开挖;(6)施作中台阶右初支;(7)上部核心土开挖;(8)下台阶左马口开挖;(9)施作下台阶左马口初支;(10)下台阶右马口开挖;(11)施作下台阶右马口初支;(12)下部核心土开挖;(13)仰拱铺底。右洞开挖方式与左洞相同，故不再赘述。

采用FLAC^2D数值分析软件进行模拟，取隧道洞跨B=16.47 m，洞高H=10.84 m，隧道埋深取将近一倍洞跨为16 m。为消除应力边界影响，左、右及下边界取约3倍隧道开挖直径，上边界取为自由面；左右边界约束x方向位移，下边界约束y方向的位移。数值模型见图 3。

图 3 三台阶法数值计算模型(单位：m) Fig. 3 Numerical calculation model of 3-step method (unit: m)

图选项

围岩采用平面四边形等参单元，判定准则采用Mohr-Coulomb屈服准则，喷射混凝土采用结构单元liner单元模拟，钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土；拱顶120°范围的超前双排$\phi $42小导管和初支中的$\phi $25中空注浆锚杆的作用，均通过采用适当提高相应区域围岩参数进行模拟。根据地勘参数、规范及相关文献^{[1, 9]}，材料的力学参数见表 1。

采用FLAC2D进行施工过程模拟，初始应力场根据岩体的自重应力场计算得到，计算平衡后通过修改加固圈的围岩参数来模拟小导管和中空注浆锚杆的作用效果。每一次开挖、支护分为两个阶段，第一阶段模拟隧道开挖无支护下应力释放60％;第二阶段模拟隧道施作初期支护结构后应力释放40％。根据新奥法施工原理，二次衬砌仅作为强度储备，故本次计算中未考虑二次衬砌的影响。

为了分析在不同净距情况下，右洞开挖对中岩墙多次扰动引起其力学特性的改变和左洞初支的内力变化，笔者分别取中岩墙厚度D约为0.5B(8 m)，0.75B(12 m)，1B(16 m)，1.25B(20 m)，1.5B(24 m)，2B(32 m)情况进行研究。

模拟三台阶法开挖，隧道开挖及初支完成后隧道周边围岩所形成的塑性区分布见图 4。从图中可看出单洞开挖完成后，围岩塑性区沿隧道轮廓呈“×”形分布，在拱肩和拱脚部分形成较大的塑性区，拱脚处尤为严重，塑性区延伸至拱脚以下5 m左右，而隧道边墙塑性区沿径向为3 m左右。在中岩墙厚度D/B为1.25~2的范围内，右洞开挖后对中岩墙塑性区的变化影响较小，塑性区范围基本与单洞情况下相同；随着中岩墙厚度的进一步减小，在D/B为0.75~1的范围内，临近两隧道边墙和拱脚处的中岩墙塑性区范围有所扩大，隧道拱脚以下塑性区延伸至9 m左右，但中岩墙塑性区仍未贯通；当D/B=0.5时，即中岩墙厚度为8 m时，左洞开挖及初支完成后，随着右洞上台阶的开挖，中岩墙上部区域塑性区已贯通，塑性区范围急剧扩大，随着右洞中、下台阶的开挖，左、右洞拱脚处围岩塑性区贯通，最终中岩墙范围内塑性区基本完全贯通，围岩自承能力急剧下降。故在浅覆软弱围岩条件下，对于大跨度隧道尽可能地通过控制中岩墙的厚度来防止塑性区贯通，以充分利用围岩的自承能力，即尽量将D/B值控制在0.75以上。

图 4 中岩墙塑性区随净距的变化图 Fig. 4 Variation of plastic zone of middle rock wall with clear distance

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对于隧道开挖引起洞室周边位移情况，模拟发现在不同净距下，围岩水平位移峰值均出现在隧道拱脚处，故本文着重分析左洞拱脚1^＃特征点处围岩在右洞开挖多次扰动所产生的水平位移变化。1^＃特征点位置见图 5。

