1.长沙县公路质量监督管理和检测站 湖南长沙 410100；
2.西南交通大学土木工程学院 四川成都 610031；
3.中铁二局集团有限公司 四川成都 6100312
摘要：他们运用二维弹塑性数值计算方法，模拟了Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级围岩在30m埋深和不同净距（2～8m）隧道的施工过程，研究了毛洞及不同加固支护状态下的地中位移、洞周位移增量、围岩压力随净距的变化规律。研究结果表明：现行规范对小净距隧道净距的界定相对保守，且划分较单一，所谓小净距隧道的 “合理” 净距应综合考虑工法、支护参数、加固措施等多种因素，在保证隧道开挖安全和经济等因素下的动态值，即是一个动态的范围值。
关键词：小净距隧道；合理净距；模型试验；数值计算
STUDY ON "REASONABLE" SPACING BETWEEN THE NEIGHBORHOOD TUNNELS BY NUMERICAL SIMULATION
TAN Kun1，YANG Qixin2，YANG Longwei3
（1.Changsha County Highway Quality Supervision and Testing Station，Hunan，Changsha410100，China 2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China；3. China Railway No.2 Group Co.LTD）
Abstract：They simulated the excavation process of tunnels with different spacing in Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ rock、30m depth by numerical simulation. It studied the regular changing pattern of displacement in surrounding rock、incremental displacement around the tunnel、pressure in surrounding rock，with or without reinforcement support system，as the spacing distance changed. The results show that the existing norms have a relatively conservative and sole definition to the distance between the neighborhood tunnels. The so called "reasonable" spacing between the neighborhood tunnels should take construction method、support parameters、reinforcement measures，etc，into consideration. In the promise of excavation safety and economical cost，it should be a dynamic value，that is，a dynamic range of value.
Key words：tunnels with small spacing；reasonable spacing；numerical simulation
1.引言
现行《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）在术语解释部分，定义“小净距隧道指上下行双洞洞壁净距较小，不能按独立双洞考虑的隧道结构”。该规范正文又解释“小净距隧道是指隧道间的中间岩柱厚度小于建议值的特殊隧道布置形式，并且给出两分离式双洞隧道围岩最小净距标准，见表1。
表1 分离式独立双洞间的最小净距【1】
Table 1 The minimum spacing between the separate independent tunnels【1】
注：B－隧道开挖断面的宽度。
此规范相对保守，且划分办法过于“粗大且单一”。所谓“小净距隧道的合理净距的划分”，应当说并不是用来解决两隧道之间不产生相互影响的距离问题（即按单洞处理的技术标准问题）；而应当是在已知相互间有影响甚至需要对中夹岩柱采取加固措施的前提下，通过选择合理“强度”的中夹岩柱加固措施，加上与之匹配以应对因小净距施工产生附加影响、同时又不过分改变原有的单洞支护体系、而需要额外补充的、合理的工程有效措施，在此基础上结合现有的施工技术条件并考虑到整体经济性而能够确定出最具有效益性的两隧洞之间的距离，该距离并不是一个定值而是一个范围。
