大山塘隧道小凈距優化設計與施工技術分析

班毅成

(廣西壯族自治區東蘭公路管理局，廣西 河池 547400)

0 引言

廣西壯族自治區總體地形為山地丘陵性盆地，高速公路建設難度較大，高速隧道是該區境內高速公路的重要組成部分。小凈距隧道設計既可以充分利用山體巖層本身的強度，大大降低支護造價，又能夠減少工程所占空間，降低環境破壞范圍，還可以顯著降低工程總體造價，因此在全球各地高速公路施工設計中得到了廣泛應用。

1 工程概況

G210線全長3 097 km，連接廣西南寧和內蒙古包頭兩地，其中河池段長約57 km。大山塘隧道是G210線河池段的一個重要工程項目，隧道設計總長390 m

(K2716+424)。該線路設計為雙向四車道，路面總寬約28 m。按照表1所示國際通用隧道斷面標準劃分，大山塘隧道屬中等斷面隧道(斷面面積約48 m2)，最大高度限定在5.0 m。主要技術標準如下：雙向四車道，設計最大時速100 km/h，路面橫縱坡范圍分別為-2%～2%、±0.3%～±3%。抗震性應達到Ⅶ度，主體結構耐久性應超過100 a。

表1 國際隧道斷面劃分標準表

2 隧道設計方案的確定

2.1 圍巖地質條件分析

大山塘隧道穿越的山體屬于低山區，山體巖層較厚，高程范圍25.5～84.6 m，坡度范圍在20°～35°。結合項目區地質勘查及試驗結果和各類圍巖力學性質指標(見表2)[1]，大山塘隧道圍巖等級屬Ⅳ級，節理發育較多，巖體完整性較差，在拱部無支護時會有小規模坍塌現象，側向圍巖基本穩定。

表2 隧道圍巖力學性能指標參照表

2.2 隧道方案類型設計比較

目前，隧道類型主要有分離式雙洞隧道、連拱隧道、小凈距隧道三類。小凈距隧道是近些年得益于施工和材料技術的快速發展而被研發出的新型隧道建設手段。相對于前兩類隧道，它的主要優點如下[2]：

(1)對環境和圍巖影響范圍小

相比于分離式雙洞隧道，小凈距隧道開挖規模范圍小30%左右，節約了建筑空間，顯著降低了對山體圍巖的擾動。由于本項目山體圍巖完整性較差，開挖范圍越小，巖石碎落的可能性越小。由此可以盡量減少對山體覆蓋植被的破壞，有效降低雨水滲入量。

(2)施工工藝簡單，造價低

小凈距隧道的造價和施工工藝同分離式雙洞隧道相比沒什么優勢，甚至在支護上還要更加復雜。但是同連拱隧道相比，小凈距隧道的造價要低20%以上，且施工工藝簡單，較易控制隧道支護結構穩定性。

(3)有利于公路整體線性規劃

小凈距隧道比分離式隧道中間夾著的巖層厚度可小5～8 m左右[3]，這對于維持公路整體線性的平穩有很大意義，尤其在高等級公路上，對維護行車安全有著重要作用。經過綜合考慮，本項目決定采用“小凈距隧道”方案作為大山塘隧道的最終施工方案。

3 合理小凈距設計

最小凈距的確定是大山塘隧道設計的核心，結合很多學者的研究成果(見表3)[4]，利用Midas模擬軟件以大山塘隧道Ⅳ級圍巖為研究對象，模擬在不同凈距條件下，雙洞開挖后圍巖應力的分布情況。

表3 雙線隧道最小凈距參考值表(B：隧道開挖寬度)

(1)凈距為0.5 B

由圖1可知：當模擬凈距為0.5 B時，隧道開挖后其上部圍巖下沉變形最明顯，洞底圍巖有向上鼓的趨勢，左右兩洞的松動圈向外擴張，并出現相互重疊。中間夾層應力平均值是外側圍巖應力的2倍，中間夾層需要較強的支護強度，對技術和成本要求都很高，不可取。

(a)圍巖變形

(b)應力分布

(2)凈距為1.0 B

由圖2可知：當模擬凈距增大至1.0 B時，隧洞頂部和底部變形均顯著減小，左右兩洞的松動圈對中間夾層影響和疊加現象顯著降低。由應力分布圖可得兩松動圈的寬度已達到隧道總寬度的2倍，即凈距擴大，松動圈也顯著擴大，但圍巖的應力值明顯減小。

(a)圍巖變形

(b)應力分布

(3)凈距為1.5 B

由圖3可知：隨著雙洞間距繼續增加，圍巖變形趨勢逐步減小，左右兩洞的松動圈在中間夾層疊加進一步減弱，松動圈范圍依然擴大顯著，但圍巖應力值與間距1.0 B相比并沒有減小很多。

(a)圍巖變形

(b)應力分布

綜合其他學者研究成果和模擬結果，本項目凈距取1.0 B～1.3 B(12～18 m)為宜，當圍巖條件較差時，凈距可適當增至1.5 B。

4 主要施工技術分析

公路隧道施工工序主要包括：開挖→支護→中間巖墻加固→附屬設施安設。本項目采用“新奧法”施工，下面針對重點工序進行詳細分析。

(1)臺階開挖法

目前隧道開挖常用方法有：全斷面法、臺階法、側壁導坑法等，結合本項目圍巖屬Ⅳ級，因此采用“小進尺臺階法”最為穩妥，“臺階法”施工工序如圖4所示[5]。在大山塘隧道開挖時，要求預留核心土，循環進尺控制在2～3 m范圍，圍巖條件較差則降低至1～2 m。

圖4 “臺階法”開挖隧道工序示意圖

(2)錨噴支護施工

通過計算松動圈厚度，大山塘隧道圍巖支護錨桿長度在2.5～5.5 m，采用全長粘結式水泥砂漿錨桿，錨桿呈四周排列，行列距i相等，計算公式如(1)所示，經計算得行列距i=1.2 m。噴漿厚度在5～10 cm。

(1)

式中：rc——中性點半徑，m；Ro——隧道開挖半徑，m。

(3)中間巖墻加固措施

為避免過多擾動夾層巖石，要求加固措施盡量在兩種以內，一般為注漿或錨固，其中錨桿可采用預應力錨桿或貫通長錨桿，具體加固措施建議見下頁表4。大山塘隧道采取注漿加固措施，在一些圍巖較差地段采用兩者相結合形式。

表4 小凈距中間夾層加固措施表

5 結語

小凈距隧道對于提高隧道工程的經濟實用性有著很現實的意義，因此在有相應施工條件的地區成為首要考慮方案。大山塘隧道應用該技術后施工工期滿足要求，后期山體圍巖加固工程規模減小很多，在圍巖條件較差情況下保證了工程的整體穩定性。

[1]章英文.公路隧道設計及施工技術問題分析[J].交通科技與經濟，2013，15(2)：41-43.

[2]霍三勝.高陵高速公路隧道設計與施工技術問題探討[J].山西交通科技，2015(3).

[3]夏才初，那通興，彭國才，等.公路隧道施工變形監測精度要求探討[J].隧道建設，2016，36(5)：508-512.

[4]吳明先，趙永國，楊彥民.單洞四車道特大斷面公路隧道設計與施工關鍵技術[J].公路，2009(10)：317-323.

[5]宮成兵，張武祥，楊彥民.大斷面單洞四車道公路隧道結構設計與施工方案探討[J].公路，2004(6)：177-182.