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摘要：本文依托青岛地铁某区间断面非对称小净距岩石隧道工程，通过数值模拟分析，重点研究了岩石地区断面非对称小净距隧道不同施工开挖顺引起的拱顶沉降、地表沉降、净空收敛、衬砌内力和中间岩柱的应力特征，分析大小断面隧道先后施工情况下的相互影响规律性。研究结果：大小断面隧道不同先后施工顺序工况下地表和隧道拱顶的总沉降相差较小；先行施工小断面隧道较先行施工大断面隧道，对隧道净空收敛、衬砌内力及中间岩柱的应力影响小，采取先施工小断面隧道后施工大断面隧道的顺序更为合理。
关键词：岩石地区、小净距隧道；数值模拟
1引言
根据地铁设计规范，地铁正线每隔5座～6座车站或8km～10km设置停车线或在合理区段范围内设置其他配线，综合地质条件、周边环境及车站规模等因素，常将一部分配线放在区间内施做，从而出现较多断面非对称小净距隧道。然小净距隧道洞体间施工相互影响较大，隧道施工后引起围岩应力重分布，左右线隧道二次应力场在中间岩柱处相互叠加，使得中间岩柱应力增加，而处于不利受力状态，如何保证小净距隧道中间岩柱的稳定是小净距隧道设计和施工的关键[1-2]。
本文依托青岛地铁某岩石地层中断面非对称小净距地铁隧道的不同施工顺序进行数值模拟，研究拱顶沉降、地表沉降、净空收敛、衬砌内力和中间岩柱的应力特征。
2工程概况
依托工程左线隧道开挖宽度14.2m，高度10.6m，采用双侧壁导坑法施工，利用小导管进行超前支护，初支厚度0.35m（C25喷射混凝土），格栅钢架间距0.5m；二衬采用C45混凝土，厚度0.6m。右线隧道开挖宽度6.5m，高度6.8m，采用台阶法施工，利用小导管进行超前支护，初支厚度0.3m（C25喷射混凝土），格栅钢架间距0.5m；二衬采用C45混凝土，厚度0.3m。左右线隧道间最小净距约1.8m。
场区第四系厚度约0.6～3.0米，主要由第四系全新统人工填土（Q4ml），全新统海相沼泽化沉积层（Q4mh）及上更新统陆相洪冲积层（Q3al+pl）组成。场区内基岩以粗粒花岗岩为主，煌斑岩、细粒花岗岩呈脉状穿插其间。受王哥庄断裂影响，在场地构造破碎带影响范围内的大部分钻孔穿插有糜棱岩、碎裂岩等构造岩。隧道洞身主要穿越强风化及微风化岩层。
3隧道施工动态数值模拟
3.1计算模型及计算参数
本模型采用有限元软件MIDAS GTS进行施工过程模拟分析。根据其围岩性质和设计需要选取合理的区域及尺寸建立模型。所建立模型尺寸为长119.6m，高75m。模拟时，地层采用平面单元，模型地表面为自由面，周边采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。计算中土体采用摩尔-库仑模型，初始应力场仅考虑土体自重应力场，不考虑地层的构造应力。
本节针对如下两种工况进行了模拟分析研究，通过工况对比，分析断面非对称小净距隧道施工顺序的合理性。
方案一：先大后小，即先施工左线大断面隧道，后施工右线小断面隧道。
方案二：先小后大，即先施工右线小断面隧道，后施工左线大断面隧道。
3.2计算结果
3.3計算结果分析
1）对比上述计算结果，方案一及方案二施工完成后，地面和拱顶最大沉降均发生在靠近大断面的一侧，方案一沉降结果略大于方案二，但相差较小。
2）由于中间岩柱为小净距隧道施工中的薄弱部位，两种方案在施工过程中均对中间岩柱产生多次扰动，中间岩柱的净空收敛（水平位移）为两侧隧道施工后的位移叠加。方案二中间岩柱体水平位移小于方案一，较方案一施工后最大水平位移减小约49.15%，有效的控制了中间岩柱的水平位移。