2.数值模型的建立
本文以浙江黄衢南高速公路小净距隧道工程为依托，采用ANSYS二维平面应变弹塑性非线性方法进行模拟。本次静力计算中使用ANSYS提供的理想弹塑性本构关系，其屈服准则采用Drucker-Prager屈服准则。通过对不同围岩级别（Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ）、30m埋深、不同净距（2～10m）、不同支护（毛洞、初期支护）状态，进行开挖模拟，研究公路小净距隧道的合理净距。
对于黄衢南高速公路小净距隧道，单一隧道跨度均在11.8812.64m之间，在水平方向隧道间距4～10m，而垂直方向从地表向下选取埋深。本次计算主要针对Ⅴ～Ⅲ级围岩30m埋深进行，模型总长108m，高54m；隧道洞径12.64m，高10.09m。具体模型见图1：
图1 二维计算模型
Fig.1 Two-dimensional model of numerical simulation
3.计算结果分析
3.1 毛洞状态
（1）Ⅴ级围岩
①塑性区
净距为4m时，两隧道沿外拱肩向上方形成了高达近13m塑性区深度，这意味着在实际工程中隧道已大面积坍方，可见4m小净距隧道毛洞状态不具有稳定性；6m净距下，小净距隧道中岩墙处于完全的屈服受力状态；8m净距下，中岩墙受力状态有较大幅度的好转；当净距增加为10m时，两隧道中岩墙塑性区已完全分离，此时两隧道内侧拱腰、拱脚塑性区仍然大于外侧塑性区，但是外侧最大塑性区深度已经“收窄”，与单洞结果基本接近；因此，可以将净距10m作为在理论上Ⅴ级围岩下、小净距隧道无支护状态下的合理净距。
1）单洞 2）4m净距 3）6m净距
1）One tunnel 2）4m spacing 3）6m spacing
4）8m净距 5）10m净距
4）8m spacing 5）6m spacing
图2 毛洞状态下不同净距围岩（410m）塑性区
Fig.2 Plastic strain distribution under the different spacing when there is no support
（2）Ⅳ、Ⅲ级围岩
净距为4m时，两内拱脚塑性区明显大于外拱脚，虽没有相互连通，但已十分接近，塑性区基本覆盖中岩墙区域的2/3，说明4m净距下，中岩墙稳定性还是较差；当隧道净距增加为8m时，两内拱脚塑性区有大幅减小，塑性区十分接近单洞状态，说明8m净距下，中岩墙稳定性有大幅好转；因此，可以将净距8m作为Ⅳ级围岩无支护状态下，小净距隧道合理净距。由于Ⅲ级围岩条件较好，并且在毛洞模型试验中，表现了良好的稳定性，因此在数值模拟中，Ⅲ级6m净距毛洞状态下是无塑性区的，因此，可以将净距6m作为Ⅲ级围岩无支护状态下，小净距隧道合理最小净距。
3.2 初支状态
（1）Ⅴ级围岩
①塑性区
当净距为4m时，中岩墙塑性区连通，塑性区布满整个岩柱，上岩盘和两洞内侧拱脚处出现较大塑性区。其中中岩墙靠先行洞一侧的塑性区明显要大于后行洞，说明此时后行洞的开挖对先行洞的扰动较大。当净距为6m时，中夹岩柱塑性区分离，两侧上部塑性区明显减小，表明中夹岩柱承担了很大部分上部荷载。当净距为8m时，塑性区面积已没明显变化，基本趋于单洞情况，表明两隧道相互影响已经不大。因此，可以将净距8m作为Ⅴ级围岩、小净距隧道初衬状态下的合理净距下限。
1）单洞 2）4m净距
1）One tunnel 2）4m spacing
3）6m净距 4）8m净距
3）6m spacing 4）8m spacing
图3 初支下不同净距围岩（410m）塑性区
Fig.3 Plastic strain distribution under the different spacing when there is primary support
②地中位移
各测点最终地中位移，随着净距的增加而减小。当净距为8m时，位移值变化明显趋缓，8m与10m状态下，各测点地中位移差别很小，因此，可以将净距8m作为Ⅴ级围岩，小净距隧道初支状态下的合理净距。
图4 不同净距最终地中位移比较
Fig.4 Comparison of layer displacement under the different spacing
（2）Ⅳ、Ⅲ级围岩
净距为4m时，塑性区分离，两内拱脚塑性区明显大于外拱脚，说明中岩墙仍不够稳定。当隧道净距增加为8m时，两内拱脚塑性区有大幅减小，十分接近单洞状态，且后行洞内拱脚处已无塑性区，说明中岩墙稳定性有大幅好转。当净距为6m时，位移值变化稍趋缓，特别是先、后行洞拱顶上方围岩地中位移6m与8m状态下，差别很小，因此，可以将净距6m作为Ⅳ级围岩下，小净距隧道初衬状态下的合理净距下限。Ⅲ级4m净距毛洞状态下是无塑性区的，因此，可以将净距4m作为Ⅲ级围岩无支护状态下、小净距隧道合理最小净距下限。
