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摘 要：近年来市政隧道工程蓬勃发展，许多城市公路隧道受建筑、管线等因素的限制，并为节约用地、缩短工期等目的，大多被设计成小净距隧道。小净距隧道在施工过程中与分离式隧道最显著的区别是中隔岩柱受力状态复杂、稳定性难以控制。通过理论推导，对浅埋超小净距隧道土质中隔岩柱的失稳机理进行系统研究，基于小净距隧道中隔岩柱承载模型确定中隔岩柱上覆应力，结合土体极限应力公式对中隔岩柱在不同施工条件下的失稳破坏特征进行分析。结果表明，增大土体的黏聚力、内摩擦角及支护反力均能提高土体的极限应力，且增加支护反力效果更显著。
关键词：小净距隧道;土质中隔岩柱;围岩稳定性;隧道施工
Abstract： In recent years， municipal tunnel engineering has developed vigorously. However， many urban highway tunnels are restricted by factors such as construction and pipelines. In order to save land and shorten the construction period， most of tunnels are designed as neighborhood tunnels. The most significant difference between neighborhood tunnel and separated tunnel in the construction process is that the force state of the mid-adjacent rock is complicated and the stability of the rockis difficult to control.Through the theoretical derivation，the instability mechanism of the soil mid-adjacent rock in shallow neighborhood tunnel has been studied.The overburden pressure of mid-adjacent rock is determined based on the load-bearing model of the neighborhood tunnels mid-adjacent rock. Combined with the ultimate stress formula of the soil， the instability and failure characteristics of mid-adjacent rock under different construction conditions have been analyzed.The research results show that increasing the cohesive force， internal friction angle and support reaction force of the soil can all increase the ultimate stress of the soil， and the effect of increasing the support reaction force is more significant.
Keywords： neighborhood tunnel; soil mid-adjacentrock;surrounding rock stability;tunnel construction
随着隧道建设的快速发展，各种复杂地质条件不断出现，对隧道施工技术要求也不断提高。在隧道建设场地不受限时，往往选择分离式隧道，规范中对隧道最小净距提出了明确要求，从而能够使相邻两条线在施工过程中不影响彼此的应力、变形等。然而，在某些城市浅埋隧道的修建过程中，受场地限制、地质条件等诸多因素的影响，分离式隧道左右线净距很难满足《公路隧道设计规范》要求，从而常常采用小净距或连拱隧道方案[1]。但连拱隧道存在结构复杂、造价高、施工工序复杂、隧道的防排水效果不易控制等问题。小净距隧道有施工方法简单、造价相对低、工期较短、施工质量容易控制等优点，因此，小净距隧道更容易推广。
