城市小凈距隧道設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

付玉元

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司， 重慶 400039)

0引言

城市道路小凈距隧道中間巖柱體厚度遠(yuǎn)小于普通分離式雙洞隧道，圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜。隧道施工引起的地層變形與兩隧道間的凈距有很大關(guān)系，如何合理地確定小凈距隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)及施工步驟，確保施工順利進(jìn)行，已成為隧道設(shè)計(jì)中的重要研究問題。

本文依托某隧道工程，通過彈塑性有限元方法[5]，采用MIDAS巖土有限元軟件，結(jié)合小凈距隧道圍巖的受力、變形特點(diǎn)，對小凈距隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了研究，為大跨小間距隧道設(shè)計(jì)和施工提供參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 工程概況

某隧道工程位于重慶市九龍坡區(qū)內(nèi)。隧道設(shè)計(jì)左、右線采用分離式雙洞單向兩車道隧道方案。隧道單洞凈寬為9.5m，凈高5m。在滿足平面線型布設(shè)要求前提下，采用分離式隧道方案，兩隧道標(biāo)準(zhǔn)段線路里程線間距為17m，兩洞間凈距13m。隧道出洞口為小凈距隧道，兩洞間最小凈距4m。其中隧道左線位于曲線半徑R=708.780m的圓曲線上，隧道縱坡2.80%，右線位于曲線半徑R=690m的圓曲線上，隧道縱坡2.80%。左線隧道起止樁號為：ZK7+454.000～左線ZK8+057.000，隧道全長603m，右線隧道起止樁號為：YK7+433.000～右線YK8+070.000，隧道全長637m，屬中隧道。隧道共設(shè)置兩處人行橫洞，人行橫洞間距250m。隧道采用機(jī)械通風(fēng)，LED電光照明。

2 隧道設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)條件

隧道左幅長603.00m，右幅長637.00m，左右幅隧道洞身最大埋深分別約為51.82、48.63m，洞身穿越基巖為泥巖及少量泥巖。巖體除進(jìn)出口局部段外，其余段均處于中等風(fēng)化狀態(tài)，層間結(jié)合差，巖體為碎塊狀砌體結(jié)構(gòu)，圍巖開挖后拱部無支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時(shí)失去穩(wěn)定，爆破震動過大易坍塌，建議開挖后對易坍塌部位及時(shí)襯砌及時(shí)支護(hù)。圍巖級別分別有V級、Ⅳ級、Ⅲ級。地下水不甚發(fā)育，主要為受降水影響的基巖裂隙水，水量貧乏，水文地質(zhì)條件簡單。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

道路等級為次干道，設(shè)計(jì)行車速度40km/h。最大縱坡4.26%。最小平曲線半徑110m。道路紅線寬26m，實(shí)施寬度26m。隧道左右線標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度1.5+8+0.75=10.25米。隧道限界：凈高H=5.0m，凈寬B=9.5m(檢修道1.0m+車行道7.5m+檢修道1.0m)。隧道路面橫坡：單向坡1.5%。隧道縱坡：2.80%。

2.3 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按新奧法原理進(jìn)行洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以系統(tǒng)錨桿、噴砼、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初期支護(hù)與二次模筑砼相結(jié)合的復(fù)合襯砌型式。初期支護(hù)以錨桿、鋼筋網(wǎng)、濕噴混凝土、工字鋼拱等為主要手段，并采用超前大管棚或小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)等輔助措施，以確保洞口段穩(wěn)固安全，并充分發(fā)揮洞身深埋段圍巖的自承能力。二次襯砌采用C30防水混凝土，施工時(shí)采用臺車模注現(xiàn)澆。商品混凝土的輸送采用機(jī)械泵送。每次澆注長度應(yīng)不小8m，以提高二次襯砌的整體密實(shí)性，減少橫向施工縫。圍巖較差段復(fù)合襯砌向圍巖較好地段延伸10m，以確保施工安全。

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算條件

本次計(jì)算采用巖土隧道專用有限元分析軟件MIDAS/SoilWorks，本構(gòu)關(guān)系：計(jì)算模型將巖土視為各向同性的理想彈性-塑性材料，并采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。邊界條件：對于二維模型邊界條件，對模型左、右側(cè)約束X方向的位移，對下部約束X、Y方向的位移。計(jì)算荷載為地層應(yīng)力及結(jié)構(gòu)自重。

3.2 參數(shù)選取

巖土體材料的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和規(guī)范選定，見表1。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模型建立

根據(jù)隧道埋深及斷面尺寸，考慮實(shí)際地形和地質(zhì)情況，建立以淺埋段隧道為對象的二維有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.4 結(jié)果分析

隧道洞室開挖及襯砌結(jié)構(gòu)的施加，使巖土體應(yīng)力重分布，隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力如下圖所示：

圖2 隧道豎向位移圖

圖3 隧道第一主應(yīng)力圖

圖4 隧道第三主應(yīng)力圖

經(jīng)過建模分析計(jì)算，隧道拱頂沉降及周邊收斂位移較小。隧道開挖后巖土地層第一主應(yīng)力未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為2.11Mpa；第三主應(yīng)力最大壓應(yīng)力為3.33Mpa，小于C30混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值20Mpa，隧道施工及建成后，襯砌結(jié)構(gòu)承受的最大壓應(yīng)力未超過規(guī)范中的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

5 結(jié)語

本文通過對小凈距隧道研究，通過有限元建模分析法對本隧道的設(shè)計(jì)和施工方法進(jìn)行了優(yōu)化，對小凈距隧道兩洞之間的中夾巖進(jìn)行注漿處理，有效地改善了中夾巖的整體在降低造價(jià)、提高施工速度的同時(shí)保證了隧道的安全及穩(wěn)定性，為今后此類隧道的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]劉艷青,鐘世航,鐘世航.小凈距并行隧道力學(xué)狀態(tài)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000(9):590.

[2]秦峰.淺論小凈距隧道開挖方法[J].公路隧道,2003(2):24.

[3]杜菊紅,黃宏偉,熊玉朝.小凈距隧道凈距研究及施工技術(shù)應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007(3):488—493.

[4]王輝,陳衛(wèi)忠,陳培帥.淺埋大跨小凈距隧道斷面形態(tài)及合理間距的優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué),2011,32(2):641—646.

[5]王更峰,熊曉暉,張永興.大跨小凈距隧道合理開挖方法與支護(hù)參數(shù)對比研究[J].公路交通科技,2011,28(3):100—107.

[6]龔建伍,夏才初,朱合華等.大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué),2009,30(1):236—240.