0 引言

　　随着隧道建设环境越来越复杂，为了减小占地空间和对临近建(构)筑物的影响，小净距隧道因为独特的优势在越来越多的工程中得到应用^[1,2]。近些年，国内外有众多学者针对小净距隧道展开了研究。靳晓光等^[3,4]通过二维和三维有限元数值模拟方法分析了小净距隧道不同施工方法的优劣性，提出了先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道的结论。钟祖良等^[5,6]通过理论分析与现场监测，研究了浅埋双侧偏压小净距隧道围岩压力大小和隧道衬砌荷载分布规律。Wang等^[7]通过数值模拟对浅埋非对称小净距隧道进行了研究，提出了单洞非对称隧道破坏模式和小净距隧道围岩压力的计算方法。唐明明^[8]针对偏压小净距隧道多种开挖方法进行数值模拟，并与实际监测数据进行对比，提出了经济有效的施工方案。吴波^[9]利用土工离心模型试验和三维有限元模型分析了隧道开挖对地面既有管线的影响，指导了项目顺利实施。目前已经针对小净距隧道的布置和施工方法形成了一系列理论体系，但是目前的研究对象多为对称双洞小净距隧道，对环境复杂的城市非对称小净距隧道研究较少。

　　非对称小净距隧道由于结构形式非对称、整体跨度大，左大洞室多采用不同施工方法和衬砌结构，使得隧道施工过程中左大洞之间的相互影响与对称隧道差异较大，围岩和衬砌受力复杂，并且由于非对称双洞隧道多在城市中出现，周边构筑物分布复杂，对地层及围岩的变形要求极高，通常为隧道建设中的重要工程，所以对非对称小净距隧道开展研究具有重要意义。本文依托重庆某地铁小净距隧道下穿职工大厦段，对非对称小净距隧道的施工方法进行了探讨，分析了隧道施工对地层变形和临近建(构)筑物的影响，评价了该施工方法的安全性。

　　1 工程概况

　　1.1 隧道与周边建(构)筑物间关系

　　重庆市轨道交通环线沙正街站为环线第7座车站，沙正街车站起点段位于沙坪坝北街道路正下方，其余段均处在居民楼及育英小学操场下，呈南北走向。沙正街车站中心里程为YDK9+241.643，起点里程为YDK9+137.643，终点里程YDK9+428.043，总长290.400m。有效站台中心里程处轨面设计高程为224.111m，车站主体内部线路为直线，站前局部为缓和曲线，车站尾部设交叉渡线。本文选取位于沙坪坝正街及周边建筑物下部的车站进站线，该段为浅埋小净距隧道，左右线净距2～5m。该段隧道下穿城市繁忙主干道沙坪坝正街，地表建(构)筑物、市政道路市政设施等分布密集、结构复杂。其中某职工大厦为钢筋混凝土结构，桩基础底部与隧道左线最小净距为4.5m，所处环境极为复杂，隧道施工与邻近建(构)筑物相互影响较大，隧道开挖扰动过大可能引起地面开裂、基础失效、建筑物墙面开裂等现象。右侧隧道开挖跨度18.2m，断面面积约174m²，隧道左线断面保持不变，开挖跨度12m，断面面积95m²，左右线隧道结构极不对称，隧道开挖后围岩受力复杂，受施工影响大，该段隧道对设计与施工要求极高。

　　1.2 工程地质条件

　　该段隧道顶部整体地形较平缓，地面坡度一般3°～7°。上部覆盖层以人工填土和粉质黏土为主，一般厚度0.2～6.2m，下部基岩以泥岩为主，局部夹薄层砂岩。泥岩单轴饱和抗压强度为5.60MPa，为软岩;砂岩单轴饱和抗压强度为29.11MPa，为较硬岩。隧道围岩以中风化基岩为主，层面倾角8°～10°，近水平发育，裂隙较发育，局部土层厚度偏大，成洞条件一般。隧道开挖过程中，易发生洞顶塌落及掉块现象。拱部无支护时，易发生坍塌甚至冒顶;两侧壁岩体受裂隙切割后的楔形块体稳定性较差，在无支护时，两壁岩体易松动并发生局部滑坍。通过地质勘察得知围岩基本岩石质量指标BQ为265.53，修正后的岩体基本质量指标[BQ]为245.53，围岩分级为Ⅴ级。该段土厚度较小，排水设施齐全，基岩主要为泥岩，为相对隔水层，且有一定的厚度，故不考虑地下水影响。

