双洞隧道间距因地形条件及线路要求的限制,经常不能满足正常隧道间距要求。小净距隧道凭借其较强的适应性及相对于连拱隧道较低的造价,近年来得以持续快速发展,在山区城市中尤为明显。当前对小净距隧道的研究主要集中在对合理净距的研究以及爆破对小净距隧道产生的影响分析。张永兴等验证了用强度折减法判断合理净距的可行性。刘伟等结合京福高速公路小净距隧道实例采用有限元确定合理净距为8m。龚建伍等分析了爆破振动波在小净距隧道中的传播及分布规律。姚勇等对小净距隧道爆破振动的响应特征进行了分析。但现阶段对于特殊地质条件下小净距隧道的施工及环境影响的分析尚不多,尤其是对软土沉积岩复合地层中的浅埋小净距隧道的研究很少。

　　 重庆地区广泛分布有软土沉积岩复合地层,轨道交通隧道在建设过程中经常需穿越软土沉积岩复合地层。这种复合地层中上层软土多为回填土,且厚度变化大。在这种多变复合地层中进行隧道工程施工时,围岩应力变化大。根据相应的围岩条件,施工方法、措施等也需做出相应调整。选择合理有效的施工方法及支护措施从而确保工程安全以及减少对环境的破坏尤为重要。

　　 重庆轨道交通环线谢家湾站—奥体中心站段暗挖区间隧道位于重庆市主城区。暗挖区间隧道沿线为城市主干道,交通拥堵繁忙,沿线部分区段分布有居民楼,隧道下穿大公馆立交以及谢家湾立交。该工程为双洞双线隧道,分为上行线和下行线2条平行线,其中上行线长1 150m,下行线长1 167m。隧道结构直径为6m,隧道间距最小为6m,埋深15m。暗挖隧道上行线全长1 177m,下行线全长1 166m,大致为东西走向。区间隧道平面如图1a所示。

　　 该区间隧道所在场地属构造剥蚀丘陵区,丘包与沟谷相间排列,地面高程在253.000～280.000m,地势西高东低。隧道沿线大部分地段由于人类活动改造,地形平缓,起伏小,坡角一般<10°,但沿线仍有部分地段地形起伏较大,多呈台阶状,为便于城市发展,沟谷地带大量填土以保证场地平整。

　　 隧道沿线主要行进在龙王洞背斜东翼,岩层产状:倾向260°,倾角7°;沿线未发现断层通过。隧道沿线出露地层由上而下依次为:第四系全新统填土层、残坡积粉质黏土层、侏罗系中统上沙溪庙组沉积岩层(此处为砂质泥岩和砂岩)。谢家湾站—奥体中心站段区间隧道纵断面如图1b所示。第四系全新统填土层在隧道沿线厚度变化非常大,部分填土层厚度达17m,部分填土层很薄,在2m左右。隧道沿线场地填土多为素填土,居民区附近有少量杂填土分布。素填土为褐色,灰褐色,主要由黏性土以及砂、泥岩块石、碎石组成。场地内的第四系全新统还存在残坡积层,为粉质黏土,多为原水田根植土,呈褐色、灰褐色。

　　 该工程所在区段沿线为构造剥蚀丘陵地貌,地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制,由大气降水和地下管网渗漏补给。根据沿线地下水的赋存条件、水理性质及水力特征,该段地下水可划分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。该区间段内的原始沟谷区域有厚度较大的覆土层分布,下伏中等风化岩石起到相对隔水层作用,且岩土界面平缓,地表水向下渗入浅部松散土体内易形成局部的上层滞水。通过钻孔水位观测,松散层中上层滞水水量小,但动态变化幅度大,主要由大气降水补给。

　　 经过大量室内土工试验、室内岩石试验,砂岩与岩石砂质泥岩的试验成果如表1所示。试验结果表明,隧道场地内粉质黏土呈可塑状态,为中等压缩性土;砂岩和砂质泥岩物理力学性质差距较大,砂岩承载力明显强于砂质泥岩。

　　 该区间隧道左线与右线间的中夹岩柱宽度为4.5～6.5m,中夹岩柱岩性为全素填土、砂质泥岩复合地层、残坡积层复合地层。在隧道开挖前对中夹岩段先采用高压旋喷桩和钻孔压力注浆对地表进行预加固处理。根据不同围岩等级及隧道埋深等情况,在开挖初期,对隧道洞身暗挖区间采用系统锚杆支护,系统锚杆为砂浆锚杆;填土区域的系统锚杆采用击入式中空注浆锚杆。隧道在开挖过程中,先施工右线隧道,后施工左线隧道,前、后掌子面错开距离为50m。