3）方案一中初支结构弯矩最大值出现在左侧大断面（正弯矩102.67kN·m，负弯矩156.31kNfalsem）；方案二中弯矩最大值发生在右侧小断面（正弯矩71.08kN.m，负弯矩92.77kNfalsem），且均位于中间岩柱一侧。因此，从弯矩峰值大小来看，小断面先施工时，峰值弯矩比大断面先施工降低了40.65%，大幅度初支弯矩。
4）两施工方案的中间夹持岩柱最大压应力均发生在靠近小断面隧道侧拱脚处。大断面隧道先行时，中间岩柱最大压应力为122.54kN/m2；小断面隧道先行时，中间夹持岩柱最大压应力为87.63kN/m2，后者较前者降低约28.49%。
综上，断面非对称小净距隧道在施工过程中易引起围岩应力重分布并产生偏压效应[3]。从沉降、净空收敛、中间岩柱应力分布、初支结构受力等几方面分析，断面非对称小净距隧道施工后围岩应力重分布，围岩压力偏向于中间岩柱及小断面隧道侧，从而产生偏压。并且先施工大断面隧道较先施工小断面隧道，其产生的偏压效应更为显著。因此，先行施工小断面隧道后施工大断面隧道更有利于工程安全。
4结论
本文以青岛地铁实际工程为依托，针对岩石地区断面非对称小净距隧道施工进行了数值模拟，通过模拟不同的施工顺序分析围岩及结构变化状态，并结合既有工程经验，得到以下结论：
1）断面非对称小净距隧道施工后（先施工大断面或先施工小断面），将引起地层应力的重分布，因断面尺寸差异原因，围岩压力向中间岩柱及小断面侧倾斜，从而产生偏压。
2）断面非对称小净距隧道施工风险较高，其中间岩柱由于施工过程中的多次扰动，呈现出多次扰动后的应力叠加状态及偏压状态。中间岩柱的稳定性是断面非对称小净距隧道施工成败的关键。
3）岩石地区或其他地层条件下，断面非对称小净距隧道选择合理的施工方法和开挖顺序能有效的减小小净距隧道施工过程中产生的偏压效应，并改善中间岩柱和先行隧道支护结构的受力状态。
4）从沉降、净空收敛、中间岩柱应力分布、初支结构受力等几方面分析，断面非对称小净距隧道采用先施工小断面隧道后施工大断面隧道的施工顺序较为合理。
参考文献：
[1]朱汉华，赵宇，尚岳全. 地下工程平衡稳定理论[J]. 地下空间与工程学报，2011，7（2）：317-321.
[2] 王小林，张亮，李冀伟等.断面非对称小净距黄土地铁隧道施工顺序对比研究[J].城市轨道交通研究，2015，9：100-105.
关键词：岩石地区、小净距隧道；数值模拟
1引言
根据地铁设计规范，地铁正线每隔5座～6座车站或8km～10km设置停车线或在合理区段范围内设置其他配线，综合地质条件、周边环境及车站规模等因素，常将一部分配线放在区间内施做，从而出现较多断面非对称小净距隧道。然小净距隧道洞体间施工相互影响较大，隧道施工后引起围岩应力重分布，左右线隧道二次应力场在中间岩柱处相互叠加，使得中间岩柱应力增加，而处于不利受力状态，如何保证小净距隧道中间岩柱的稳定是小净距隧道设计和施工的关键[1-2]。
本文依托青岛地铁某岩石地层中断面非对称小净距地铁隧道的不同施工顺序进行数值模拟，研究拱顶沉降、地表沉降、净空收敛、衬砌内力和中间岩柱的应力特征。
2工程概况
依托工程左线隧道开挖宽度14.2m，高度10.6m，采用双侧壁导坑法施工，利用小导管进行超前支护，初支厚度0.35m（C25喷射混凝土），格栅钢架间距0.5m；二衬采用C45混凝土，厚度0.6m。右线隧道开挖宽度6.5m，高度6.8m，采用台阶法施工，利用小导管进行超前支护，初支厚度0.3m（C25喷射混凝土），格栅钢架间距0.5m；二衬采用C45混凝土，厚度0.3m。左右线隧道间最小净距约1.8m。
场区第四系厚度约0.6～3.0米，主要由第四系全新统人工填土（Q4ml），全新统海相沼泽化沉积层（Q4mh）及上更新统陆相洪冲积层（Q3al+pl）组成。场区内基岩以粗粒花岗岩为主，煌斑岩、细粒花岗岩呈脉状穿插其间。受王哥庄断裂影响，在场地构造破碎带影响范围内的大部分钻孔穿插有糜棱岩、碎裂岩等构造岩。隧道洞身主要穿越强风化及微风化岩层。
