极小净距隧道

极小净距隧道的设计与施工钟世航中国铁道科学研究院山东大学岩土工程与结构工程研究中心•两并行隧道的净距（相邻的两边墙的距离）通常要在1.5～3.5D（D为单座隧道的跨度），以保证旁侧隧道的施工不会造成相邻隧道的破坏和保证两隧道中夹岩体的安全。•但是在地形限制或桥隧相连等情况下，保持较大的净距有困难。需要缩小两隧道的净距。在山区建高速公路或高等级公路时，如果出现隧道群，为保持较大的隧道净距，就会出现公路隧道——公路线路分岔——线路并线——线路分岔——隧道……的现象，或为保持路面线性而加大开挖宽度。如果大大减小两隧道间距，就可节省大量的边坡开挖和公路造价。•连拱形式隧道实际上是将两座隧道并成一座两倍跨度的隧道，中间用钢筋混凝土墙或柱—梁结构支撑，完全采用结构的方式修建隧道。这种形式的隧道施工时分部多，每一部分的断面小，工种、工序交叉多，特别是防水难，已完工的隧道许多都未能解决漏水问题。•如果采用保留两并行隧道间岩墙的极小净距隧道的方案，保持两个独立的隧道，则工序较简单，防水易解决，对于5级以上围岩，其造价要比连拱隧道低30～50%。这是值得推广的技术。•极小净距隧道与常规间距的两座隧道造价相近或略高，但对施工单位的管理水平要求较高，也要求施工领导者对施工的技术难点有较深入的理解。•对于2～3车道（跨度14m左右）的隧道，从施工和岩体加固方面考虑，净距4～6m的极小净距隧道可能比净距10余米的小净距隧道更合理。•以宁波招宝山隧道为例，介绍极小净距隧道的设计和施工。招宝山公路隧道是我国最早设计、施工并通车的极小净距隧道，在设计和施工过程中把它作为科研项目来工作和总结。其工作及资料对以后的类似工程有很好的借鉴和指导意义。•招宝山隧道为城市高等级公路隧道，道路为上下行各3车道，每一隧道总宽度为12.75m，开挖跨度约为14.5m。•隧道穿越招宝山公园，穿过由流纹岩为主组成的招宝山。隧道东西口从埋深不足lm向隧道内逐渐加深，最大埋深约35m，全隧道不足20m埋深的段约占l／2，埋深浅，岩体风化严重，流纹岩节理发育；隧道又受4条断层横切，断层两侧均有岩体较破碎的断层影响带，断层面上有断层泥、糜棱岩等；岩体中还有细晶岩脉穿切并风化成泥状，开挖后发现某些段横断面上泥状物占总面积的1／3~1／2；隧道两端洞口均有部分在剪切破碎带中。总的来说，Ⅲ类围岩（老分类标准，下同）约占60％。其余为Ⅳ类围岩。隧道正上方有重点保护文物镇远炮台城门（干砌片石建成）和佛教寺庙圆通寺的建筑。隧道西口距佛教寺庙观音阁的建筑最近才10m。这些都必须在施工时予以保护。•极小净距并行隧道保护围岩稳定性、设计和施工的几点考虑：•1基本技术构思是充分利用围岩的自承能力，并对开挖后易失稳的那部分岩体加固以使岩体稳定；•2极小净距隧道的危险是由于两座隧道中夹的岩墙窄、薄，必然导致岩墙和其他一些岩体容易破坏。因此，对围岩稳定性应作认真的分析：•（1）隧道的稳定取决于围岩的稳定。单个隧道周边围岩开挖前后的变形可使围岩中产生自承体系，自承体系的存在和稳定，使隧道稳定（图4）。极小净距隧道两隧道间的岩墙不够厚，没有足够的空间形成完整的自承体系。需要对这部分岩体加固。•••普济隧道实测围岩中自承体系示意图•（根据声波量测和形变-电阻率法量测资料）•（2）极小净距隧道通常会有相当一段（洞口段）属浅埋段，隧道拱部以上的岩体没有足够的空间形成完整的自承体系结构，必须考虑对岩体作必要的加强，促成岩体稳定；•3并行的两座极小净距隧道，相邻的隧道施工时，周边应力变化、变形，必将影响相邻的隧道。必须考虑两隧道要先后开挖。先挖的隧道开挖后，必须考虑对邻近另一隧道一侧围岩的加固；•4开挖爆破对邻近的隧道必然有影响，特别是后开挖的隧道，开挖爆破对已开挖隧道的振动会影响先开挖隧道的支护、衬砌；开挖爆破对两侧岩体的冲击力，将有可能破坏两隧道中夹的岩墙，必须采取措施。•不同的岩体参数和施工工况围岩受力和破环的数值模拟•两个极小净距并行隧道若不采取必要的措施，隧道围岩一定会在施工时发生破坏。