大断面小净距隧道断面优化及其设计参数研究

顾洪源

(中铁二局集团勘测设计院有限责任公司，成都 610031)

随着隧道开挖断面的加大，尤其是修建4车道公路隧道时，隧道内轮廓断面积往往达到170 m2以上，隧道跨度大大增加，而隧道高度增加不明显，隧道呈严重的扁平形状结构，围岩应力场重分布更加复杂，对隧道结构整体稳定性极为不利［1-5］。同时，随着开挖断面的增大，隧道建筑限界上部的空间就会增大，土石方开挖量成倍增加。在满足隧道建筑限界和净空前提下，降低隧道的扁平率，提高空间利用率，隧道开挖面积将相应减小，同时隧道支护周长也有所减小，但随着扁平率的降低，隧道应力集中程度、竖向收敛相应增加，为满足稳定性要求，需增强隧道支护，而且扁平率的降低使得隧道施工难度加大，对后期运营维护提出了较高的要求。为提高隧道结构的安全稳定性，且节约工程建设费用，必须选择合理的隧道断面轮廓，控制好隧道的扁平率［6-9］。因此，如何选择合理的断面形式、确定隧道合理的扁平率，是隧道工程技术人员面临的一个重大研究课题。

1 工程概况

某隧道设计为上下行分离式双洞8车道，隧道左线长624 m，右线长604 m，属中长隧道。隧道左右线均为曲线隧道，平曲线半径为1 200 m，纵坡坡度由小里程至大里程分别为1%和1.25%，路面横坡为2%，向曲线内侧下坡。隧道埋深介于17～54 m，左右线开挖净距为19～34 m。隧道横断面设计为五心圆断面，最大开挖宽度为21.01 m，最大开挖高度为13.32 m，隧道概貌及内轮廓见图1、图2。隧道进出口穿越坡、残积层和全风化层，洞身穿越强、弱和微风化花岗岩，地质条件差，围岩破碎，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩占80%，Ⅲ级围岩占20%，是迄今为止设计和施工的综合难度最大的大跨度小净距隧道。

图1 隧道出口概貌

图2 隧道衬砌内轮廓图(单位:cm)

2 扁平大断面隧道形状的优化

2.1 计算模型及边界条件

隧道单洞开挖跨度为21 m，高度13.32 m，采用FLAC有限差分程序进行数值模拟，对开挖毛洞和二次衬砌支护后断面建立平面二维模型进行计算。在计算中高度分别取 10，13.3，15，18，21 m，即高宽比为 0.526 6，0.633 3，0.789 9，0.947 9，1.105 8 五种不同工况进行计算，围岩取Ⅳ级围岩，模型采用摩尔-库仑模型。本计算的目的是对单洞开挖断面进行优化分析，计算断面形式变化产生的围岩应力，位移和塑性区变化，从而确定工程实际开挖的断面形式，所以，计算参数取自隧道地勘报告参数，包括围岩和二次衬砌的计算参数。具体见表1。

表1 计算参数

2.2 计算结果分析

隧道在不同高宽比下位移矢量图如图3所示。随着高宽比的增加，拱顶位移逐渐减少，水平收敛逐渐增大，在高宽比为2.0时达到理想状态，这个时候的拱顶位移和水平收敛基本相同，此时断面有利于开挖。

通过计算，提炼出所需要的参数，得到毛洞和支护时的位移应力曲线，随高宽比的变化，毛洞和支护位移曲线见图4和图5，毛洞和支护拱顶，边墙，拱底环向应力变化见图6～图8。

随着高宽比的增加，开挖毛洞拱顶处沉降逐渐减小，水平收敛逐渐增大。从图4和图5中推测也可以看出当高宽比取理想高宽比2.0时，毛洞和支护状态下的拱顶沉降和水平收敛都比较接近，这时应力较均匀，是开挖的理想断面，同时考虑行车通行的建筑界限，以及实际施工环境因素，取高宽比为0.633 3，即开挖高度13.3 m为隧道设计开挖高度是合理的。