　　2 施工方法及支护参数

　　2.1 支护参数设计

　　本工程隧道跨度以及断面较大，场地工程地质条件较差，开挖后岩体较易崩落，对地层影响较大，但周边构筑物众多，对地层变形敏感，故应做好超前支护，减小围岩变形，避免对地表建(构)筑物、管线、市政道路及市政设施等造成过大影响。通过工程类比法，参考以往小净距隧道支护设计经验^[10,11]，隧道采用复合式衬砌支护结构，开挖前采用Φ42小导管做好超前支护，初期支护由系统锚杆、钢拱架、喷射混凝土组成，二次衬砌使用现浇钢筋混凝土，初支与二衬之间使用EVA防水板与无纺布作为防水层，具体设计参数如图1所示。根据新奥法思想，加强现场监控量测，掌握围岩与支护变形特征，以监测数据指导设计对支护参数进行调整，做到“动态设计、信息化施工”。

　　

　　图1 隧道结构设计  

　　 

　　2.2 施工方法比选

　　本工程位于城市繁华区域，其结构、周边环境复杂，地质条件较差，施工易导致围岩失稳，影响周边建筑物安全，选择安全经济有效的施工方法对项目顺利开展极其重要。目前根据地质条件以及隧道断面大小主要有台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等，其相关技术指标与适应条件如表1所示。同时借鉴国内相关工程以及相关学者研究并结合表1，右线隧道属于超大断面隧道，采用双侧壁导坑法施工，左线隧道断面稍小，采用CD法施工，如图2所示，导坑法施工过程中，导坑长度≤15m，二次衬砌与掌子面的距离≤60m。隧道施工应加强初期支护，及时跟进二次衬砌，施工中坚持“非爆破或弱爆破、短进尺、多循环、强支护、早封闭、勤量测”的原则。隧道顶部围岩厚度较小，离建筑物基础较近，应尽量采用非爆破开挖，避免对地表及周边临近建(构)筑物基础造成过大扰动，同时加强职工大厦及其基础(沉降、倾斜、裂缝发展等情况)、沙坪坝正街路面的监测，增加监测频率，并严格控制其基准值和爆破振动安全允许标准，加强施工管理与协调，必要时对既有结构加固。完成隧道开挖及初期支护后，应及时进行仰拱封闭，根据监控量测结果确定进行拱部二次模注混凝土的浇筑。应先施工仰拱，后进行拱墙二次衬砌混凝土的浇筑。

　　

　　图2 隧道施工设计 

　　 

　　2.3 施工顺序

　　位于城市繁华地区的非对称小净距隧道施工过程中受到多种因素耦合影响，与常规隧道相比，其施工力学行为更加复杂，采用合理的施工顺序对控制围岩变形、减小对周围构筑物的影响起着重要作用。目前已有学者对小净距隧道的施工进行了研究，认为先开挖隧道各洞外侧对拱顶和中间岩柱产生的位移、应力较小，故本文设置了先开挖小洞和先开挖大洞两种不同的施工顺序，如图3所示，并利用有限元软件进行数值模拟，分析两种施工顺序下围岩、地表的变形和稳定，最终得到更加合理的施工顺序，为该类小净距隧道施工提供参考。

　　

　　图3 隧道施工顺序  

　　 

　　3 计算模型建立

　　3.1 地质模型确定

　　为了研究隧道开挖以后围岩与支护结构的稳定性，对既有建筑结构受力及变形的影响，取Ⅰ—Ⅰ剖面进行有限元分析，模型左右边界和下边界按照距隧道开挖外边界洞跨的3～5倍选取，模型上边界取到实际地面高度。隧道区段的计算范围内地面建筑主要包括隧道左线职工大厦车库、沙坪坝正街，荷载主要包括恒荷载和活荷载。依据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》中楼面活荷载的规定，办公楼和居民楼每层活荷载取2kPa，结合工程经验，楼房建筑按照每层恒荷载15kPa考虑，道路活荷载按30kPa考虑。有限元模型中岩土参数第1层为填土、第2层为中风化泥岩夹黄色砂岩。模型采用三角形六节点单元来提高计算精度，地面荷载主要有职工大厦传向桩基荷载204kPa及沙坪坝正街道路荷载30kPa。隧道初期喷射混凝土和二衬采用伯努利梁单元进行模拟，初期支护中锚杆及钢拱架的作用效应按提高围岩参数c，φ来处理，不在模型中建立锚杆和钢拱架单元。模型左右设立水平约束，底部设立竖直向上约束。如上所述，模型的网格划分如图4所示。

　　  

　　表1 隧道施工方案技术指标  

　　 

　　 

　　

　　表1 隧道施工方案技术指标

　　  

　　表2 围岩参数  

　　 

　　 

　　

　　表2 围岩参数

　　

　　图4 有限元模型   

　　 

