小凈距公路隧道的研究現(xiàn)狀

蔡 偉 張晨旭

在公路隧道施工中，由于受地形條件以及總體線路線型的限制，往往將左右線區(qū)間隧道之間設(shè)計(jì)的很小，小凈距隧道作為特殊地形條件下解決公路隧道布線很有效的結(jié)構(gòu)方式得到了廣泛的運(yùn)用。其施工工藝和普通雙洞隧道相似，造價(jià)又比連拱隧道低，且利于防排水控制。本文以在建或已建工程為背景，總結(jié)了小凈距隧道在建設(shè)中的若干關(guān)鍵問(wèn)題，其中包括合理凈距，圍巖壓力，中夾巖加固及爆破控制。

1 小凈距公路隧道的合理凈距

我國(guó)的研究人員針對(duì)不同圍巖級(jí)別、不同埋深等方面對(duì)小凈距的合理取值進(jìn)行了探討，其結(jié)果如表1所示。表中1為劉偉依托京福高速公路的小凈距隧道，對(duì)考慮支護(hù)狀態(tài)下的小凈距取值進(jìn)行的研究成果[1];2為魯彪通過(guò)平面有限元分析，通過(guò)對(duì)初襯、二襯的主壓應(yīng)力分析，初步提出了不同埋深下的最小安全凈距[3];3為田志宇、何川等通過(guò)模型試驗(yàn)，以毛洞時(shí)中間巖柱是否破壞作為判斷標(biāo)準(zhǔn)[2];4為門(mén)妮、代樹(shù)林、佴磊在考慮圍巖破壞條件下得出Ⅱ類～Ⅴ類圍巖的合理凈距[4]。從表1中可以看出，對(duì)于最小凈值的取值主要是根據(jù)圍巖級(jí)別進(jìn)行劃分，研究成果不盡相同。

表1 雙線隧道最小凈距建議值

2 圍巖壓力

圍巖壓力是巖體受擾動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力重分配過(guò)程中的圍巖變形受到支護(hù)結(jié)構(gòu)的阻擋而在支護(hù)與圍巖的接觸面上所產(chǎn)生的壓力[5]。荷載結(jié)構(gòu)法是目前小凈距隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較通用的方法。荷載結(jié)構(gòu)法的計(jì)算模型有楔體結(jié)構(gòu)模型和平衡拱模型，見(jiàn)表2。

表2 兩種計(jì)算模型對(duì)比表

2.1 楔體結(jié)構(gòu)模型

對(duì)于處于軟弱圍巖中的淺埋隧道，由太沙基的散體壓力理論，考慮破裂面上的側(cè)面壓力和剪切破壞條件，由力的傳遞可以得出作用在襯砌上的壓力。其計(jì)算圖示見(jiàn)圖1。

其中，β1為左洞右側(cè)破裂面與水平面的夾角;β2′為右洞左側(cè)破裂面與水平面的夾角;φc為計(jì)算摩擦角;θ為頂板土柱兩側(cè)摩擦角;a2為破裂面的交點(diǎn)至右洞左側(cè)側(cè)壁的距離;h1，h2分別為a1/2，a2/2處洞底水平線至地面的距離;H1為左洞右側(cè)洞底水平面至地面的距離;H2為右洞左側(cè)洞底水平面至地面的距離。

2.2 平衡拱模型

喻軍，劉松玉，童立元認(rèn)為在小凈距隧道的實(shí)際施工時(shí)，中夾巖頂部圍巖發(fā)生了一定的變形，其中有附加應(yīng)力的作用，也有爆破震動(dòng)作用引起的豎直向下的位移，支護(hù)時(shí)間和兩側(cè)隧道掌子面距離也有一定影響，結(jié)合規(guī)范單洞隧道荷載的確定方法，建立了完整的深、淺埋小凈距隧道的荷載模型[7]。

3 中夾巖加固的研究

Ⅴ類圍巖段在左右洞兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖之前，應(yīng)先對(duì)中夾巖柱進(jìn)行小導(dǎo)管注漿加固，待注漿達(dá)到強(qiáng)度后，再開(kāi)挖，然后對(duì)導(dǎo)洞進(jìn)行初期支護(hù)。Ⅳ類圍巖段應(yīng)先對(duì)中夾巖柱部分進(jìn)行小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)，待注漿達(dá)到強(qiáng)度后，再開(kāi)挖和對(duì)導(dǎo)洞初噴一層混凝土，然后對(duì)中夾巖施加預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿一端通過(guò)鋼墊板鎖緊，另一端錨固在巖體內(nèi)，施加預(yù)應(yīng)力，并鎖定，最后注漿，中夾巖加固長(zhǎng)度以中夾巖兩側(cè)圍巖類別較低一側(cè)的圍巖長(zhǎng)度為控制設(shè)計(jì)[8]。對(duì)于小凈距隧道先行修建隧道初期支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)對(duì)改善隧道的變形和受力條件極為有利，使后行修建隧道對(duì)中巖墻的影響明顯降低，位移顯著降低，塑性區(qū)范圍減小，能有效地保證巖墻的穩(wěn)定。