为了解发生破坏的部位与形式，以便采取加固措施，要进行施工过程中围岩力学形态的数值模拟。对招宝山隧道，选取不同开挖顺序、不同工况以及不同的围岩力学参数等20余种情况进行模拟。得到如下的一些规律的认识：•（1）隧道拱部以上岩体，在岩体抗拉强度中等大小的情况下将出现拉应变，但在弹性范围内；在岩体抗拉强度较小时（节理岩体多数抗拉强度都较低），将出现拉裂区，在埋深10m的情况下，在开挖第二座递道后，拉裂区将发展到地面。在岩体抗拉强度较小时埋深35m的拉裂区在岩体抗拉强度较小时埋深10m的拉裂区两隧道间夹岩体情况：•埋深较大（埋深35m）时，若隧道均在Ⅳ类围岩中，则两隧道间夹岩体应力均处于弹性范围内；若其中之一隧道在Ⅲ类围岩中，或两隧道均在Ⅲ类围岩中，则在两隧道开挖后，Ⅲ类围岩的边墙岩体压应力高于岩体抗压强度而出现塑性区，如果岩体抗拉强度小，则随着拱顶以上围岩单向拉裂的发展，两隧道间岩体塑性区扩大；•特浅埋（埋深10m）时，两隧道间岩体未见塑性区，但岩体拉裂区扩至两隧道间相邻侧的拱脚以下，达到边墙。•若两隧道净距由2.3m扩大到4m，则两隧道间岩体的应力集中情况大为减缓，岩体中单向拉裂区减小，并仅发展到拱脚以上。•开挖及支护要点•Ⅲ、Ⅳ类围岩段用新奥法施工技术，采用正台阶法开挖（大断面开挖），以开挖后及时施作的喷射混凝土、钢筋网、锚杆、格栅钢架为初期支护，在对围岩作加固的前提下，以及时的初期支护保护围岩，促成围岩的自承。二次模筑衬砌仅作防水和安全储备。浅埋及特浅埋段采用浅埋暗挖法技术——早期及时大刚度初期支护，以限制围岩变形为目标；松散和很破碎岩体段采用环形开挖。•合理的施工顺序•原则上采用一座隧道先开挖，完成初期支护和仰拱、加强拱部岩体和两隧道中夹岩体后，再开挖第二座隧道的施工顺序。但由于施工的安排及需求，可采用两隧道弧形导坑错开一定距离先后开挖（开挖面错开100m以上）并及时完成初期支护，然后用穿通两隧道的低预应力全长粘结水泥砂浆锚杆加固两隧道中夹岩体的拱腰以下部位，采用长正台阶法开挖。应在第一座隧道下半部开挖、完成初期支护和抑拱并预加固两隧道中夹岩墙，由量测资料指示达到基本稳定后，再开挖第二座隧道的下半部。第二座隧道开挖支护并完成仰拱后，达到基本稳定，再施作两隧道二次模筑混凝土衬砌。•岩体的加固技术•两隧道间夹岩墙的加固，是隧道建造成功的关键•(1)两个隧道弧形导坑开挖并施做初期支护后，用穿通两隧道的水平低预应力全长砂浆锚杆加固岩体，加固段从拱腰部位到拱脚。这些部位的锚杆长度为4.5～6.5m。•(2)在先开挖的第一座隧道边墙开挖后，立即用长度达到第二座隧道开挖轮廓的水平全长砂浆锚杆加固两隧道中夹的边墙岩体，并完成其它初期支护。这些锚杆要求注浆完全饱满。它们施作之后，将起如下作用：•增大岩体抗拉（抗剪）强度，从而增大岩墙的极限抗压、抗剪强度。•随着岩体水平方向的变形，将增大对岩体变形的水平约束，并增大σ2，相应增大岩体的极限强度。因此，一般情况下，这些锚杆不必采用预应力。•③预设的两隧道中夹岩墙的水平锚杆，在第二座隧道开挖爆破时，将加强第二座隧道内侧边墙的岩体，减小开挖爆破对岩体的破坏及振动影响。•要注意及时施作隧道拱部的系统全长粘结砂浆锚杆并保证其工程质量•由前述数值模拟结果可知，隧道拱部岩体会可能出现拉裂区，两隧道间岩墙的塑性区与隧道拱部岩体的拉裂区是相伴生的。因此增强拱部岩体的抗拉强度，不仅可以抑制岩体拉裂，也是减轻两隧道间岩墙的塑性区发生、发展的措施。•中夹岩墙为极软弱岩体时的支护措施•招宝山隧道围岩中穿插一些细晶岩脉，均已风化成泥状，断层两侧还有破碎带及断层泥。这些极软弱的岩体若分布在两隧道间夹的岩墙中，依靠水平砂浆锚杆的加固是不够的。为此，采用以下办法：在这些极软弱岩体段，在两隧道相邻侧拱部的格栅拱架拱脚下设立槽钢纵向托梁，边墙的格栅拱架间距加密到0.5m一榀，并及时完成喷混凝土层，利用这种较强大的钢筋混凝土的边墙支护，支承隧道拱脚下压的荷载，转移和减小边墙岩体的应力。