超大断面小净距隧道改扩建施工净距优化研究

超大断面小净距隧道改扩建施工净距优化研究

李哲

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074)

摘要：新建四车道隧道与既有隧道原位扩建相结合形成的小净距隧道已成为改扩建隧道的重要型式之一，其中小净距隧道的合理净距是设计及施工中的难点。为对超大断面小净距隧道的净距进行全面优化，对超大断面小净距隧道改扩建施工净距的影响规律进行研究，分析了不同净距下中夹岩塑性区分布情况，同时以中夹岩塑性区贯通作为判别标准，得出了深汕西隧道合理净距为1.25B的结论，同时还分析了既有隧道对新建隧道施工围岩变形特征。

关键词：超大断面四车道隧道；改扩建施工净距；合理净距；数值计算

引言

随着我国经济的快速发展，公路道路指标远不能满足快速运送、传输的要求，隧道改扩建势在必行[1]。受地形条件、路线线形、环境保护及工程造价等原因的限制，在既有双向四车道的公路隧道的基础上，通过新建四车道隧道与既有隧道原位扩建相结合形成的小净距隧道是改扩建隧道的重要型式之一[1, 2]。

当前，我国公路隧道设计规范也没有给出明确的改扩建小净距隧道合理的施工净距的规定。为此，许多学者都对小净距隧道的合理净距开展了研究本文以深汕隧道为依托工程，采用有限差分计算软件对Ⅳ级围岩下超大断面四车道隧道改扩建合理施工净距进行了分析，探讨了不同改扩建施工净距下隧道中夹岩体塑性区分布规律及新建隧道围岩稳定性，根据计算结果确定合理的改扩建施工净距。

1合理净距判别准则

现国内学者普遍认为小净距隧道最小安全距离指的是：考虑隧道实际地质情况，基于分离式隧道设计支护参数，中夹岩无任何加固措施下，保证隧道稳定无突变的最小净距[3, 6, 7]。许多学者关于合理净距判别准则的研究可大致分为以下几类：文献[1-5, 7]以围岩影响因素是否发生突变，并结合中间岩柱是否出现贯通塑性区作为判别准则；文献[6]基于强度折减法把安全系数发生突变时的净距作为合理净距；文献[9]采用层次分析法对净距影响因素权重分析，进而对净距进性多目标优化；文献[8]基于盾构隧道施工，以后建隧道施工引起先建隧道各项指标的增加率小于50%为合理准则。

在总结既有研究成果的基础上，本文以中夹岩塑性区是否贯通及新建隧道围岩稳定性发生突变作为合理净距的判别准则。

2模型的建立

2.1计算模型及力学参数

以广东某隧道为依托工程，该隧道为双洞八车道公路隧道，设计速度为120km/h，隧道单洞开挖跨度约22.6m，开挖高度14.5m，属于超大断面隧道。本文建立三台阶法动态施工三维分析模型，即Ⅳ级围岩下隧道埋深60m，台阶高度取1/3h；模型左边界、右边界及下边界至隧道周边围岩距离均取4倍隧道开挖跨度，模型长60m，宽208m，高153m，模型约束条件为：地表为自由边界，无任何约束；左、右边界受到X轴方向位移约束，模型底部边界受到Y轴方向位移约束。开展不同净距下（0.25B、0.50B、0.75B、1.0B、1.25B）超大断面小净距隧道改扩建施工净距优化研究及既有隧道对新建隧道施工围岩变形特征分析。

隧道洞身衬砌采用复合式衬砌，二次衬砌采用曲墙式衬砌，混凝土强度等级为C30，仰拱混凝土等级为C20，初期支护采用锚喷支护，钢拱架与喷射混凝土是结合成一个整体而承担围岩压力，根据材料力学原理将钢拱架的作用折算成一定数值的弹性模量，加在喷射混凝土的弹性模量上以等效考虑，折算公式为：

(1)

式中，是折算后初期支护整体的弹性模量，是喷射混凝土自身的弹性模量，是钢拱架的截面积，是钢拱架的弹性模量，是喷射混凝土的截面积。

2.2监测方案

结合国内外大跨度岩质隧道经验判断稳定性，采用位移准则，即监测新建隧道拱顶沉降、仰拱隆起、水平收敛等围岩变形值。本文在拱顶设置沉降点，底部仰拱设置了竖向监测点，在上台阶与下台阶处设置了4个水平监测点。

3计算结果分析

3.1中夹岩塑性区分析

由于增建隧道的施工对既有隧道远端的扰动较小，造成施工完成后断面周边围岩塑性区呈现非对称的蝴蝶状分布。

从围岩塑性区角度分析，当隧道净距小于1.25B时，中夹围岩体塑性区贯通，既有隧道对新建隧道施工围岩稳定性的影响较大，施工风险大；当隧道净距大于1.25B时，围岩塑性区发生部分贯通或处于分离状态，既有隧道对新建隧道的影响小，故推荐合理净距应控制在1.25B以上。

3.2新建隧道围岩变形分析

(1) 上台阶水平位移

整体来看，上台阶开挖时，上台阶水平位移变形较小，随后上台阶开挖至监测断面，上台阶水平位移开始向内部发生变形，且水平位移变化较大，随着距监测断面距离的增大，水平位移逐渐趋于平缓。随着隧道净距的增大，上台阶水平位移最终沉降值越小。

(2) 下台阶水平位移

整体来看，上台阶开挖时，下台阶水平位移变化相对较小，随后继续开挖时，下台阶水平位移变形开始急速上升，水平位移变化快速增大，随着距掌子面距离的增大，水平位移逐渐趋于缓和。随着隧道净距的增大，下台阶水平位移最终沉降值越小。

结论

本文以深汕西改扩建隧道为依托工程，通过有限差分软件，研究了不同净距下超大断面小净距隧道改扩建施工净距影响规律，通过分析不同净距下中夹岩塑性区分布情况及新建隧道围岩变形特征，得出以下结论：

(1) 从围岩塑性区角度分析，当隧道净距小于1.25B时，中夹围岩体塑性区贯通，既有隧道对新建隧道的影响较大，围岩稳定性差，施工风险大；当隧道净距大于1.25B时，围岩塑性区发生部分贯通或处于分离状态，既有隧道对新建隧道的影响小，故推荐合理净距应控制在1.25B以上。

(2) 随着隧道净距的增大，拱顶沉降、仰拱隆起值变化量越小，最终累计沉降也越小。从位移角度分析，既有隧道与新建隧道的合理净距应控制在1.25B以上。

参考文献：

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[2]黄伦海,钱七虎.公路隧道大断面改扩建施工开挖方案研究[J].现代隧道技术,2016, 53(05):

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[4]王更峰,熊晓晖,张永兴,等.大跨小净距隧道合理开挖方法与支护参数对比研究[J].公路交通科技,

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[6]张永兴,胡居义,何青云,等.基于强度折减法小净距隧道合理净距的研究[J].水文地质工程地质,

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