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小净距隧道的结构受力特点及工程措施-(619).doc

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小净距 隧道 结构 特点 工程 措施 619
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小净距隧道的结构受力特点及工程措施摘要:小净距隧道是介于普通分离式双洞隧道和连拱隧道的一种结构形式,工程应用中它有以下优点:(1)其造价和施工工艺同普通分离式双洞隧道相比差别很小;(2)同连拱隧道相比它的造价要低得多,同时施工工艺也简单;(3)有利于公路整体线型规划和线型优化。基于上述因素,该结构形式在中、短隧道设计中被广泛采用。但由于小净距隧道的中夹岩的厚度远比普通双洞隧道要小(一般只有 5m~8m ),所以小净距隧道的围岩稳定与支护结构受力要比普通分离式隧道要复杂,同连拱隧道相比它有其自身的特点。为了保证该结构形式成功地应用于公路建设中,需要采取一定工程措施以保证围岩稳定与支护结构的安全。关键词:小净距隧道结构分析中夹岩加固1 前言随着我国高等级公路建设的发展,隧道的修筑技术越来越受到建设单位、设计单 位的重视,目前在山区高等级公路建设中遇到大量的中、短隧道建设问题,它的长度一般在 500m 以下,有时甚至只有 100 多米。以往在设计中如果遇到短隧道时一般要同高边坡方案进行比选,可近些年来公路建设中强调环境保护,再加上修筑高边坡本身也存在投资不见得节约,在运营中维护工作量大等问题,所以目前设计中尽可能减少高边坡工程。如果选用普通分离式双洞隧道,按照《公路隧道设计规范》JTJ 029-90 第 2.6.3 条对并行公路隧道的净距作出的规定:高速公路、一级 公路、一般应设计为上、下行分离的独立隧道。两相邻隧道最小净距视围岩类别、断面尺寸、施工方法、爆破震 动影响等因素确定,一般情况可按 2.6.3 表的规定选用。由于净距的存在,使道路与隧道接线时应有一个三角形过渡区。以三类围岩隧道为例,净距要求是 2.5~3.0倍毛洞洞径,一般双车道隧道毛洞开挖约 12.5m 左右,净距应在31m~38m;另外《公路隧道设计规范》第 2.7.2 条规定:隧道两端平面线形与路线线形一致的最小长度如表 2.7.2,这就意味在道路接近隧道时左、右同幅分开。如果把隧道两端平面线形与道路线形相一致的最小长度,两端平面线形与道路线形相一致的长度和上述过渡段的长度相加一般在 200m 以上。对于大于 1000m 的长、特长隧道来讲可能建设单位并不介意,如果隧道比较短(小于 300m),规划设计中出现短隧道群,线路展不开,土地使用量高,建设单位不得不考虑这部分的土地使用费。另外线路中出现大量的短隧道群将给线路的规划带来诸多不便。如果修筑连拱隧道,虽然中隔墙只有 2.0m 左右,但是这种结构形式存在下列问题:(1)对地质条件要求苛刻、Ⅲ类以下围岩很难修建;(2)施工难度高,建设周期长;(3)造价是普通分离式双洞隧道建设成本的两倍以上;(4)由于该结构形式和施工技术存在难以克服的困难,所以隧道建成后很难保证结构不开裂、不渗漏水。两相邻隧道最小净距(规范表 2.6.3) 表 1隧道两端线形与线路线形一致的最小长度(规范表 2.7.2) 表 2经过多年隧道建设的实践,建设、设计单位提出通过一定的工程措施,适当加固两并行隧道间的围岩(中夹岩),把净距缩小到 4~8m ,同时隧道自身建设成本又不明显增加。这样做可以使道路接近隧道时左、右分幅宽度小,道路线形好,占地少;同时与连拱隧道相比它的建设成本大幅度降低。这在某种意义上讲是对现行公路隧道设计规范进行拓展,作为 一种新型隧道结构应用在公路建设上来。 