不同于一般的分离式隧道，小净距隧道相邻两条线路施工过程中扰动影响较大[2]，先行洞室开挖后，改变了围岩初始应力条件，影响后行洞室开挖;后行洞室的开挖容易造成中隔岩柱变形，不利于隧道施工的稳定性，导致科研人员无法单独研究某一洞室的力学特征和变形规律。中国常用的双洞小净距隧道施工方法主要有单侧壁导坑法、双侧壁导坑法和超前导洞预留光爆层法等，施工过程中，关键是要保证隧道的中隔岩柱有足够的强度和稳定性[3-5]，能够维持两个隧道围岩、衬砌承载体系的独立性和完整性。迄今为止，出现了许多小净距隧道施工成功案例，但与之相匹配的理论研究严重落后。Lo等[6]对多隧道之间开挖相互影響的现场监测试验研究了多洞隧道在施工过程中的相互影响，得出了先行隧道对后行隧道在力学性质上的影响规律。Wu等[7]通过对两条软土盾构隧道开挖过程中隔岩柱及围岩的变形监测，提出了小净距隧道开挖过程对围岩变形的影响规律。今田辙等[8]针对硬岩条件下多种隧道断面及施工方式的小净距隧道开挖稳定性进行了研究。Lo等[6]、Samuel等[9]、Kimmance等[10]、Snow等[11]、Long等[12]通过实际工程现场检测，对小净距隧道施工过程中相邻洞室间的影响规律展开了大量研究。针对小净距隧道影响因素的研究主要集中在隧道净距、埋深、围岩条件、开挖方法等方面[13-14]。 迄今为止，中国已修建了一些超小净距隧道，在超小净距隧道的施工过程中也遇到不少问题，如隧道施工中中隔岩柱围岩的失稳破坏，施工完成后衬砌能否成功承载等。有些问题可以通过工程经验来解决，但有些问题却由于缺乏相关理论仍未能得到有效处理，因此，针对超小净距隧道中隔岩柱围岩稳定性的研究意义重大。笔者基于小净距隧道中隔岩柱承载模型确定中隔岩柱上覆应力，结合土体极限应力公式对中隔岩柱在不同施工条件下的失稳破坏特征进行分析。
1 小净距隧道的定义及分类
《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）对分离式水平净距在布线上做了原则性的规定，如表1所示，并规定当隧道两洞间中隔岩柱厚度小于表1建议值时可称之为小净距隧道。然而，随着隧道及地下工程的蓬勃发展，特别是城市浅埋隧道，地层的复杂多变导致隧道设计空间大幅度降低，小净距隧道的修建已成常态。
目前常见对小净距的分类标准多以中隔岩柱的塑性区贯通情况为主，隧道开挖导致围岩应力重新分布，如果重新分布后的围岩应力小于岩体强度，则认为此时围岩仍未屈服，处于弹性阶段，反之则围岩达到塑性或破坏状态，由此可将小净距隧道按中隔岩柱塑性区分布情况分为4种关系，如图1～图4所示。
1）无影响区：此区域即为规范规定的隧道合理净距，隧道间中隔岩柱未遭到任何破坏，有足够的承载能力，因此，两隧道开挖互不影响，在设计或施工中按单洞开挖考虑即可。
2）弱影响区：随着净距的缩小，两隧道开挖开始相互影响，弹性区内圈初始地应力开始升高，中隔岩柱整体处于弹性受力阶段，此时，围岩未屈服，在设计中可不对中隔岩柱进行加固处理，但在施工中为防止遭遇围岩软弱破碎区需对两洞进行实时监测。
3）强影响区：此时两隧道的开挖对中隔岩柱的影响较为剧烈，隧道进入开挖的强烈影响范围之内，两隧道以剪应力达到剪切强度，进入塑性状态的围岩即塑性区外圈相连，设计中需要特殊处理，施工中也需采取专门措施。
4）有危害区：隧道进入开挖的异常强烈影响范围，两隧道以应力和强度明显下降的松动圈相连，无及时足够的支护抗力，围岩难以自稳。
显然，在设计空间足够的情形下，按规范要求选择合理净距能大幅度减小工程难度，但有时在地下限制或地下空间的规划要求下，保持较大的净距有一定的困难，这就需要缩小隧道两洞间的净距，有时甚至需要缩小净距达到图4中不建议采取的危害区，一般将处于危害区的小净距隧道称为极小净距隧道或超小净距隧道。
2 影响小净距隧道围岩稳定性的因素分析
研究小净距隧道的围岩稳定性，需要首先分析其影响因素，已有大量学者对其影响因素进行理论、试验及数值分析。笔者通过总结前人研究成果，将这些影响因素分为两大类：一为客观因素或是自然因素，即隧址区本身的围岩介质条件，如覆土厚度，地下水分布情况等;二为主观因素或施工设计因素，即人为确定的隧道净距、形状、大小、开挖方式、支护形式等。不管是主观因素还是施工设计因素，都会对小净距隧道的稳定性产生重大影响。
2.1 自然因素
2.1.1 上覆岩土体厚度
隧道上覆岩土体厚度决定了隧道围岩的初始地应力，在浅埋地层中，隧道上覆岩土体厚度越大，围岩的初始地应力也就越大，而小净距隧道的开挖及开挖后的稳定性均与隧道周边围岩的初始地应力息息相关。隧道开挖后，围岩的初始地应力开始重新分布，在重新分布的过程中，往往会使隧道发生变形甚至失稳破坏，从而出现坍塌现象，特别是对于小净距隧道而言，应力的重分布势必会对中隔岩柱内岩土体产生不利影响，因此，研究小净距隧道的稳定性就必须考虑上覆岩土体厚度。
2.1.2 初始地应力
