扁平大断面小净距公路隧道施工力学研究

为适应日益增长的经济和交通发展要求,同时为解决特殊地质地形条件下公路线桥隧衔接、总体线型规划和优化等问题,在坚持可持续发展、切实保护生态环境和有限的土地资源的战略指导下,以三车道公路隧道为代表的大断面小净距隧道的建设需求已初露端倪。然而,由于这类低扁平率隧道结构型式的特殊性和新颖性,其双洞施工相互影响大,在设计和施工过程中均存在许多关键问题需要解决,有必要进行系统深入的分析和探讨。 本文在福建省交通科技发展项目“三车道大断面小净距隧道建设关键技术研究”的资助下,通过理论分析、数值模拟和现场监控量测,对大断面小净距隧道设计施工若干问题进行了分析和研究,完成了以下主要工作: 1、结合公路隧道设计规范和普氏围岩压力理论,提出了大断面小净距公路隧道围岩压力与荷载分析模式,即考虑了隧道先后开挖相互作用对围岩压力分布产生的影响;在此基础上,分别建立了浅埋和深埋条件下隧道围岩压力计算方法和计算公式,指出隧道内外侧围岩压力分布不对称的偏压特征,中间岩柱部位围岩压力大于隧道外侧,先行洞偏压程度比后行洞严重;按此模式计算,可使隧道结构支护参数的设计结果更加安全、更加合理,计算方法可为小净距公路隧道结构设计提供一定的参考。 2、通过数值模拟和现场监测,指出了大断面小净距隧道施工开挖对围岩变形和稳定性影响的时空效应及其影响范围,总结提出了大断面小净距公路隧道在不同地质、地形条件下合理施工方法和施工顺序的建议:隧道开挖对掌子面前方(未开挖部分)围岩主要影响范围约0.5～0.75B(B为隧道单洞开挖跨度),在掌子面后方约1.0～2.0B;两隧道相邻掌子面的距离宜控制在适当范围内,一般取1.0B～1.5B较为合理;Ⅴ级围岩中优先选用双侧壁法施工,Ⅳ级围岩优选CD法,Ⅲ级及以上围岩则优选台阶法,而对一般地形偏压为主的隧道,先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道。 3、结合两车道小净距隧道研究成果,总结提出了大断面小净距隧道合理净距取值的判断准则,即以合理的施工方案为前提,仅在常规初期支护状态下,隧道中间岩柱围岩屈服接近度应避免η=0.7的区域连通,同时考虑后行洞施工对先行洞位移和支护内力不产生过大影响;在此基础上,结合数值分析和现场监测,对不同净距时大断面小净距隧道相互影响规律进行分析,得出了不同级别围岩中隧道最小净距的合理取值:Ⅴ级围岩D≥0.6B,Ⅳ级围岩D≥0.4B,Ⅲ级围岩D≥0.3B,Ⅱ级位移D≥0.25B,并指出隧道最小净距不宜小于4.0m。 4、在最小合理净距研究基础上,提出了大断面小净距隧道岩柱加固的基本原则和净距范围,即当隧道净距大于最小合理净距时,一般不需进行特殊加固处理,仅以采用合适的施工方案为对策,按常规系统支护即可,而仅当隧道净距小于最小合理净距时,才需采取特殊加固措施,并结合施工监控量测及时调整修改相应对策;同时,分析指出了三车道小净距隧道区别于两车道隧道岩柱加固的显著特点,即在Ⅳ～Ⅵ级围岩中,岩柱雁形部是受力状态最薄弱、需重点加固处理的关键部位之一;在此基础上,综合论证提出了大断面小净距隧道岩柱加固范围及施工对策的建议:在Ⅳ～Ⅵ级围岩中,宜重点对岩柱雁形部进行注浆等加固处理;对Ⅰ～Ⅲ级围岩,一般只需对岩柱中部一定范围进行适当锚杆加固支护即可,而对雁形部可不必采取特殊加固措施。