2 理论分析及数值仿真公路隧道 设计规范中要求的并行双洞隧道最小净距的原因是主要考虑将两相邻隧道应分别置于围岩压力相互影响及施工影响范围之外,或者说其间岩柱具有足够强度和稳定性,这一点已被结构分析结果所证实。我们针对 上面提出的小净距隧道问题,应用结构分析手段来探索在净距只有 4~8m 的情况下围岩与支护结构的受力特性。结构分析虽然不能完全评估围岩的安全系数,但是可以对各部位围岩的相对安全系数作出比较准确的估计。 结构分析所选用的软件是 2D-σ,围岩的力学参数选取在没有具体工程实例的情况下采用规范所列各类围岩力学参数的中间值,这样做的目的是为了探索普通情况下小净距隧道的围岩与支护结构的力学特性。经分析得到下述结果:(1)对于普通Ⅱ类围岩段,如果不加支护在双洞隧道上半断面开挖时,在中夹 岩处出现一个蝶形塑性区(见图 1 中黄线内区域),说明对于Ⅱ类围岩开挖中如不采用合理的开挖方法和预加固措施在隧道开挖过程中围岩就失稳。在围岩进行预加固的前提下,采用合理的开挖方法,经重新分析,可以看出Ⅱ类围岩段中夹岩处的塑性区大为减小(见图 2 中黄线内区域),但是此时围岩已经过加固,支护结构未出现破坏,说明对于Ⅱ类围岩经过合理的加固是可以保证围岩稳定和初期支护安全的。结构分析中同时可以看到Ⅱ类深埋段中夹岩的受力要比Ⅱ类围岩浅埋段的受力更为严峻。图 1:Ⅱ类围岩上半断面开挖后围岩的安全 图 2:Ⅱ类围岩经预加固围岩的安全系数系数(黄线处为 1.0,蓝线处为 0.8) (黄线处为 1.0,蓝线处为 0.8)(2)对于普通Ⅲ类围岩段,结构分析的结果同Ⅱ类围岩段有相似之处,只不过围 岩的塑性区比Ⅱ类围岩有所减小(见图 3),说明Ⅲ类围岩段对中夹岩的预加固和采用合理的施工方法同样是必须的。结构分析中同时对Ⅲ类硬质围岩深埋段进行结构分析,得出的结果表明深埋对中夹岩的影响不象Ⅱ类围岩埋深时对中夹岩的影响那么大。(3)对于普通Ⅳ类围岩段,结构分析结果表明在净距只有 4m 的情况下,采用全断面施工基本上不出现塑性区,但中夹岩处围岩的安全系数,一般只有 1.5~3.0 之间,只相当其它部位的 1/2~1/3(见图 4)。说明对于Ⅳ类围岩中夹岩的安全只比临界安全略高,如果施工中不注意对中夹岩的保护,不做好控制爆破和光面爆破同样会出现围岩失稳现象。图 3:Ⅲ类围岩经预加固围岩的安全系数 图 4:Ⅳ类围岩时隧道围岩的安全系数(黄线处安全系数为 1.0)(4)对于普通Ⅴ类围岩段,结构分析表明隧道在双洞全断面同时开挖时,中夹 岩的安全系数一般大于 3.0,如果考虑到施工爆破对中夹岩的松动影响可适当对其进行加固。3 结构设计根据 结构分析结果可以得出下列结论:(1)由于小净距隧道中夹岩的厚度远小于普通分离式双洞隧道的中夹岩厚度,隧道施工中该处二次应力场在此叠加,出现应力集中,设计中应重点对该处进行加固;(2)除中夹岩处以外的围岩同时由于左、右洞二次应力的叠加,它的受力也比同样围岩条件下普通分离式双洞隧道更为严峻一些,是结构需要加固的次重要部位。 结 构设计中对于Ⅱ、Ⅲ类围岩,一般采用下列措施进行加固:(1)预注浆,注浆 范围对于左洞应从左拱脚到右侧墙脚处,对于右洞应从右拱脚到左侧墙脚处;(2)中夹岩处初期支护的喷砼、钢支撑设计参数略比普通双洞隧道的参数略有加强;(3)中夹岩处深层围岩加固主要采用贯穿两洞的水平预应力对拉锚杆,施作范围建议从左洞右侧拱腰到右侧墙脚处,对应 于右洞应从左侧拱腰到左侧墙脚处(见图 2、3 所示)。这里值得一提的是对中夹岩深层的加固不提倡多于二种的加固措施,例如有的对中夹岩的深层加固设计中使用小导管预注浆、系统锚杆和对拉锚杆。在修改设计中我们取消了系统锚杆,主要考虑到对围岩的反复加固反而会削弱围岩的整体强度。 (4)对中夹岩以外的围岩加固同普通双洞隧道的相同部位,设计参数略有加强。