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| 深埋三孔小净距隧道施工力学行为及其控制 |
| 李 然 |
| (北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044) |
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| Mechanical behavior and stability control of deeply buried closely spaced triple tunnels |
| LI Ran |
(Key Laboratory for Urban Underground Engineering of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)
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摘要 相比于传统单孔或双孔隧道，深埋三孔小净距隧道的施工步序繁多，力学转换更为复杂，导致压力拱效应和群洞效应非常显著，造成中岩柱发生多次损伤、滑移和破坏，安全性问题更加突出。依托京张高铁八达岭三孔小净距隧道工程，综合采用理论研究、数值模拟和现场实测的方法，重点研究深埋并行三孔小净距隧道的围岩压力计算方法、基于压力拱演化的围岩稳定性特点及控制原则、管棚与帷幕注浆联合超前控制机制、对拉锚杆岩柱控制机制、施工力学响应现场监测和稳定控制措施工程应用等内容，以期为深埋三孔小净距隧道的设计施工提供科学依据。主要研究内容和创新点如下：
(1) 建立了深埋三孔小净距隧道扩展普氏拱荷载模型，提出了围岩压力的计算方法。基于普氏拱理论，综合考虑施工顺序和中岩柱作用，建立了深埋三孔小净距隧道的2类荷载结构模型，细分为3种承载拱位态工况，提出了围岩压力的计算方法，改进了无法合理考虑破裂面相交的既有方法；分析了围岩等级、洞室跨度、中岩柱强度及宽度对围岩荷载的影响规律，揭示了深埋三孔小净距隧道显著的偏压特性，具体表现为边洞内侧围岩压力显著大于外侧值，中洞围岩压力大幅高于边洞值；通过现场实测验证了理论方法，得出V级围岩段倾向形成一个极限承载大拱，而Ⅲ级围岩段则趋于形成3个独立平衡小拱，明确了初支二衬荷载承担比，阐明了初期支护的主承载作用，为支护设计提供了定量化指导。
(2) 阐明了深埋三孔小净距隧道压力拱的演化规律，提出了围岩稳定性的控制原则。提出了围岩变形、塑性区和压力拱边界等围岩稳定性表征参数，研究了深埋三孔小净距隧道压力拱的渐进性演变过程，阐明了独立压力小拱向联合压力大拱的转化规律，揭示了双重拱效应和超前拱效应的形成机制；明确了特定开挖顺序下三洞安全状态的差异性，后行中洞受力状态最差，先行左洞次之；分析了围岩等级、净距、侧压系数、埋深和支护厚度对围岩稳定性的影响规律，进而提出了合理净距和深浅埋临界埋深的判据；针对超前变形破坏大和岩柱劣化易失稳，分别提出了纵向超前控制和横向岩柱控制的控制原则。
(3) 纵向上揭示了管棚与帷幕注浆超前控制机制，横向上揭示了对拉锚杆岩柱控制机制。纵向上，提出了管棚超前支护的3种作用模式，分别为环向微拱作用、纵向成梁作用和空间棚架作用，建立了相应的力学模型，提出了管棚支护效果的定量化评价方法；针对不良地质段的安全需求，提出了管棚与帷幕注浆的联合超前控制方案，分析了两者在时间、空间、刚度和强度上的协同效果，比选优化了设计参数，为工程应用提供了科学依据。横向上，提出了中岩柱对拉锚杆的2种作用模式，分别为挤压加固作用和传力承载作用；综合考虑双端受拉和施工顺序，建立了对拉锚杆的荷载传递力学模型，推导出锚杆内力沿全长的分布曲线，进行了实测验证；开展了对拉锚杆支护效果的影响因素分析，指出其更适用于软弱破碎围岩。
(4) 分析了三孔小净距隧道施工力学响应，验证了稳定性控制的有效性。依托京张高铁八达岭三孔小净距隧道工程，开展了现场原位试验，系统监测了隧道支护的受力与变形，真实再现了隧道开挖力学响应，分析得出试验段隧道失稳风险较大；及时应用了管棚与帷幕注浆联合超前控制措施，并强化了对拉锚杆岩柱控制的设计参数，后续实测表明，控制措施显著改善了支护安全状态，大幅提高了围岩稳定性，有力保障了隧道顺利修建。
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| 关键词 ：
隧道工程,
三孔小净距隧道,
力学行为,
压力拱,
荷载模型,
超前支护,
管棚,
对拉锚杆,
现场测试
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2023, Vol. 42 