隧道围岩的初始应力是在没有受到人类活动影响的扰动而天然存在的天然应力，围岩初始地应力场的形成跟地球的各种板块运动挤压、温度不均匀、水压梯度以及地表剥蚀等自然因素密不可分。初始地应力状态的分布对开挖后的隧道或其他地下工程在修建完成后应力的重分布或失稳破坏产生的变形状态存在较大的影响。在应力进行重分布的情况下，会出现一系列隧道病害问题，如隧道壁出现拉应力或压应力集中区，塑性区由此产生，其中某些部位可能发生松胀或挤压。
2.1.3 岩土体性质
岩土体的工程性质一般主要表現为岩土体的强度或者坚硬度，倘若围岩的完整性良好且均一、轻微裂隙发育和岩土体强度较高，那么围岩的强度就高，隧道在开挖后围岩变形就小，隧道发生失稳破坏的概率就比较小;但如果围岩破碎程度比较大，再加上岩土体的风化程度比较厉害等不良因素，就会大大增加围岩的失稳概率。
2.1.4 地下水
大量现场施工经验表明，隧道或其他地下工程中，灾害基本上都与水有关，因此，含水量对隧道围岩划分等级至关重要[15]。水对围岩主要有以下影响：
1）在地下工程中，如果长时间处于水环境下，岩石会软化、强度下降，表现更加趋向于软岩，土体会产生流动甚至液化。
2）当围岩中存在结构面软弱带时，则将带走充填物或使夹层液化，各层之间的摩擦阻力减少，将会导致岩块滑移。
3）在潮湿的环境下，潮解膨胀的岩体会产生较大变形，砂砾岩石就是典型的潮解膨胀岩体，很可能引发潜蚀和流沙，当黄土达到一定含水率时，黏聚力急剧降低[16]。
4）由于水体自重会增加支护的承载力。
5）可能发生渗漏或突水等状况，影响正常的施工。
2.2 施工设计因素
在隧道或其他地下工程事故中，施工设计也是一个重要因素，施工设计主要包括：隧道形状、断面尺寸、开挖方式、支护类型、隧道埋深等。
2.2.1 隧道尺寸及形状
隧道的尺寸和形状，尤其是跨度对稳定性的影响最为显著。一般而言，隧道开挖的跨度越大，其产生的扰动就越大，围岩就越不稳定;对于同一种围岩，洞室开挖越小，对原状围岩的扰动就越小，洞室的稳定性越好。
关键词：小净距隧道;土质中隔岩柱;围岩稳定性;隧道施工
Abstract： In recent years， municipal tunnel engineering has developed vigorously. However， many urban highway tunnels are restricted by factors such as construction and pipelines. In order to save land and shorten the construction period， most of tunnels are designed as neighborhood tunnels. The most significant difference between neighborhood tunnel and separated tunnel in the construction process is that the force state of the mid-adjacent rock is complicated and the stability of the rockis difficult to control.Through the theoretical derivation，the instability mechanism of the soil mid-adjacent rock in shallow neighborhood tunnel has been studied.The overburden pressure of mid-adjacent rock is determined based on the load-bearing model of the neighborhood tunnels mid-adjacent rock. Combined with the ultimate stress formula of the soil， the instability and failure characteristics of mid-adjacent rock under different construction conditions have been analyzed.The research results show that increasing the cohesive force， internal friction angle and support reaction force of the soil can all increase the ultimate stress of the soil， and the effect of increasing the support reaction force is more significant.
