小凈距隧道建設(shè)現(xiàn)狀及擴建型式研究

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)計標準較低，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建已勢在必行，公路改擴建勢必會帶來隧道的改擴建。

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施作完畢的情況下，開挖下洞對開挖完成對上洞支護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行了模型試驗。相似模型試驗的優(yōu)點主要為可以最大程度上模擬現(xiàn)場實際隧道開挖過程，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變化情況，為隧道的支護參數(shù)的確定、開挖步序的合理進行提供相關(guān)依據(jù)。缺點為相關(guān)制作費用過高，且由于是相似試驗，存在著一定的尺寸效應(yīng)；試驗材料過于單一，無法模擬實際開挖過程中巖層的復(fù)雜變化，使得相似試驗結(jié)果與實際開挖情況有著一定的偏差。

鑒于隧道相似模型試驗存在著或多或少的缺點，隨著數(shù)值模擬計算方法的不斷發(fā)展，目前在實際的隧道工程中，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、支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型的建立

通過上述擴建型式分析，初步確立四種改擴建方案，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，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。