图 5 特征点位置示意图(单位：m) Fig. 5 Schematic diagram of positions of feature points (unit: m)

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表 2列出了在中岩墙厚度不同情况下左洞拱脚处中岩墙的x向位移。表中可知，随着中岩墙厚度的减小，右洞开挖引起1^#点处水平位移值有小幅增加；右洞上、中台阶开挖后，中岩墙处于偏压状态，导致临近左洞的中岩墙水平位移值有所增加且区域明显扩大;而右洞下台阶开挖后临近左洞的中岩墙位移峰值稍许减小，但比左洞开挖时的位移峰值要大。当D/B=0.5时，随着右洞开挖，1^#特征点处中岩墙水平位移峰值出现了转折，其值比在D/B=0.75时小。综合云图分析，在D/B=0.75情况下，塑性区未贯通，左洞围岩偏压仍占主导作用；而当中岩墙厚度减小至8 m时，随着右洞上、中台阶的开挖，中岩墙塑性区贯通，围岩的承载力相应降低，此时中岩墙右侧对应处围岩水平位移峰值显著增大至7.00 mm，是左洞1^#特征点水平位移峰值的1.83倍，说明右洞围岩偏压占主导作用，促使围岩水平位移向中岩墙左侧发展。

小净距隧道后掘隧道上、中台阶的开挖对先行洞及中岩墙的水平位移值影响较大，开挖时应尽量减少围岩的扰动并及时施加初支，同时应保证平行隧道施工合理的纵向间距。

随着净距的减小，后掘隧道开挖会使中岩墙的应力产生叠加效应，导致中岩墙的剪应力值过大，围岩易发生剪切破坏而丧失承载能力。

中岩墙因受到先、后行隧道施工的反复影响，在中岩墙核心区选如图 5所示点位，分析不同中岩墙厚度时，各点主应力差的变化，如图 6所示。

图 6 不同净距下各点处主应力差 Fig. 6 Principal stress differences at each position with different clear distances

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图中可知，随着中岩墙厚度的减少，各点主应力差增加，塑性区未贯通时，中岩墙主应力差值呈现两边大、中部小，因中岩墙两端部分围岩已处于塑性阶段，中部围岩仍处于弹性状态。

在D/B为1~2时，两端的2^＃和4^＃点的主应力差均比3^＃点的主应力差要大；在D/B=1时，3^＃点对应的主应力差为333.0 kPa，其值只比单洞开挖的情况增加21.8%；当中岩墙厚度减小至12 m时，中岩墙的主应力差增幅较大，2^＃和4^＃点处的主应力差分别为812.6，60.4 kPa，相应处围岩已处于塑性阶段，而3^＃点主应力差增幅较小，该处围岩处于三向应力状态，屈服强度较高，塑性区仍未贯通；当中岩墙厚度减至8 m(D/B=0.5)时，中岩墙的3^＃点处主应力差值发生突变，其主应力差达858.0 kPa，比2^＃和4^＃点处大，此时中岩墙塑性区贯通。

图 7列出了单洞和不同D/B情况下隧道初支的轴力分布，可见，单洞初支拱顶与边墙所受轴力较大，仰拱承受的轴力较小，其初支轴力最大值在拱顶左侧，其值为552.2 kN。随着中岩墙厚度的减少，隧道支护结构的轴力增加逐渐明显，左洞增幅明显大于右洞。

图 7 初支轴力分布(单位：kN) Fig. 7 Distribution of axial force of initial support (unit: kN)

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D/B在1~2时，左洞仰拱和临近中岩墙的边墙轴力有所增加，增幅相对较小；D/B=0.75时，左洞临近中岩墙的边墙轴力增加较大，轴力峰值出现在右边墙，为720.9 kN，拱脚处轴力值为674.1 kN，其值分别是单洞对应位置的1.7倍和2.3倍；当中岩墙厚度减至8 m(D/B=0.5)时，左洞支护轴力明显增加，临近中岩墙边墙和拱脚处轴力增幅尤为显著，其值分别达1 148，1 032 kN，分别为单洞情况的2.7,3.5倍。