高宽比也影响着单洞各点环向应力的变化，图6～图8可以看出，随着高宽比的增加，拱顶由受拉变成受压，边墙受压应力减少，拱底受拉应力减少，在所模拟的不同高宽比中，随着高宽比的不断增加，应力环境是改善的，利于提高单洞的稳定性。另外，毛洞和有支护状态下的应力分布是不同的，从图中看出，有支护情况下，隧道的受力比毛洞好，拱顶和拱底拉应力较小，边墙受压较少。

图3 不同高宽比下位移矢量图

图4 毛洞位移随高宽比变化

图5 支护时位移随高宽比变化

图6 拱顶环向应力随高宽比变化

图7 边墙环向应力随高宽比变化

3 大断面隧道设计参数研究

3.1 隧洞埋深的影响

隧洞埋深体现在竖直初始应力中。图9为塑性半径随埋深的变化曲线(a=10 m，Ⅴ级围岩)。从图中可看出，塑性半径随着隧洞埋深的增加而增加。例如，在支护阻力=0.4 MPa时，隧洞埋深60 m时的塑性半径为11.63 m(塑性区范围1.63 m)，而隧洞埋深120 m时的塑性半径为18.08 m。

图9 塑性半径随埋深的变化曲线

图10为周边位移随埋深的变化曲线(a=10 m，Ⅴ级围岩)。从图中可看出，周边位移随着隧洞埋深的增加而急剧增加。例如，在支护阻力=0.4 MPa时，隧洞埋深60 m时的周边位移为7.0 mm，而隧洞埋深120 m时的周边位移达到30.5 m。可见，隧洞埋深对塑性半径和周边位移的影响极大。

3.2 支护阻力的影响

围岩变形过大，将直接影响隧洞的稳定，为控制围岩变形，保证隧洞稳定，在隧洞周边施加支护是常用手段。支护产生的支护阻力对围岩变形起着抑制作用。

常用的隧洞支护有锚杆、喷混凝土、钢筋网、钢拱架、二衬等，不同支护方式的作用机理有所不同，其支护效果也不同，一般情况下都是多种支护的联合使其发挥最佳效果，其支护阻力共同产生。弹性范围内的支护阻力与隧洞变形成正比。

图8 拱底环向应力随高宽比变化

图10 周边位移随埋深的变化曲线

图11为喷混凝土最大支护阻力随厚度的变化曲线(隧洞半径=10 m)。从图中可看出，喷混凝土最大支护阻力随厚度的增加成正比增加。同时，混凝土强度等级越高，支护阻力越大。20 cm厚的C20混凝土的支护阻力为0.22 MPa。

图11 喷混凝土最大支护阻力随厚度的变化曲线

图12为二衬最大支护阻力随厚度的变化曲线(隧洞半径=10 m)。从图中可看出，与喷混凝土类似，二衬最大支护阻力随厚度的增加成正比增加。同时，混凝土强度等级越高，支护阻力越大。与喷混凝土相比，二衬厚度大，混凝土强度等级高，其支护阻力大得多。例如，60 cm厚的 C30混凝土的支护阻力为0.99 MPa。因此，二衬对控制围岩变形最有效。

图12 二衬最大支护阻力随厚度的变化曲线

钢拱架为线支护结构，其支护阻力的计算比较复杂，为简化起见，可按支护间距进行等效计算。图13为钢拱架最大支护阻力随间距的变化曲线(隧洞半径=10 m)。从图中可看出，钢拱架最大支护阻力随间距成反比关系。同时，钢拱架型号对钢拱架最大支护阻力影响显著。例如，0.5 m钢拱架，型号I16的最大支护阻力为0.09 MPa，而型号I22b的最大支护阻力为0.17 MPa。

图13 钢拱架最大支护阻力随间距的变化曲线

钢拱架的刚度大，抗拉强度高，对控制围岩变形非常有效，即使钢材屈服后仍能提供一定的支护阻力，对提高软弱围岩隧洞的稳定性非常有效。由于钢拱架的刚度大(210 GPa)，约为混凝土的10倍，一般都是钢拱架失效后才会出现喷混凝土的开裂、剥落等。

