公路小近距隧道最小安全净距研究

摘   要  针对近年来小近距隧道建设存在的问题，建立平面应变模型，应用有限元数值模拟方法分析了不同围岩类别、不同埋深小净距隧道设置的最小安全净距。给出了不同围岩类别小近距隧道的具体安全净距。工类围岩安全净距9-12m；Ⅱ类围岩安全净距7-10m；Ⅲ类围岩安全净距4m。

关键词  小净距  公路隧道  数值模拟  最小安全净距

 

    随着我国交通建设事业的飞速发展，近年来公路双连拱隧道、小近距隧道越来越多。我国现行《公路隧道设计规范》(JTJ026—90)规定了不同围岩类别情况下双洞轴间距宜不小于1.5-5B(B为毛洞最大跨度)，但是目前已修建的小净距隧道净距一般仅为2—8m，远小于现行规范规定值。不同围岩类别小近距公路隧道的安全净距到底是多少，本文拟用结构有限元软件ANSYS对不同的围岩类别、不同埋深、不同间距的小净距隧道进行结构数值模拟研究，以期找到公路小净距隧道向连拱隧道过渡的最小净距。

 

    2  基本假定及计算模型

    本文计算模型为线弹性平面应变模型，围岩的变形是各向同性，岩体的初始应力场仅考虑自重应力，不考虑构造应力，只考虑一次衬砌和二次衬砌，锚杆和钢拱架认为是安全储备。地应力分步释放，毛洞开挖释放30％，初期支护完成后释放40％，二次衬砌完成后释放其余30％。围岩和混凝土的物理力学参数根据《公路隧道设计规范》中相应参数确定。计算中不考虑中墙配筋。各类计算参数见表1。

    不同围岩类别模型衬砌的尺寸如表2，Ⅳ类围岩以上只考虑深埋情况。

 

    3.1  数值模拟分析过程

    小净距隧道采用单侧壁导坑法进行，对施工过程数值模拟分为八个步骤，：

    a．计算自重应力场；b.开挖左洞及施作一衬和二衬；c．开挖右洞左侧导坑；d．施做右洞左导坑初期支护；e．开挖右洞右侧导坑；f．施做右洞右导坑初期支护；g．开挖右洞仰拱；h．施做右洞仰拱和二衬。

    3.2  计算结果

    3.2.1  工类围岩

    对于I类围岩浅埋小净距隧道，分别对两洞净距18m、16m、14m和12m四种情况计算分析。计算表明：当两洞净距为12m时，二次衬砌的主压应力σ_3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5MPa，认为结构已经破坏。

    对于I类围岩深埋小净距隧道，分别对两洞净距13m、11m、l0m和9m四种情况计算分析。计算表明：当两洞净距为l0m时，二次衬砌的主压应力σ_3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5MPa，此时认为结构已经破坏。

    3.2.2  Ⅱ类围岩

    对于Ⅱ类围岩浅埋小净距隧道，分别对两洞净距50m、25m、18m和16m、14m、12m和l0m七种情况计算分析。计算表明：当两洞净距为l0m时，二次衬砌的主压应力σ_3max一达到C25混凝土极限抗压强度17.5MPa，此时认为结构已经破坏。

    对于Ⅱ类围岩深埋小净距隧道，分别对两洞净距15m、13m、11m、9m和7m五种情况计算分析。计算表明：对于二类围岩深埋小净距隧道，当两洞净距为l0m时，二次衬砌的主压应力σ_3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5MPa，此时认为结构已经破坏。

    3.2.3  Ⅲ类围岩

    对于Ⅲ类围岩浅埋小净距隧道，分别对两洞净距12m、l0m、8m和6m四种情况计算分析。计算表明：对于三类围岩浅埋小净距隧道，当两洞净距为6m时，二次衬砌的主压应力σ_3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5MPa，此时认为结构已经破坏。

    对于Ⅲ类围岩深埋小净距隧道，分别对两洞净距6m、4m、2m和1m四种情况计算分析。计算表明：两洞净距由4m到lm，衬砌结构的应力和位移增加都较快，其中二次衬砌的主压应力σ_3max。由11.7MPa迅速增大到17.3MPa，虽然二衬混凝土还没有达到极限抗压强度，但可以说明净距在小于4m时，两洞影响显著增大。

    对于Ⅲ类围岩深埋小净距隧道，如果将二衬视为安全储备，一衬承担全部的荷载。对两洞净距6m、8m、10m、12m、14m和16m六种情况在深埋时计算分析。计算表明：当两隧道净距16m时，一衬混凝土的主压应力σ_3max达到C20混凝土极限抗压强度14MPa，此时认为结构已经破坏。

    3.2.4  Ⅳ类围岩

    对于Ⅳ类围岩，一衬承担全部的荷载。对两洞净距16m、14m、12m、11m、10m五种情况在深埋时计算分析。计算表明：当两隧道净距11m时，一衬混凝土的主压应力σ_3max达到C20混凝土极限抗压强度14MPa，此时认为结构已经破坏。

    3.2.5  V类及Ⅵ类围岩计算结果分析

    对V类围岩小净距隧道，二衬仍视为安全储备，对两洞净距5m和1m两种情况在深埋时计算分析。当两洞净距仅1m时，混凝土的抗压强度口，一为10.8MPa，仍没有达到极限强度。而实际施工和设计中，两洞净距1m时结构形式要设置成双联拱隧道。

    Ⅵ类围岩的弹性模量比V类围岩还要大，可以推断：相同净距情况下，Ⅵ类围岩小净距隧道结构的应力和位移较五类小。V类和Ⅵ类围岩小净距隧道最小安全净距可以根据实际施工情况和工程师经验确定。

  根据上述计算结果，依据混凝土衬砌的极限抗压强度，可以汇总出不同围岩情况小近距隧道设置的围岩安全净距(如表3)。

    4  结论

    a．应用有限元方法，可以对小近距隧道施工过程进行数值模拟，将隧道衬砌的极限强度作为控制指标，可以确定出小近距隧道的最小安全净距。

    b．在本文的计算参数和模拟步骤下，I类围岩小近距隧道安全净距为9-12m；Ⅱ类围岩

安全净距为7-10m；Ⅲ类围岩安全净距为4m。

    c．V、Ⅵ类围岩安全净距理论上为2m，但工程实际中对于2m以下的间距就可以直接设计为双连拱隧道。

 

参考文献

1  中华人民共和国交通部．公路隧道设计规范(JTJ026—90)．北京：人民交通出版社，1900

2  铁道部建设总局．铁路新奥法指南．北京：中国铁道出版社，1988