图 8列出了单洞和不同D/B情况下隧道初支的弯矩分布，可见，单洞隧道初支拱肩、边墙、拱脚处弯矩较大，最大值位于左拱脚，其值为28.0 kN·m。随着中岩墙厚度的减小，右洞上、中台阶开挖后，左洞右拱脚处初支弯矩有明显增加，右洞临近中岩墙的拱脚处弯矩值亦有所增加；左洞拱顶处初支受右洞开挖的影响，由内侧受拉转变为外侧受拉。

图 8 初支弯矩分布(单位：kN·m) Fig. 8 Distribution of bending moment of initial support (unit: kN·m)

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D/B为1~2时，左、右洞的弯矩值均有所增加，受右洞开挖的影响，左洞初支的弯矩最大值位于临近中岩墙的拱脚处；当D/B为0.5~0.75时，左洞支护受右洞开挖的影响尤为显著，左洞的右拱脚处弯矩值增幅很大，右洞临近中岩墙的隧道边墙和拱脚处弯矩值亦有明显增加。当中岩墙厚度为8 m时，左洞弯矩最大值出现在右拱脚处，该处支护结构外侧受拉，内侧受压，最大值为49.5 kN·m；临近仰拱处亦出现一弯矩值较大点，其值为37.9 kN·m，该处支护结构内侧受拉，外侧受压，其值分别是单洞对应处的2.0倍和5.3倍；左洞隧道初支弯矩值也有所增加，弯矩最大值位于隧道左拱脚，其值为31.3 kN·m。

刘芸等研究表明对于软弱围岩，中岩墙采用对拉锚杆或预应力锚杆加固对约束洞室变形和支护结构受力的效果不太明显，而采用注浆或注浆与预应力锚杆联合加固效果良好^[8]。模拟分析结果表明，在浅覆软弱围岩条件下，当中岩墙厚度在D/B=0.75以下时，中岩墙塑性区已完全贯通，围岩承载能力急剧下降。故对D/B=0.5工况进一步计算，分析中岩墙加固后的围岩力学特性和初支受力的变化情况。中岩墙加固效果通过提高围岩参数实现，加固围岩参数为假定值^{[8, 9]}，中岩墙围岩加固参数取值如下：E=1.0 GPa,ρ=2 300 kg/m³,μ=0.3,c=0.25 MPa,φ=35°。

中岩墙加固后围岩的塑性区分布及初支受力变化如图 9~图 11所示。

图 9 中岩墙加固后塑性区分布图 Fig. 9 Distribution of plastic zone of middle rock wall after reinforcement

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图 10 初支轴力分布(单位：kN) Fig. 10 Distribution of axial forces of initial support (unit: kN)

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图 11 初支弯矩分布(单位：kN·m) Fig. 11 Distribution of bending moment of initial support (unit: kN·m)

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从计算结果可看出，在浅覆软弱围岩条件下，中岩墙加固前后的塑性区及初支内力变化很大。加固前中岩墙塑性区完全贯通，加固后仅隧道拱肩和拱脚处围岩塑性区小范围贯通，中岩墙大部分围岩仍处在弹性阶段；加固后隧道初支受力得到极大改善，左洞临近中岩墙处初支最大轴力为583.9 kN，较加固前减小了49.1%，左洞拱脚处初支最大弯矩为35.1 kN·m，相比加固前减小了29.1%。

(1)在浅覆大跨度情况下，中岩墙厚度对围岩的塑性区分布和初支的受力影响极大，对于V级软弱围岩，当D/B＜0.75时，中岩墙会形成连续贯通的塑性区，对中岩墙受力非常不利，设计时宜将D/B值控制在0.75以上。

(2)从围岩塑性区分布和先行洞初支受力来看，隧道拱脚处是受力的薄弱部位，必要时应加大此处支护参数，同时保证隧道初支及时封闭。

(3)在隧道净距极小的情况下，对中岩墙进行注浆加固可提高围岩的稳定性，降低初支受力，提高结构安全储备。