　　3.2 锚杆加固区等效计算

　　平面问题较难考虑锚杆的加固作用，尤其是梅花形布置的加固锚杆。因此，本文中通过提高锚杆加固区围岩的c，φ值计入锚杆作用效应的影响。锚杆加固对岩体力学性质改善的研究结果，已经有了许多的研究探讨。张玉军等^[12]据他人与自己的研究结果，提出如式(1)所示关系式。将勘察资料所得围岩参数代入式(1)，得到锚固岩体设计参数，如表2所示。

　　

　　 

　　式中:C₀，φ₀为原岩体的黏聚力和内摩擦角;C₁，φ₁分别为锚固岩体的黏聚力和内摩擦角;τ，S分别为锚杆的抗剪强度和横截面积;a,b分别为锚杆的纵向间距和横向间距;η分别为综合经验系数，一般可取2～5。

　　围岩加固区厚度根据JTG-T D70—2010《公路隧道设计细则》第10.3.7条由系统锚杆及喷射混凝土层形成的承载拱厚度计算方法近似计算:

　　

　　 

　　对于梅花形布置的系统锚杆:

　　

　　 

　　式中:D_g为系统锚杆形成的承载拱厚度(m);L₀为系统锚杆的设计入土长度(m);B_s为系统锚杆外侧端部折算间距(m);φ_c为岩体的计算内摩擦角(°);D₀为承载拱厚度安全系数，与开挖质量有关，可取D₀=0.1～0.3;D_ph为喷射混凝土层厚度(m)，如果喷射混凝土内设置钢拱架，则不考虑喷射混凝土层的影响，此时D_ph=0;a,b分别为系统锚杆的纵向和环向间距(m);R₀为承载拱内轮廓线半径(m)，可取设计开挖轮廓线半径。

　　分别将左大洞锚杆和喷射混凝土设计参数代入式(2)，计算得到小洞围岩系统锚杆形成的承载拱厚度D_g为2.73m，临时中隔壁为0.74m;大洞围岩承载拱厚度为3.32m，临时中隔壁为1.82m。

　　3.3 喷射混凝土与钢拱架等效计算

　　初期衬砌由C25喷射混凝土和工字钢钢拱架构成，如图5所示。平面模拟考虑沿隧道纵向1m的截面，钢拱架的间距为s=1.0/n，工字钢和喷射混凝土都有材料特性A₁,E₁,I₁和A₂,E₂,I₂。为了能在Phase2软件中用梁单元模拟这样的衬砌截面，需要对1延米隧道衬砌截面进行等效处理，计算得截面等效高度h_eq和材料的等效弹性模量E_eq。根据软件中的等效处理理论，可用式(4),(5)进行计算，得到隧道支护参数如表3所示。

　　

　　图5 隧道衬砌结构纵截面示意  

　　 

　　

　　 

　　

　　 

　　

　　 

　　

　　 

　　

　　 

　　

　　 

　　式中:A₁,A₂为单个材料截面的截面面积;E₁,E₂为单个材料的弹性模量;I₁,I₂为单个材料截面的惯性矩。

　　  

　　表3 隧道支护参数 

　　 

　　 

　　

　　表3 隧道支护参数

　　4 小净距隧道开挖变形响应规律分析

　　4.1 围岩塑性区分布特征

　　两种不同开挖顺序获得的围岩塑性区如图6所示。由图6可知，隧道开挖完成以后，两种施工工序得到的围岩塑性区分布范围较小，分布规律基本相同，主要集中在隧道底部、拱腰以及中间岩柱，与临时中隔壁设置位置较为重合，故在施工过程中应注意保护临时中隔壁两端围岩，及时有效施做锁脚锚杆。但两种方案得到的中间岩柱塑性区都已经贯通，岩体已经发生破坏，所以在隧道施工中应该加大对中间岩柱的保护，如加大锚杆设置范围和采用注浆的方式来保护岩体。对比两种施工顺序得到塑性区，因为开挖卸荷作用，一侧隧道开挖导致另一侧隧道应力增大，受力更加复杂，而右侧隧道断面更大，对另一侧隧道的影响更大，所以按照第2种方案施工得到小洞围岩塑性区明显较第1种更大，大洞塑性区较方案1有较小增长。总体来说按照第1种方案施工得到围岩塑性区更小，于围岩保护更为有利。