Keywords： neighborhood tunnel; soil mid-adjacentrock;surrounding rock stability;tunnel construction
随着隧道建设的快速发展，各种复杂地质条件不断出现，对隧道施工技术要求也不断提高。在隧道建设场地不受限时，往往选择分离式隧道，规范中对隧道最小净距提出了明确要求，从而能够使相邻两条线在施工过程中不影响彼此的应力、变形等。然而，在某些城市浅埋隧道的修建过程中，受场地限制、地质条件等诸多因素的影响，分离式隧道左右线净距很难满足《公路隧道设计规范》要求，从而常常采用小净距或连拱隧道方案[1]。但连拱隧道存在结构复杂、造价高、施工工序复杂、隧道的防排水效果不易控制等问题。小净距隧道有施工方法简单、造价相对低、工期较短、施工质量容易控制等优点，因此，小净距隧道更容易推广。
不同于一般的分离式隧道，小净距隧道相邻两条线路施工过程中扰动影响较大[2]，先行洞室开挖后，改变了围岩初始应力条件，影响后行洞室开挖;后行洞室的开挖容易造成中隔岩柱变形，不利于隧道施工的稳定性，导致科研人员无法单独研究某一洞室的力学特征和变形规律。中国常用的双洞小净距隧道施工方法主要有单侧壁导坑法、双侧壁导坑法和超前导洞预留光爆层法等，施工过程中，关键是要保证隧道的中隔岩柱有足够的强度和稳定性[3-5]，能够维持两个隧道围岩、衬砌承载体系的独立性和完整性。迄今为止，出现了许多小净距隧道施工成功案例，但与之相匹配的理论研究严重落后。Lo等[6]对多隧道之间开挖相互影響的现场监测试验研究了多洞隧道在施工过程中的相互影响，得出了先行隧道对后行隧道在力学性质上的影响规律。Wu等[7]通过对两条软土盾构隧道开挖过程中隔岩柱及围岩的变形监测，提出了小净距隧道开挖过程对围岩变形的影响规律。今田辙等[8]针对硬岩条件下多种隧道断面及施工方式的小净距隧道开挖稳定性进行了研究。Lo等[6]、Samuel等[9]、Kimmance等[10]、Snow等[11]、Long等[12]通过实际工程现场检测，对小净距隧道施工过程中相邻洞室间的影响规律展开了大量研究。针对小净距隧道影响因素的研究主要集中在隧道净距、埋深、围岩条件、开挖方法等方面[13-14]。 迄今为止，中国已修建了一些超小净距隧道，在超小净距隧道的施工过程中也遇到不少问题，如隧道施工中中隔岩柱围岩的失稳破坏，施工完成后衬砌能否成功承载等。有些问题可以通过工程经验来解决，但有些问题却由于缺乏相关理论仍未能得到有效处理，因此，针对超小净距隧道中隔岩柱围岩稳定性的研究意义重大。笔者基于小净距隧道中隔岩柱承载模型确定中隔岩柱上覆应力，结合土体极限应力公式对中隔岩柱在不同施工条件下的失稳破坏特征进行分析。
1 小净距隧道的定义及分类
《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）对分离式水平净距在布线上做了原则性的规定，如表1所示，并规定当隧道两洞间中隔岩柱厚度小于表1建议值时可称之为小净距隧道。然而，随着隧道及地下工程的蓬勃发展，特别是城市浅埋隧道，地层的复杂多变导致隧道设计空间大幅度降低，小净距隧道的修建已成常态。
目前常见对小净距的分类标准多以中隔岩柱的塑性区贯通情况为主，隧道开挖导致围岩应力重新分布，如果重新分布后的围岩应力小于岩体强度，则认为此时围岩仍未屈服，处于弹性阶段，反之则围岩达到塑性或破坏状态，由此可将小净距隧道按中隔岩柱塑性区分布情况分为4种关系，如图1～图4所示。
1）无影响区：此区域即为规范规定的隧道合理净距，隧道间中隔岩柱未遭到任何破坏，有足够的承载能力，因此，两隧道开挖互不影响，在设计或施工中按单洞开挖考虑即可。
2）弱影响区：随着净距的缩小，两隧道开挖开始相互影响，弹性区内圈初始地应力开始升高，中隔岩柱整体处于弹性受力阶段，此时，围岩未屈服，在设计中可不对中隔岩柱进行加固处理，但在施工中为防止遭遇围岩软弱破碎区需对两洞进行实时监测。
