小凈距隧道建設(shè)現(xiàn)狀及擴(kuò)建型式研究

薛 曉 彬

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030006)

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，居民生活水平也日益提高，交通工具越來越普及，導(dǎo)致交通量呈現(xiàn)井噴式的增長。我國早期修建的二級、一級公路乃至高速公路，鑒于當(dāng)時交通量大小，采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，通行能力已逐漸無法滿足交通量的增長，服務(wù)水平也越來越低下。因此對于既有公路的改擴(kuò)建已勢在必行，公路改擴(kuò)建勢必會帶來隧道的改擴(kuò)建。

目前，我國所修建的小凈距隧道工程數(shù)量很多，針對小凈距隧道所開展的科研等方面的工作也不少，但是，在既有隧道周圍新建隧道，與既有隧道形成小凈距隧道群的工程實(shí)例仍然不多，針對該方面的研究仍接近于空白。行業(yè)內(nèi)對于小凈距隧道的研究主要體現(xiàn)在數(shù)值計算以及室內(nèi)相似模型試驗(yàn)兩個方面。

在相似模型研究方面，國內(nèi)主要研究有深圳地鐵區(qū)間隧道，在上洞隧道的開挖以及支護(hù)施作完畢的情況下，開挖下洞對開挖完成對上洞支護(hù)以及地表的沉降影響工況做了模型研究；上海的外灘觀光隧道與地鐵小凈距同時施工中的三條隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)。相似模型試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)主要為可以最大程度上模擬現(xiàn)場實(shí)際隧道開挖過程，通過分步開挖，收集圍巖變形、應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)，揭示隧道開挖周邊圍巖的真實(shí)變化情況，為隧道的支護(hù)參數(shù)的確定、開挖步序的合理進(jìn)行提供相關(guān)依據(jù)。缺點(diǎn)為相關(guān)制作費(fèi)用過高，且由于是相似試驗(yàn)，存在著一定的尺寸效應(yīng)；試驗(yàn)材料過于單一，無法模擬實(shí)際開挖過程中巖層的復(fù)雜變化，使得相似試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際開挖情況有著一定的偏差。

鑒于隧道相似模型試驗(yàn)存在著或多或少的缺點(diǎn)，隨著數(shù)值模擬計算方法的不斷發(fā)展，目前在實(shí)際的隧道工程中，使用最多的即為該方法。通過不斷修正力學(xué)模型，可以最大程度上模擬復(fù)雜的地質(zhì)條件，為隧道的施工提供參考依據(jù)。

1 典型小凈距隧道工程實(shí)例

1)躍村隧道位于南平市境內(nèi)，處于丘陵剝蝕地區(qū)，地形起伏大，溝谷切割縱深較大，覆蓋層主要為坡積物與花崗巖風(fēng)化層。隧道區(qū)域內(nèi)主要地下水為基巖裂隙水，補(bǔ)給主要來源為大氣降水。地下水水位高度隨著季節(jié)變化較為明顯，水質(zhì)對于襯砌結(jié)構(gòu)無明顯腐蝕性。

隧道間距為17.5 m，間距小于《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定值，為小凈距隧道，隧道全長598 m，建筑限界凈寬9.75 m～10.84 m，凈高5.0 m～7.02 m，設(shè)計速度80 km/h。

2)嵐峰隧道位于重慶市境內(nèi)，處于龍王洞背斜西側(cè)，地貌表現(xiàn)為一嶺二溝，進(jìn)口位于東側(cè)斜坡中部緩坡地帶，出口位于西側(cè)陡崖腳下斜坡上，相對高差接近60 m。地表主要覆蓋層為坡積亞粘土，隧道區(qū)域內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水與松散層空隙水，補(bǔ)給主要來源為大氣降水。

隧道間距為23.0 m，間距小于《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定值，為小凈距隧道，建筑限界凈寬14 m，凈高8.5 m，設(shè)計速度80 km/h。

2 小凈距隧道群擴(kuò)建型式分類

小凈距隧道群是指在既有隧道周圍新建隧道，形成小凈距隧道群。根據(jù)不同工程項(xiàng)目的不同情況，大體可以分為四種型式：

1)新建兩個兩車道隧道均位于既有隧道之間；

2)新建兩個兩車道隧道均位于既有隧道兩側(cè)；

3)新建兩個兩車道隧道均位于既有隧道一側(cè)；

4)一個新建兩車道隧道位于既有隧道之間，另一個新建兩車道隧道位于既有隧道外側(cè)。

3 有限元分析

本文以福建某高速公路隧道為例，通過有限元分析，確定形成小凈距隧道群的最佳擴(kuò)建型式。

3.1 參數(shù)的選取

依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，選取相關(guān)的隧道圍巖以及物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型的建立

通過上述擴(kuò)建型式分析，初步確立四種改擴(kuò)建方案，方案一為在兩個既有兩車道隧道間新建兩個兩車道隧道，方案二為在既有兩車道隧道中間及一側(cè)各新建一個兩車道隧道，方案三為在既有兩個兩車道隧道兩側(cè)各新建一個兩車道隧道，方案四為在一個既有隧道一側(cè)新建兩個兩車道隧道。模型采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則，建立完成后的模型如圖1所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

隧道開挖完成后，方案一～方案四圍巖位移、應(yīng)力特征、噴混應(yīng)力特征、錨桿軸力特征情況如表2～表5所示。

表2 圍巖位移特征

表3 圍巖應(yīng)力特征

表4 噴射混凝土應(yīng)力特征

表5 錨桿軸力特征

由表2可知，在圍巖位移方面，方案二跟方案三較為接近，但方案三為既有隧道外側(cè)修建新的兩車道隧道，導(dǎo)致占地大大增加，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，推薦采用方案二；由表3可知方案二的最大主應(yīng)力最小，推薦采用方案二；由表4可知，方案二中噴射混凝土最大主應(yīng)力最小，推薦采用方案二；由表5可知，方案二錨桿軸力最小，推薦采用方案二。

4 結(jié)語

從上述計算結(jié)果來看，方案二跟方案三在圍巖應(yīng)力、位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面，均小于其他兩個方案，因此方案二跟方案三較為合理，方案一與方案四由于隧道最小凈距太小，中夾巖的穩(wěn)定性極差，在四個隧道相互影響下，很容易造成整體失穩(wěn)；從占地方面考慮，方案二占地小于方案三占地，更加經(jīng)濟(jì)，因此在新建隧道與既有隧道形成小凈距群的工程中，推薦采用在既有隧道之間與一側(cè)各新建一個兩車道隧道與既有隧道形成小凈距群。