小凈距隧道支護設計與施工控制技術

劉劍

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，蘭州 730030）

1 引言

隨著我國基礎交通設施的不斷完善，公路工程的建設步伐也日益加快。在山區公路設計時，為了避免公路盤山而行或深挖路塹，往往會采用隧道結構來提高公路指標、降低開挖工程量、節約建設用地等。目前公路設計常用隧道一般是獨立雙洞。獨立雙洞隧道要滿足規范的最小凈距要求，可能會導致展線不靈活、土地占有率大、高邊坡等問題。而連拱隧道往往存在造價較高、施工技術復雜、施工工期較長等問題?；诖耍瑸榱颂岣哌x線自由度、減小高邊坡規模等，越來越多的山區公路隧道建設開始采用小凈距隧道。目前，國內外學者針對邊坡穩定性進行了一些研究，如宋洋等【1】利用有限元軟件MIDAS/GTS建立淺埋偏壓小凈距隧道的計算模型，引用強度折減法計算出隧道的安全系數；衛鵬華【2】以新城子隧道為依托，探討了軟巖地區小凈距隧道支護形式及仰拱、二次襯砌的施工順序。因此，為了提高我國隧道工程的整體建設水平，研究小凈距隧道的支護設計和施工控制技術具有十分重要的工程意義。

2 依托工程概況及小凈距劃分

2.1 項目簡介

本文依托項目為某山區高速公路，其全長10.713km，設計荷載為公路-I 級，地質條件十分復雜。本項目席家梁隧道穿越粉質黏土（Q4d）l、黃土（）、砂質泥巖（N）、砂巖（N）巖性較軟弱，抗風化能力較差，屬極軟巖，遇水易軟化、崩解，且隧道進口YK5+475～YK5+600 段存在偏壓、埋深較淺、小凈距情況，主要技術指標如表1 所示。

表1 席家梁隧道工程主要技術指標

2.2 小凈距隧道劃分方法

由于不同級別的圍巖爆破時其松動圈半徑各有不同，開挖后應力重分布影響范圍也有差異，故如果僅以某一間距值來決定是否是小凈距隧道是不科學的，可能會導致小凈距隧道的設計中間巖墻的加固方案不合理【3】。隧道雙洞開挖期間，中夾巖墻處會出現位移、應力等矢量疊加，則中間巖墻內一定有位移是0 的中性面。因此，選擇隧道開挖后中性面上圍巖重分布應力和單洞開挖后同一部位應力的比值大小來判斷是否為小凈距隧道是可行的。

3 小凈距隧道二次襯砌設計計算方法

目前，隧道二次襯砌計算方法主要有荷載結構法、地層結構法、收斂限制法等，筆者計算采用MIDAS/GTS 巖土與隧道結構有限元分析軟件，根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》9.2.1 條，對二襯采用“荷載－結構”模型計算。在進行數值模擬時，二次襯砌采用梁單元進行模擬，圍巖彈性抗力用壓曲面彈簧單元模擬。由于缺少現場圍巖彈性抗力系數及計算摩擦角等實測數據，本次計算參照JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》進行取值。荷載結構法計算圖示如圖1 所示。

圖1 “荷載- 結構”法計算示意圖

3.1 隧道二次襯砌有限元模型建立

根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》表9-1 規定，Ⅴ級圍巖，二襯分擔荷載比例60%～80%，席家梁隧道二襯按承擔70%的圍巖壓力進行計算。具體數值見表2。

表2 垂直圍巖壓力及水平圍巖壓力

計算模型中襯砌支護參數采用設計值，二襯采用50cm 厚C30 模筑鋼筋混凝土。按“荷載-結構”法原理建立的有限元模型如圖2 所示。

圖2 二襯結構有限元模型圖

按照JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》中第9.1.1條要求，隧道結構應按照破損階段法驗算構件截面強度?；炷两Y構，應按JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》第9.2.11、9.2.12 條進行抗壓強度或抗拉強度的驗算；Ⅴ級圍巖段二次襯砌為鋼筋混凝土結構，應按JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》附錄N 分別進行正截面抗壓強度驗算。

3.2 二次襯砌計算結果

3.2.1 淺埋段二次襯砌計算

通過對淺埋段二次襯砌計算，得出最大軸力發生在邊墻墻角處，最大軸力約為767.877kN，拱頂處軸力相對較小，約為398.601kN，在隧道的拱頂和兩端邊墻腳位置彎矩較大，最大彎矩發生在墻腳處，約為207.293kN·m。