　　4.2 隧道围岩变形规律分析

　　隧道开挖完成以后的位移云图如图7所示，洞周围岩位移如表4所示。方案1开挖以后，大洞拱顶附近出现最大沉降约14.31mm，小洞拱顶沉降稍小，约11mm;大洞仰拱上隆最大14.1mm，小洞上隆约9.36mm，左大洞竖向收敛率分别为0.21%和0.24%;边墙处围岩向洞内变形，小洞左右边墙水平变形分别为0.5mm和3.51mm，大洞左右边墙变形分别为1.62mm和0.62mm，水平收敛率分别为0.03%和0.01%。方案2开挖以后，拱顶沉降最大也出现在大洞拱顶为15.32mm，较方案1有较小增大;小洞拱顶沉降为14.19mm，较方案1增大了约30%，左大洞仰拱隆起分别为10.2mm和14.11mm，左大洞竖向收敛率为0.25%;小洞右拱腰水平位移为13.44mm，为方案1的1.5倍，左大洞水平收敛率均为0.01%。总体来说，两种方案得到的位移分布规律相似，均是大洞拱顶沉降最大，小洞拱顶沉降稍小;隧道底板均向上隆起，大洞隆起幅度较小洞更大;竖向和水平向收敛率均较小，竖向收敛率远大于水平收敛率，隧道变形主要以拱顶沉降和底板隆起为主，隧道较为安全。中间岩柱处的边墙水平位移显著大于两侧围岩变形，在施工中应加大对中间岩柱的监控量测，必要时可采取小导管注浆等加固措施;小洞围岩水平位移除左边墙小部分围岩为正以外，其余均为负值，与单洞隧道开挖位移分布不同，说明非对称隧道结构形式的隧道开挖由于开挖卸荷的作用，使得另一侧隧道偏压。总体来说，方案2洞周围岩变形普遍大于方案1，应该是由于大洞断面、跨度更大，开挖以后对围岩的扰动更大，卸荷作用更强，所以后行小洞开挖时已经处于偏压和较高应力状态，所以开挖后对围岩的影响更大。

　　

　　图6 围岩塑性区  

　　 

　　

　　图7 位移云图  

　　 

　　  

　　表4 洞周监测点位移 

　　 

　　 

　　mm

　　

　　表4 洞周监测点位移

　　4.3 地表及建筑物变形影响

　　隧道开挖后职工大厦车库底面的沉降曲线如图8所示，隧道开挖以后临近隧道侧的底面沉降急剧增大，方案1底面最大沉降为6.91mm，整体倾斜率为0.014%，建筑地基的变形量较小，沉降差也较小，建筑基础的倾斜小于变形允许值，地表建筑偏安全，职工大厦桩基倾斜小，隧道施工对其影响在安全范围内。方案2开挖以后最大沉降为9.07mm，比方案1增大约31%，方案2对职工大厦的保护更为有利。图9为沙坪坝正街沉降曲线，方案1最大沉降出现在路面右侧为11.57mm，最大沉降差为1.36mm，方案2最大沉降出现在隧道左侧为13.06mm，最大沉降差为1.24mm，两种施工引起路面的沉降与变形均很小，隧道施工对道路影响较小。

　　

　　图8 职工大厦车库底面沉降曲线  

　　 

　　

　　图9 沙坪坝正街沉降曲线  

　　 

　　4.4 现场监测对比分析

　　通过分析较优施工方案，现场采用方案1进行施工，并对中夹岩柱进行了锚杆注浆加固。现场对职工大厦典型剖面进行隧道拱顶沉降、水平收敛、建筑物沉降及倾斜监测，监测结果如表5所示。从表5中可以看出隧道开挖以后隧道结构变形以及建筑物变形均较小，隧道洞顶沉降最大17.29mm，较数值模拟得到的14.31mm略大，最大水平收敛出现在大洞，与模拟结果一致，职工大厦沉降位移9.53mm，处于施工允许变形范围。现场监测结果与数值模拟结果较为接近，说明数值模拟得到的结果具有较好的参考性。

　　  

　　表5 现场监测结果 

　　 

　　 

　　

　　表5 现场监测结果

　　5 结语

　　1)小净距隧道中间岩柱应力应变复杂，容易发生破坏，施工中应重点关注，可采用贯通锚杆和注浆的方式加固中间岩柱，同时加大监控量测，保证施工安全。当采用CD法、双侧壁导坑法施工时，设置临时中隔壁处围岩易处于塑性区，对于中隔壁处围岩应采取保护措施。

　　2)非对称小净距隧道大洞开挖以后，小洞受到大洞开挖卸荷影响，围岩应力和变形发生较大变化，小洞易发生偏压，不利于小洞的施工。

　　3)该段隧道采用CD法和双侧壁导坑法施工时，周围构筑物的最大沉降值、沉降差以及整体变形均小于变形允许值，施工偏安全。

　　4)先开挖小洞相较于先开挖大洞更优。先开挖小洞得到的围岩塑性区，洞周位移以及临近构筑物沉降变形均比先开挖大洞较小。