小净距隧道建设现状及扩建型式研究

薛 晓 彬

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030006)

改革开放以来，随着我国经济飞速发展，居民生活水平也日益提高，交通工具越来越普及，导致交通量呈现井喷式的增长。我国早期修建的二级、一级公路乃至高速公路，鉴于当时交通量大小，采用的设计标准较低，通行能力已逐渐无法满足交通量的增长，服务水平也越来越低下。因此对于既有公路的改扩建已势在必行，公路改扩建势必会带来隧道的改扩建。

目前，我国所修建的小净距隧道工程数量很多，针对小净距隧道所开展的科研等方面的工作也不少，但是，在既有隧道周围新建隧道，与既有隧道形成小净距隧道群的工程实例仍然不多，针对该方面的研究仍接近于空白。行业内对于小净距隧道的研究主要体现在数值计算以及室内相似模型试验两个方面。

在相似模型研究方面，国内主要研究有深圳地铁区间隧道，在上洞隧道的开挖以及支护施作完毕的情况下，开挖下洞对开挖完成对上洞支护以及地表的沉降影响工况做了模型研究；上海的外滩观光隧道与地铁小净距同时施工中的三条隧道进行了模型试验。相似模型试验的优点主要为可以最大程度上模拟现场实际隧道开挖过程，通过分步开挖，收集围岩变形、应力、位移等数据，揭示隧道开挖周边围岩的真实变化情况，为隧道的支护参数的确定、开挖步序的合理进行提供相关依据。缺点为相关制作费用过高，且由于是相似试验，存在着一定的尺寸效应；试验材料过于单一，无法模拟实际开挖过程中岩层的复杂变化，使得相似试验结果与实际开挖情况有着一定的偏差。

鉴于隧道相似模型试验存在着或多或少的缺点，随着数值模拟计算方法的不断发展，目前在实际的隧道工程中，使用最多的即为该方法。通过不断修正力学模型，可以最大程度上模拟复杂的地质条件，为隧道的施工提供参考依据。

1 典型小净距隧道工程实例

1)跃村隧道位于南平市境内，处于丘陵剥蚀地区，地形起伏大，沟谷切割纵深较大，覆盖层主要为坡积物与花岗岩风化层。隧道区域内主要地下水为基岩裂隙水，补给主要来源为大气降水。地下水水位高度随着季节变化较为明显，水质对于衬砌结构无明显腐蚀性。

隧道间距为17.5 m，间距小于《公路隧道设计规范》中相关规定值，为小净距隧道，隧道全长598 m，建筑限界净宽9.75 m～10.84 m，净高5.0 m～7.02 m，设计速度80 km/h。

2)岚峰隧道位于重庆市境内，处于龙王洞背斜西侧，地貌表现为一岭二沟，进口位于东侧斜坡中部缓坡地带，出口位于西侧陡崖脚下斜坡上，相对高差接近60 m。地表主要覆盖层为坡积亚粘土，隧道区域内地下水主要为基岩裂隙水与松散层空隙水，补给主要来源为大气降水。

隧道间距为23.0 m，间距小于《公路隧道设计规范》中相关规定值，为小净距隧道，建筑限界净宽14 m，净高8.5 m，设计速度80 km/h。

2 小净距隧道群扩建型式分类

小净距隧道群是指在既有隧道周围新建隧道，形成小净距隧道群。根据不同工程项目的不同情况，大体可以分为四种型式：

1)新建两个两车道隧道均位于既有隧道之间；

2)新建两个两车道隧道均位于既有隧道两侧；

3)新建两个两车道隧道均位于既有隧道一侧；

4)一个新建两车道隧道位于既有隧道之间，另一个新建两车道隧道位于既有隧道外侧。

3 有限元分析

本文以福建某高速公路隧道为例，通过有限元分析，确定形成小净距隧道群的最佳扩建型式。

3.1 参数的选取

依据《公路隧道设计规范》，选取相关的隧道围岩以及物理力学参数，如表1所示。

表1 围岩、支护结构物理力学参数

3.2 模型的建立

通过上述扩建型式分析，初步确立四种改扩建方案，方案一为在两个既有两车道隧道间新建两个两车道隧道，方案二为在既有两车道隧道中间及一侧各新建一个两车道隧道，方案三为在既有两个两车道隧道两侧各新建一个两车道隧道，方案四为在一个既有隧道一侧新建两个两车道隧道。模型采用摩尔—库仑准则，建立完成后的模型如图1所示。

3.3 数值模拟结果及分析

隧道开挖完成后，方案一～方案四围岩位移、应力特征、喷混应力特征、锚杆轴力特征情况如表2～表5所示。

表2 围岩位移特征

表3 围岩应力特征

表4 喷射混凝土应力特征

表5 锚杆轴力特征

由表2可知，在围岩位移方面，方案二跟方案三较为接近，但方案三为既有隧道外侧修建新的两车道隧道，导致占地大大增加，因此从经济角度考虑，推荐采用方案二；由表3可知方案二的最大主应力最小，推荐采用方案二；由表4可知，方案二中喷射混凝土最大主应力最小，推荐采用方案二；由表5可知，方案二锚杆轴力最小，推荐采用方案二。

4 结语

从上述计算结果来看，方案二跟方案三在围岩应力、位移、支护结构应力方面，均小于其他两个方案，因此方案二跟方案三较为合理，方案一与方案四由于隧道最小净距太小，中夹岩的稳定性极差，在四个隧道相互影响下，很容易造成整体失稳；从占地方面考虑，方案二占地小于方案三占地，更加经济，因此在新建隧道与既有隧道形成小净距群的工程中，推荐采用在既有隧道之间与一侧各新建一个两车道隧道与既有隧道形成小净距群。