对于Ⅳ、 Ⅴ类围岩, 结构分析表明中夹岩处一般不会出现塑性区,对中夹岩的加固在Ⅳ类围岩条件下建议将系统锚杆加长 0.5~1.0m,其它部位的初期支护参数可参照同类围岩条件下的普通分离式双洞隧道设计参数,或略有加强。对于Ⅴ类围岩建议在中夹岩处增设系统锚杆,其它设计参数参照同类围岩条件下的普通分离式双洞隧道设计参数。 4 施工方法小净距隧道从某种意义上讲更能体现新奥法修筑隧道的特点,通过对围岩的保护和加固充分发挥围岩的自承能力,同时小净距隧道是一种施工性很强的隧道结构形式。为了保证结构和施工安全,结合结构分析结果,提出针对不同围岩条件下的施工方法。(1)对于Ⅱ、 Ⅲ类围岩,根据小净距隧道受力特点,在正常情况下推荐采用正向单侧壁导坑的开坑方法,施工工序以左洞先开挖制定,当右洞先行时,则将左、右洞施作顺序对调即可,左、右洞开挖工序横断面布置见图 5 所示,平面布置见图 6。这里值得强调的是:a)光面爆破和控制爆破是Ⅱ、Ⅲ类围岩段修筑小净距隧道成功的关键因素之一;b)对拉锚杆的施作一定强调及时性,正常情况下当先行洞开挖后应立即施作;c)Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下杜绝左、右洞在同一 桩号都是毛洞的现象。图 5:单侧壁导坑开挖工序横断面布置图 图 6:单侧壁导坑开挖工序平面布置示意图(2)对于Ⅳ、Ⅴ类围岩,隧道开挖为尽可能减小对围岩的扰动,不宜采用普通分离式双洞隧道常采用的全断面开挖方法,经比选我们推荐采用超前导坑预留光爆层的开挖方法,该方法一方面具有良好的光爆效果,对围 岩扰动小、开挖的效率也比较高。左、右洞开挖工序横断面布置见图 7 所示,平面布置见图 8 所示。图 7:超前导坑开挖工序横断面布置科 图 8:超前导坑开挖工序平面布置示意图(3)关于小净距隧道施工的监控量测,对于Ⅱ、Ⅲ类围岩除采用普通分离式双洞隧道的必测和选测项目外,还建议采用针对中夹岩进行力学性能测试的手段。例如围岩松动圈测试、围岩内部位移、后行洞爆破对先行洞二次衬砌的影响等。小净距隧道的二次衬砌施作时间应在左、右洞同桩号围岩与初期支护的受力、变形都基本稳定后才能进行。 5 结论(1)小净距隧道修筑的成败关键是如何保证中夹岩的稳定,理论分析和工程实践都表明:如果有效的减少对中夹岩的扰动,采取合理的加固措施是可以保证其稳定和支护结构的安全。(2)小净距隧道的支护参数略强于传统分离式双洞隧道的设计参数,且施工相对连拱隧道要方便的多。(3)小净距隧道在Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下的净距一般不要过小,分析表明净距在 3m 时,中夹岩的受力状态要远比 4m 净距时严峻的多,相应的围岩加固很难处理,所以对净距的选取建议不要走极端。(4)从京福高速公路南平段隧道投资统计资料看(以双洞每延米计) ,小净距隧道平均造价是普通分离式双洞隧道的 1.52 倍,连拱隧道的造价是普通分离式双洞隧道的 2.91 倍,小净距隧道建设的经济性很明显。(5)目前小净距隧道在Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下的施工开挖建议采用单侧壁导坑法,由于国内施工单位习惯在Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下采用上、下导坑法或者是环形开挖预留核心土法,所以施工单位提出小净距隧道施工能否采用上述两种常用的开挖方法,如果采用应该采取什么样的保证措施。 类似的建议还有不少,这些需要在今后的研究中去解决。
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