　　 该区间隧道穿越地层为上覆回填土、下卧砂岩泥岩的复合多变地层。沿线上层覆土厚度变化大,该区间隧道采用矿山法施工,在厚填土层区域采用环形开挖预留核心土法,在薄软土层采用上下台阶法。该隧道厚填土模拟段为A段,薄填土模拟段为B段(见图1b)。采用三维有限元程序对隧道开挖的特性进行分析。有限元模型如图2所示,薄填土层三维模型中,x方向取78m,y方向取30m,z方向取18m;厚填土层三维模型中,x方向取77.7m,y方向取43m,z方向取18m。计算采用排水方法。位移边界条件为:xy平面左、右边界约束水平方向位移,底部边界约束水平及竖向位移。岩土体采用15节点的三角形单元模拟,隧道衬砌采用板单元进行模拟。岩土体采用MohrCoulomb模型,衬砌及混凝土采用线弹性模型。岩土体、衬砌及混凝土力学参数如表2,3所示。由于隧道正上方回填土密实度与隧道两边回填土相比更差,土体的注浆加固效果通过修改土体参数进行模拟。隧道洞顶小导管注浆及管棚的影响通过改变洞顶1m范围内土体参数为钢筋混凝土进行模拟。

　　 由于重庆地区上层滞水波动大,无固定水位,按最不利工况考虑,将地下水位设于地表。模拟开挖按地层条件分为2种:(1)第1种工况该隧道穿越厚填土层与泥岩的复合地层,采用环形开挖预留核心土法进行模拟开挖,如图2a所示,每步开挖3m,时长1.5d;并在开挖前将隧道上方1m处土性调整为混凝土,模拟管棚小导管等刚度上的增强;(2)第2种工况该隧道穿越薄填土层与泥岩的复合地层,采用上下台阶法进行模拟,如图2b所示,每步开挖3m,时长1d。2种工况的地质剖面如图1b所示A,B段。按均先开挖左线隧道,完成后30d再进行右线开挖。

　　 该模拟段主要围岩为中风化泥岩,上覆薄回填土层。该段围岩裂隙不发育,围岩条件好。谢家湾站—奥体中心站区间隧道中大部分区域地层围岩也属于这种复合地层。数值模拟及现场实测的测点位置如图3所示。

　　 薄填土层泥岩复合地层中小净距隧道开挖产生的地表沉降如图4所示,该模拟段地表沉降很小,围岩条件好,通过简单支护进行施工。开挖隧道1和隧道2产生的地表沉降均不大。与实测数据对比结果表明,模型计算与实际监测结果差异不大。

　　 薄填土层复合地层拱顶沉降如图5所示。数值模拟结果与现场实测数据的趋势差异不大。相比于地面沉降,拱顶沉降相对较大。由于围岩条件好,拱顶沉降总体上依然很小,所需支护措施少。

　　 厚填土层泥岩复合地层中小净距隧道施工引起的地表沉降如图6所示。该模拟段回填土厚度达18m,隧道埋深浅,围岩条件极差,地表沉降极大,不均匀沉降极其明显。从实测数据和模拟结果看,隧道右侧回填土沉降相对较小,力学性质相对好一点,沉降小一点,隧道正上部和隧道左侧沉降很大,力学性质相对较差。本段模拟时在不同区域采用3种不同的回填土参数模拟实际情况,中部回填土位于人行道路段,左部回填土靠近居民楼,右部填土靠近立交桥。所以由于周围上部荷载不同,回填土性质也有相应差异。

　　 厚填土层复合地层拱顶沉降实测数据与模拟结果如图7所示。拱顶沉降相对于地面沉降显得很小,这是由于隧道周围的注浆加固及小导管和管棚作用减小了拱顶沉降。隧道1相对于隧道2洞顶沉降偏大,沉降主要是由于隧道1开挖时产生。由于后期支护措施,隧道2开挖时产生的沉降不太明显。

　　 通过对现场实测数据的分析,薄填土层段的地表沉降和拱顶沉降都较小(见图4和图5)。厚填土层段的地表沉降和拱顶沉降比薄填土层段的大(见图6和图7),但都在安全范围内。这说明该区间采取的前期地表加固、隧道开挖前期的系统锚杆加固以及小净距隧道开挖顺序等措施能有效控制施工过程中的沉降,从而保证施工安全。

　　 1)重庆地区回填土沉积岩复合地层中,回填土的厚度变化很大,导致围岩条件差别很大。薄填土沉积岩复合地层所在地区便于施工,厚填土地区围岩条件差,对浅埋隧道的影响特别大,不利于施工。

　　 2)现场实测数据和有限元数值模拟分析表明,上覆回填土厚度的不同对隧道施工诱发沉降差异巨大,不均匀沉降显著。

　　 3)工程实际分析结合数值模拟结果论证表明,对地表大范围注浆能有效减小隧道施工诱发的地表沉降,小导管、管棚作用可有效减小隧道拱顶沉降。