钢筋网为面支护结构，但由于厚度小，能提供的支护阻力非常小，主要配合其他支护结构起到防止局部掉块、关键块的滑动。

锚杆在工程实践中被证明为有效的支护手段，特别是对节理岩体，控制关键块的滑落非常有效。由于是点支护，加上与岩层走向、岩体强度、锚杆长度、端部形式、锚杆施工质量密切相关，其支护阻力的计算非常复杂，主要作用是保持围岩的整体性，与其他支护结构联合更为有效。

图14为塑性半径随支护阻力的变化曲线(a=10 m，Ⅴ级围岩)。从图中可看出，塑性半径随着支护阻力的增加而减小。例如，在隧洞埋深=300 m时，无支护时的塑性半径为20.7 m，而支护阻力=0.8 MPa时的塑性半径缩小为9.7 m。

图14 塑性半径随支护阻力的变化曲线

以间距0.8 m I18型钢的钢支撑和喷20 cm厚混凝土的初期支护为例，其初期支护阻力为0.37 MPa，隧洞埋深60 m的塑性区约为12 m(塑性区范围2.0 m)。

3.3 围岩强度的影响

围岩抗压强度表现为粘结力和内摩擦角，由于摩擦角变化相对较小，故围岩强度常以粘结力表示。图15为塑性半径随围岩黏结力的变化曲线(a=10 m，=23.5°，隧洞埋深60 m)。从图中可看出，塑性半径随着黏结力的增加而减小。例如，无支护状态下，c=0.2 MPa的塑性区为20.7 m，而c=1.0 MPa的塑性区急剧减少到7.4 m。这对锚杆长度设计非常重要。同样，周边位移随着黏结力的增加也急剧减小(图16)。

图15 塑性半径随围岩黏聚力的变化曲线

图16 周边位移随黏聚力的变化曲线

4 结论

本文以某双洞八车道小净距隧道为工程依托，通过数值模拟和理论分析对大断面隧道断面优化及其设计参数进行了较深入的研究，得出如下主要结论。

(1)随着高宽比的增加，拱顶位移逐渐减少，水平收敛逐渐增大，在高宽比为2.0时达到理想状态，这个时候的拱顶位移和水平收敛基本相同，此时断面有利于开挖。

(2)当高宽比取理想高宽比2.0时，毛洞和支护状态下的拱顶沉降和水平收敛都比较接近，这时应力较均匀，是开挖的理想断面，同时考虑行车通行的建筑界限，以及实际施工环境因素，取高宽比为0.633 3，即开挖高度13.3 m为隧道设计开挖高度是合理的。

(3)隧洞埋深对塑性半径和周边位移的影响极大;弹性范围内的支护阻力与隧洞变形成正比;塑性半径随着围岩强度的增加而减小。

［1］王辉，陈卫忠，陈培帅，等.浅埋大跨小净距隧道断面形态及合理间距的优化研究［J］.岩土力学，2011，32(2):641-646.

［2］王更峰，熊晓晖，张永兴.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，2011，28(3):100-107.

［3］李云鹏，王芝银，韩常领，等.不同围岩类别小间距隧道施工过程模拟研究［J］.岩土力学，2006，27(1):11-16，28.

［4］段慧玲，张林.大跨度公路隧道合理开挖方法对比研究［J］.土木工程学报，2009，42(9):114-119.

［5］王应富，蒋树屏，张永兴.四车道隧道动态施工力学研究［J］.公路交通科技，2005，22(6):134-137.

［6］Hage Chehade F，Shahrour I.Numerical analysis of the interaction between twin-tunnels:Influence of the relative position and construction procedure［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23(2):210-214.

［7］汤劲松，刘松玉，童立元.高速公路大跨隧道最小安全净距研究［J］.土木工程学报，2008，41(12):79-84.

［8］龚建伍，夏才初，朱合华，等.鹤上大断面小净距隧道施工方案优化分析［J］.岩土力学，2009，30(1):236-240.

［9］张桂生，冯文件，刘新荣，等.Ⅴ级围岩下小净距隧道合理净距的探讨［J］.地下空间与工程学报，2009，5(3):582-586.