•极浅埋段地面预设铅垂向锚桩•为避免极浅埋段拱顶上方岩体出现发展到地面的拉裂区，对埋探不到10m的浅埋段，在隧道开挖前预设铅垂向锚桩（以3根一束Φ22mm钢筋插入钻孔中，灌注水泥砂浆），在隧道拱顶，锚桩深达拱顶开挖轮廓外0.5m，隧道边墙部位桩底达拱脚标高。锚桩将岩体连成整体，大大增加了这块岩体的抗拉、抗剪强度。•控制爆破•因第一座隧道己形成临空面，故第二隧道开挖爆破时要控制向第一座隧道方向对两隧道中夹岩体的冲击力。为此采取以下措施：•(1)控制开挖时的爆破炸药量。•(2)开挖隧道下半部时，充分利用弧形导坑这个临空面。•(3)开挖第二座隧道下半部时，靠第一座隧道一侧预留厚4m左右的岩体作隔离层，预留的隔离层与开挖爆破的岩体间采用预裂爆破，形成隔振线。加上中央岩墙的4m岩体，在第二座隧道下半部爆破开挖时，靠第一座隧道一侧可有约8m厚的岩体抵抗爆破冲击力。减小爆破对两隧道中央岩体的破坏，将破坏深度控制在0.8~1m内,在开挖第二座隧道时，第一座隧道各处爆破振动速度控制在13cm／s以下。采取措施为：(1)在爆振隔离层与开挖岩体之间采用预裂爆破形成隔振面，减小爆破对两隧道中夹岩体的破坏。即预裂面不是按常规地设在隧道开挖轮廓面，而是在其约4m外设立。(2)在开挖与第二座隧道相邻第一座隧道的边墙部分时预留光面层，搞好光面爆破。(3)防止对隧道西口外观音阁建筑物及隧道顶上方镇远炮台城门及圆通寺的建筑物的破坏。对地面被保护建筑物的质点振动速度控制在不大于3cm／s。•招宝山隧道用声波法检测爆破对岩体破坏深度曲线之一•加强信息化设计及信息化施工•1隧道掌子面前方地质预报。利用各种手段查明前方不良地质，避免出现坍方。首先加强隧道施工地质工作，及时了解掌子面将揭露的软弱岩体并推延到前方。并采用陆地声纳等地质预报方法及仪器搞清掌子面前方软弱岩体的位置。在开挖隧道上半部之后，绘出起拱面的地质平面团，以指导对两隧道中夹岩墙采取的施工措施。•2锚杆注浆饱满密实度的检测。隧道的全长注浆锚杆是主要的加固岩体措施，而注浆是否饱满、杆体是否够长是关键。为此，采用M—10锚杆检测仪作质量检测，确定杆体锚入深度和锚固水泥砂浆的饱满密实度。凡不合格的锚杆均要采取补救措施。•3爆破对岩体破坏深度的检测。对两隧道中夹岩体用声波法检测爆破破坏深度，并及时反馈，以保证破坏深度控制在设计规定范围之内，或采取其它加固岩体措施。实践结果，最终可将破坏深度控制在0.6~0.7m以内。•4其它量测监控手段。包括浅埋段地面下沉、地面至拱顶标高岩体垂直相对位移、喷层切向应变、中夹岩墙边墙部位岩体水平向位移、拱顶下沉、收敛量测等都是信息反馈的重要资料，围岩压力及喷层接触应力也是检验设计可靠度及优化设计的重要参数。•量测结果监控及确定设计、施工的安全度•量测数据不仅检测施工的安全，而且作为及时优化设计的重要依据。量测的数据对设计的基本构想和采用的技术措施给于了肯定：•水平收敛最大值在断层破碎带和风化成泥的岩体段为8～12mm，其他岩段小于7mm，小于某坍方处坍前的28mm；断层破碎带和风化成泥的岩体段最大拱顶下沉量为18mm，其余岩段小于11mm，表明隧道是安全的。•两隧道中夹岩墙的张性位移值小于2mm，他们与边墙的初期支护（20mm厚喷射混凝土+格栅钢拱架+钢筋网）的接触压力最大仅0.016MPa，说明水平全长粘结砂浆锚杆对岩墙的预加固效果是好的。•围岩与初期支护间的接触应力，最大仅为0.042MPa，初期支护和模筑衬砌间的接触压力大多为0，最大仅0.01MPa，这说明，促成围岩自稳是成功的，初期支护完全可以信赖，设计和采用的基本技术措施是成功的。仰坡为堆积层或破碎岩体中隧道进洞的施工方法•有时为了刷坡、进洞，工作量大，也不安全。人们有时采用小导坑掘进进洞一段，达到较好的岩体后，再扩大断面，支护妥当后再向洞口方向大断面稳步掘进。施工在较好的岩体掘进，能够在有足够的支护、安全有保障的情况下向岩质坏的洞口施工，并以出