對(duì)于Ⅲ類圍巖，如果施工中不注意對(duì)中夾巖保護(hù)、不控制好爆破，也可能出現(xiàn)中夾巖的失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)于Ⅱ類圍巖以及更高等級(jí)的圍巖，只要保證中夾巖柱的厚度大于4 m，中夾巖的安全系數(shù)均在3.0以上，所以一般情況下無(wú)須對(duì)中夾巖采取特殊的加固措施。通過(guò)分析，一般情況下Ⅱ，Ⅲ類圍巖中夾巖不會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)，但一般要增設(shè)系統(tǒng)錨桿[9]。

4 爆破控制

4.1 掏槽形式

隧道爆破開(kāi)挖的關(guān)鍵是掏槽技術(shù)，掏槽的成功與否直接影響爆破效果，掏槽的深度直接影響隧道掘進(jìn)的循環(huán)進(jìn)尺。對(duì)于大斷面隧道應(yīng)使用中深孔掏槽爆破技術(shù)，其形式分為楔形掏槽、扇形掏槽和大直徑中空直眼掏槽。各自的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 掏槽形式及其優(yōu)缺點(diǎn)[10]

4.2 爆破參數(shù)

對(duì)于上臺(tái)階的Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)軟弱圍巖地段，施工采用分臺(tái)階光面爆破作業(yè);對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖地段可采用全斷面光面爆破作業(yè)。Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)軟弱圍巖的光面爆破參數(shù):裝藥的不耦合系數(shù)為2.0，炮眼直徑為42 mm，掏槽炮眼深度為1.3 m，抵抗線 W=60 cm，炮眼間距a=90 cm。其周邊線參數(shù)設(shè)計(jì):周邊炮眼深度1.1 m，炮眼間距40 cm，抵抗線 W=50 cm，炮眼堵塞長(zhǎng)度 L=0.2 m，裝藥集中度為0.1 kg。

4.3 爆破時(shí)差

根據(jù)以往工地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，軟弱圍巖的爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間大多為 100 ms～200 ms，為避免段間震動(dòng)疊加，時(shí)差間隔時(shí)間可在100 ms～200 ms之間取值。而對(duì)硬巖隧道的觀測(cè)資料表明，其爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，一般不小于 50 ms，對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖，可將時(shí)差取在50 ms～100 ms之間。其起爆順序如下:光面爆破起爆順序?yàn)?掏槽孔→擴(kuò)大孔→周邊孔。全斷面光面爆破起爆順序?yàn)?周邊孔→掏槽孔→擴(kuò)槽孔→擴(kuò)大孔→二臺(tái)孔→二周邊孔→底孔。

4.4 循環(huán)進(jìn)尺控制

對(duì)于Ⅲ類圍巖一般控制在1 m～2 m的循環(huán)進(jìn)尺;而對(duì)于Ⅳ類和Ⅴ類軟弱圍巖地段，應(yīng)當(dāng)采用短進(jìn)尺，其循環(huán)進(jìn)尺一般選擇在0.8 m～1.5 m之間，實(shí)踐表明控制在1.1 m左右較為合適[12]。在中夾柱附近，可通過(guò)鉆密集的減振孔，以有效地反射爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波和振動(dòng)波。

5 結(jié)語(yǔ)

1)小凈距隧道施工的關(guān)鍵是中央巖柱的加固，直接關(guān)系到隧道施工的成敗。對(duì)于軟弱圍巖，必須通過(guò)預(yù)注漿并設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿等加固措施來(lái)確保中央巖柱的穩(wěn)定。2)小凈距隧道爆破作業(yè)施工，必須采用預(yù)裂爆破和光面爆破技術(shù)，以減少爆破震動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和中央巖柱的擾動(dòng)。3)小凈距隧道坍落拱跨度的確定還要結(jié)合地質(zhì)條件，施工方法，鉆爆方案等綜合分析，才能準(zhǔn)確有效。4)小凈距隧道監(jiān)控量測(cè)工作除了一般隧道的必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目外，還必須增加后開(kāi)挖隧道爆破震速測(cè)試、水平對(duì)拉錨桿的測(cè)試，目的是確保圍巖尤其是中間夾的巖體穩(wěn)定。5)要做到勤量測(cè)，及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)情況以便有針對(duì)性地做出合理、及時(shí)的調(diào)整。

[1] 劉 偉.小凈距公路隧道凈距優(yōu)化研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

[2] 田志宇，何 川，姚 勇，等.雙洞小凈距隧道合理凈距模型試驗(yàn)研究[A].2005年全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京:人民交通出版社，2005.

[3] 魯 彪.公路小凈距隧道最小安全凈距確定與雙連拱隧道中隔墻斷面優(yōu)化研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

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