3.2.2 深埋段二次襯砌計算

通過對深埋段二次襯砌計算，得出最大軸力發生在邊墻墻角處，最大軸力約為924.484kN，拱頂處軸力相對較小，約為499.885kN，在隧道的兩端邊墻腳位置和仰拱處彎矩較大，最大彎矩發生在墻腳處，約為249.622kN·m。

席家梁隧道二次襯砌為C30 模筑鋼筋混凝土結構。每延米二襯受力主筋為4 根22mm，二襯受拉和受壓面均為對稱配筋，鋼筋保護層不小于5cm。

提取襯砌結構的拱頂、拱肩、最大跨度處、拱腳及仰拱中心的軸力和彎矩。各個典型截面的軸力和彎矩和強度驗算結果如表3、表4 所示。

表3 埋深10m襯砌承載力強度驗算結果

表4 埋深50m襯砌承載力強度驗算結果

從表3、表4 可以看出：襯砌結構各處安全系數均滿足JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》第9.2.4 條要求的2.0，襯砌結構安全、可靠，并有一定的安全儲備。

4 小凈距隧道施工方案選擇

4.1 隧道開挖

該隧道開挖時，應當以中間巖墻的穩定和加固作為施工重點環節。為了降低隧道開挖對中間巖墻的干擾，可以選擇先行洞、后行洞等方法來施工，應先施工地質條件相對較差或埋深較淺一側主洞，再施工另外一側主洞，先行洞二襯距后行洞掌子面應大于30m。同時，當開挖先行洞接近中間巖墻時，應當以機械開挖為主，必須盡可能地少使用或不使用爆破，并及時對掌子面進行支護，這樣可以提高隧道的穩定性。此外，該隧道的洞口段埋深較淺，地下水位不高，可以選擇施工技術簡單、工程造價較低的“環形開挖留核心土法”施工，保證初支及時落底封閉成環，以確保初期支護的承載能力【4，5】。

4.2 仰拱施工

該隧道仰拱應當盡早形成封閉受力環，其中，仰拱施工包括仰拱開挖、仰拱初支、仰拱二襯、仰拱填充4 部分。仰拱初期支護一次施作長度一般為2～3 榀拱架長度，地質條件較差段一次施作長度不大于2 榀拱架長度；仰拱二襯一次澆筑長度一般不大于6m，地質條件較差段一次澆筑長度不得大于4m，并與施工工序相結合，與二襯施工長度相結合，并做到三縫統一。仰拱施工時應在作業區段內搭設鋼棧橋確保洞內交通正常通行，以便其不受隧道洞內出碴運輸的干擾，保證掌子面正常施工。

4.3 二次襯砌施工

由于二次襯砌按主要承載結構設計，因此二次襯砌應緊跟初支封閉成環段施工，在初支落底后應及時施作二次襯砌仰拱和仰拱填充層，然后全斷面施作拱墻二次襯砌。該小凈距隧道的二次襯砌施工應當遵循“新奧法”的原則，并分析圍巖監控量測數據，待圍巖和支護變形基本穩定后再確定二襯施工時間。二次襯砌墻腳與仰拱接茬位置為受力薄弱點，該處施工時，應對接頭位置鑿毛，并沖洗干凈，確保銜接可靠，防止造成后期開裂。

5 結語

本文基于某高速公路席家梁隧道小凈距YK5+475～YK5+600 段對隧道二次襯砌的設計計算和施工控制技術等展開了研究。主要得到以下幾方面的結論：

1）利用隧道開挖后中性面上圍巖重分布應力和單洞開挖后同一部位應力的比值大小來判斷是否為小凈距隧道是可行的；

2）計算采用“荷載-結構”法，未考慮二次襯砌與初期支護的聯合支護效應，計算結果偏于安全。

3）計算未考慮施工控制水平及其施工步序對隧道支護結構變形、受力的影響，但計算分析結果對襯砌結構的整體受力仍具有指導意義。

4）小凈距隧道開挖時，應當以中間巖墻的穩定和加固作為施工重點環節，并選擇先行洞、后行洞等方法來施工。隧道仰拱應當盡早形成封閉受力環，并內搭設簡易防干擾平臺。同時，隧道的二次襯砌施工應當在遵循“新奧法”原則的基礎上，利用圍巖監控量測數據來確定二襯施工時間。