3）强影响区：此时两隧道的开挖对中隔岩柱的影响较为剧烈，隧道进入开挖的强烈影响范围之内，两隧道以剪应力达到剪切强度，进入塑性状态的围岩即塑性区外圈相连，设计中需要特殊处理，施工中也需采取专门措施。
4）有危害区：隧道进入开挖的异常强烈影响范围，两隧道以应力和强度明显下降的松动圈相连，无及时足够的支护抗力，围岩难以自稳。
显然，在设计空间足够的情形下，按规范要求选择合理净距能大幅度减小工程难度，但有时在地下限制或地下空间的规划要求下，保持较大的净距有一定的困难，这就需要缩小隧道两洞间的净距，有时甚至需要缩小净距达到图4中不建议采取的危害区，一般将处于危害区的小净距隧道称为极小净距隧道或超小净距隧道。
2 影响小净距隧道围岩稳定性的因素分析
研究小净距隧道的围岩稳定性，需要首先分析其影响因素，已有大量学者对其影响因素进行理论、试验及数值分析。笔者通过总结前人研究成果，将这些影响因素分为两大类：一为客观因素或是自然因素，即隧址区本身的围岩介质条件，如覆土厚度，地下水分布情况等;二为主观因素或施工设计因素，即人为确定的隧道净距、形状、大小、开挖方式、支护形式等。不管是主观因素还是施工设计因素，都会对小净距隧道的稳定性产生重大影响。
2.1 自然因素
2.1.1 上覆岩土体厚度
隧道上覆岩土体厚度决定了隧道围岩的初始地应力，在浅埋地层中，隧道上覆岩土体厚度越大，围岩的初始地应力也就越大，而小净距隧道的开挖及开挖后的稳定性均与隧道周边围岩的初始地应力息息相关。隧道开挖后，围岩的初始地应力开始重新分布，在重新分布的过程中，往往会使隧道发生变形甚至失稳破坏，从而出现坍塌现象，特别是对于小净距隧道而言，应力的重分布势必会对中隔岩柱内岩土体产生不利影响，因此，研究小净距隧道的稳定性就必须考虑上覆岩土体厚度。
2.1.2 初始地应力
隧道围岩的初始应力是在没有受到人类活动影响的扰动而天然存在的天然应力，围岩初始地应力场的形成跟地球的各种板块运动挤压、温度不均匀、水压梯度以及地表剥蚀等自然因素密不可分。初始地应力状态的分布对开挖后的隧道或其他地下工程在修建完成后应力的重分布或失稳破坏产生的变形状态存在较大的影响。在应力进行重分布的情况下，会出现一系列隧道病害问题，如隧道壁出现拉应力或压应力集中区，塑性区由此产生，其中某些部位可能发生松胀或挤压。
2.1.3 岩土体性质
岩土体的工程性质一般主要表現为岩土体的强度或者坚硬度，倘若围岩的完整性良好且均一、轻微裂隙发育和岩土体强度较高，那么围岩的强度就高，隧道在开挖后围岩变形就小，隧道发生失稳破坏的概率就比较小;但如果围岩破碎程度比较大，再加上岩土体的风化程度比较厉害等不良因素，就会大大增加围岩的失稳概率。
2.1.4 地下水
大量现场施工经验表明，隧道或其他地下工程中，灾害基本上都与水有关，因此，含水量对隧道围岩划分等级至关重要[15]。水对围岩主要有以下影响：
1）在地下工程中，如果长时间处于水环境下，岩石会软化、强度下降，表现更加趋向于软岩，土体会产生流动甚至液化。
2）当围岩中存在结构面软弱带时，则将带走充填物或使夹层液化，各层之间的摩擦阻力减少，将会导致岩块滑移。
3）在潮湿的环境下，潮解膨胀的岩体会产生较大变形，砂砾岩石就是典型的潮解膨胀岩体，很可能引发潜蚀和流沙，当黄土达到一定含水率时，黏聚力急剧降低[16]。
4）由于水体自重会增加支护的承载力。
5）可能发生渗漏或突水等状况，影响正常的施工。
2.2 施工设计因素
在隧道或其他地下工程事故中，施工设计也是一个重要因素，施工设计主要包括：隧道形状、断面尺寸、开挖方式、支护类型、隧道埋深等。
2.2.1 隧道尺寸及形状
隧道的尺寸和形状，尤其是跨度对稳定性的影响最为显著。一般而言，隧道开挖的跨度越大，其产生的扰动就越大，围岩就越不稳定;对于同一种围岩，洞室开挖越小，对原状围岩的扰动就越小，洞室的稳定性越好。