3.3 中夹岩柱全加固状态
基于图12所列洞周围岩塑性区分布情况，考虑到目前对小净距中夹岩柱的加固措施，本数值计算中，对各级围岩不同净距下都采用如下加固范围：
图5 数值计算加固区域图 单位m
Fig.5 Reinforcement area in numerical calculation（units：m）
（1）塑性区
当净距为2m时，中岩墙有塑性区出现，但由于是上下岩盘和中岩墙同时加固，塑性区比例已大幅下降，先行洞内墙脚至仰拱处的塑性区明显大于后行洞的；当净距为6m～8m时，中岩墙几乎无塑性区，因此，可以将净距6m作为在理论上Ⅴ级围岩下、小净距隧道全加固状态下的合理净距。
1）2m净距 2）4m净距
1）2m spacing 2）4m spacing
3）6m净距 4）8m净距
3）6m spacing 4）8m spacing
图6 全加固不同净距下围岩（48m）塑性区
Fig.6 Plastic strain distribution under the different spacing when there is full consolidation
（2）地中位移
与2m相比，当净距为4m时，地中位移有明显的减小，而当净距为6m和8m时，地中位移较4m时变化明显趋缓，特别是先、后行洞拱顶上方围岩地中位移6m与8m状态下与4m几乎保持一致；因此，可以将净距6m作为理论上Ⅴ级围岩、小净距隧道全加固状态下的合理净距。
图7 不同净距最终地中位移比较
Fig.7 Comparison of layer displacement under the different spacing
3.4 中夹岩柱各加固组合状态
（1）地中位移
中夹岩柱不同程度的加固方式比未加固状态（初衬状态）的地中位移都有所减小，如1-1、3-1测点最终地中位移，减少幅度为5%～40%；后行洞开挖引起1-1测点的地中位移增加，约占其总量的16%～26%。从减小两测点最终地中位移的效果上看，都可以得到如下规律：无加固>下岩盘>上岩盘>上下岩盘>中岩墙>上岩盘+中岩墙>下岩盘+中岩墙>中夹岩柱加固。如图17所示：
图8 不同组合加固下最终地中位移比较
Fig.8 Comparison of layer displacement under the different combined consolidation
4.结论及建议
（1）本次研究表明随开挖工序施加了初期支护和中夹岩柱加固，隧道周边岩体和中夹岩柱的施工力学性能得到了较大的改善，呈现出的共同特征是随着净距的减小，隧道周边岩体（尤其是中夹岩柱）强度逐渐降低趋于失稳；而支护强度的增加，不同程度地提高了开挖隧道的稳定性，而这种提高随支护和加固强度提高而提高；因此说明在加固的前提下，小净距隧道最小“合理”净距是与支护方式、加固参数相关的一个动态值。
（2）建议将毛洞开挖隧道安全稳定的净距为最小“合理”净距的上限值；施加了初期支护和中夹岩柱加固的小净距隧道开挖时，出现不稳定的净距为最小“合理”净距的下限值；小净距隧道规划设计时，净距设置应大于该净距，并考虑到隧道开挖的安全、经济以及施工的便利，来设定“合理”净距。推荐的最小合理净距的参考值见表5：
表5 不同围岩和加固组合方式下的“合理”净距参考值/m
Table 5 Recommended value of the "reasonable" spacing between the neighborhood tunnels under the different surrounding rock and combined consolidation/m
注：不同中夹岩柱加固工况下的最小合理净距值处于一定范围内，但其值存在一定的规律，从小到大依次为：中夹岩柱全加固>中岩墙+下盘加固>中岩墙+上盘加固>中岩墙加固>上岩盘+下岩盘加固>下岩盘加固>上岩盘加固
参考文献：
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作者简介：
谭 坤（1984–4），男，湖南湘潭人，工程师，现供职长沙县公路质量监督管理和检测站；硕士，毕业于西南交通大学隧道与地下工程专业，主要从事隧道及地下工程近接施工力学原理与对策
论文作者:谭坤1,杨其新2,杨龙伟3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/23
标签：隧道论文; 塑性论文; 围岩论文; 位移论文; 状态下论文; 状态论文; 数值论文; 《基层建设》2018年第6期论文;