3隧道施工动态数值模拟
3.1计算模型及计算参数
本模型采用有限元软件MIDAS GTS进行施工过程模拟分析。根据其围岩性质和设计需要选取合理的区域及尺寸建立模型。所建立模型尺寸为长119.6m，高75m。模拟时，地层采用平面单元，模型地表面为自由面，周边采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。计算中土体采用摩尔-库仑模型，初始应力场仅考虑土体自重应力场，不考虑地层的构造应力。
本节针对如下两种工况进行了模拟分析研究，通过工况对比，分析断面非对称小净距隧道施工顺序的合理性。
方案一：先大后小，即先施工左线大断面隧道，后施工右线小断面隧道。
方案二：先小后大，即先施工右线小断面隧道，后施工左线大断面隧道。
3.2计算结果
3.3計算结果分析
1）对比上述计算结果，方案一及方案二施工完成后，地面和拱顶最大沉降均发生在靠近大断面的一侧，方案一沉降结果略大于方案二，但相差较小。
2）由于中间岩柱为小净距隧道施工中的薄弱部位，两种方案在施工过程中均对中间岩柱产生多次扰动，中间岩柱的净空收敛（水平位移）为两侧隧道施工后的位移叠加。方案二中间岩柱体水平位移小于方案一，较方案一施工后最大水平位移减小约49.15%，有效的控制了中间岩柱的水平位移。
3）方案一中初支结构弯矩最大值出现在左侧大断面（正弯矩102.67kN·m，负弯矩156.31kNfalsem）；方案二中弯矩最大值发生在右侧小断面（正弯矩71.08kN.m，负弯矩92.77kNfalsem），且均位于中间岩柱一侧。因此，从弯矩峰值大小来看，小断面先施工时，峰值弯矩比大断面先施工降低了40.65%，大幅度初支弯矩。
4）两施工方案的中间夹持岩柱最大压应力均发生在靠近小断面隧道侧拱脚处。大断面隧道先行时，中间岩柱最大压应力为122.54kN/m2；小断面隧道先行时，中间夹持岩柱最大压应力为87.63kN/m2，后者较前者降低约28.49%。
综上，断面非对称小净距隧道在施工过程中易引起围岩应力重分布并产生偏压效应[3]。从沉降、净空收敛、中间岩柱应力分布、初支结构受力等几方面分析，断面非对称小净距隧道施工后围岩应力重分布，围岩压力偏向于中间岩柱及小断面隧道侧，从而产生偏压。并且先施工大断面隧道较先施工小断面隧道，其产生的偏压效应更为显著。因此，先行施工小断面隧道后施工大断面隧道更有利于工程安全。
4结论
本文以青岛地铁实际工程为依托，针对岩石地区断面非对称小净距隧道施工进行了数值模拟，通过模拟不同的施工顺序分析围岩及结构变化状态，并结合既有工程经验，得到以下结论：
1）断面非对称小净距隧道施工后（先施工大断面或先施工小断面），将引起地层应力的重分布，因断面尺寸差异原因，围岩压力向中间岩柱及小断面侧倾斜，从而产生偏压。
2）断面非对称小净距隧道施工风险较高，其中间岩柱由于施工过程中的多次扰动，呈现出多次扰动后的应力叠加状态及偏压状态。中间岩柱的稳定性是断面非对称小净距隧道施工成败的关键。
3）岩石地区或其他地层条件下，断面非对称小净距隧道选择合理的施工方法和开挖顺序能有效的减小小净距隧道施工过程中产生的偏压效应，并改善中间岩柱和先行隧道支护结构的受力状态。
4）从沉降、净空收敛、中间岩柱应力分布、初支结构受力等几方面分析，断面非对称小净距隧道采用先施工小断面隧道后施工大断面隧道的施工顺序较为合理。
参考文献：
[1]朱汉华，赵宇，尚岳全. 地下工程平衡稳定理论[J]. 地下空间与工程学报，2011，7（2）：317-321.
[2] 王小林，张亮，李冀伟等.断面非对称小净距黄土地铁隧道施工顺序对比研究[J].城市轨道交通研究，2015，9：100-105.