刘剑

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州 730030）

1 引言

随着我国基础交通设施的不断完善，公路工程的建设步伐也日益加快。在山区公路设计时，为了避免公路盘山而行或深挖路堑，往往会采用隧道结构来提高公路指标、降低开挖工程量、节约建设用地等。目前公路设计常用隧道一般是独立双洞。独立双洞隧道要满足规范的最小净距要求，可能会导致展线不灵活、土地占有率大、高边坡等问题。而连拱隧道往往存在造价较高、施工技术复杂、施工工期较长等问题。基于此，为了提高选线自由度、减小高边坡规模等，越来越多的山区公路隧道建设开始采用小净距隧道。目前，国内外学者针对边坡稳定性进行了一些研究，如宋洋等【1】利用有限元软件MIDAS/GTS建立浅埋偏压小净距隧道的计算模型，引用强度折减法计算出隧道的安全系数；卫鹏华【2】以新城子隧道为依托，探讨了软岩地区小净距隧道支护形式及仰拱、二次衬砌的施工顺序。因此，为了提高我国隧道工程的整体建设水平，研究小净距隧道的支护设计和施工控制技术具有十分重要的工程意义。

2 依托工程概况及小净距划分

2.1 项目简介

本文依托项目为某山区高速公路，其全长10.713km，设计荷载为公路-I 级，地质条件十分复杂。本项目席家梁隧道穿越粉质黏土（Q4d）l、黄土（）、砂质泥岩（N）、砂岩（N）岩性较软弱，抗风化能力较差，属极软岩，遇水易软化、崩解，且隧道进口YK5+475～YK5+600 段存在偏压、埋深较浅、小净距情况，主要技术指标如表1 所示。

表1 席家梁隧道工程主要技术指标

2.2 小净距隧道划分方法

由于不同级别的围岩爆破时其松动圈半径各有不同，开挖后应力重分布影响范围也有差异，故如果仅以某一间距值来决定是否是小净距隧道是不科学的，可能会导致小净距隧道的设计中间岩墙的加固方案不合理【3】。隧道双洞开挖期间，中夹岩墙处会出现位移、应力等矢量叠加，则中间岩墙内一定有位移是0 的中性面。因此，选择隧道开挖后中性面上围岩重分布应力和单洞开挖后同一部位应力的比值大小来判断是否为小净距隧道是可行的。

3 小净距隧道二次衬砌设计计算方法

目前，隧道二次衬砌计算方法主要有荷载结构法、地层结构法、收敛限制法等，笔者计算采用MIDAS/GTS 岩土与隧道结构有限元分析软件，根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》9.2.1 条，对二衬采用“荷载－结构”模型计算。在进行数值模拟时，二次衬砌采用梁单元进行模拟，围岩弹性抗力用压曲面弹簧单元模拟。由于缺少现场围岩弹性抗力系数及计算摩擦角等实测数据，本次计算参照JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》进行取值。荷载结构法计算图示如图1 所示。

图1 “荷载- 结构”法计算示意图

3.1 隧道二次衬砌有限元模型建立

根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》表9-1 规定，Ⅴ级围岩，二衬分担荷载比例60%～80%，席家梁隧道二衬按承担70%的围岩压力进行计算。具体数值见表2。

表2 垂直围岩压力及水平围岩压力

计算模型中衬砌支护参数采用设计值，二衬采用50cm 厚C30 模筑钢筋混凝土。按“荷载-结构”法原理建立的有限元模型如图2 所示。

图2 二衬结构有限元模型图

按照JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》中第9.1.1条要求，隧道结构应按照破损阶段法验算构件截面强度。混凝土结构，应按JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》第9.2.11、9.2.12 条进行抗压强度或抗拉强度的验算；Ⅴ级围岩段二次衬砌为钢筋混凝土结构，应按JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》附录N 分别进行正截面抗压强度验算。

3.2 二次衬砌计算结果

3.2.1 浅埋段二次衬砌计算

通过对浅埋段二次衬砌计算，得出最大轴力发生在边墙墙角处，最大轴力约为767.877kN，拱顶处轴力相对较小，约为398.601kN，在隧道的拱顶和两端边墙脚位置弯矩较大，最大弯矩发生在墙脚处，约为207.293kN·m。

3.2.2 深埋段二次衬砌计算

通过对深埋段二次衬砌计算，得出最大轴力发生在边墙墙角处，最大轴力约为924.484kN，拱顶处轴力相对较小，约为499.885kN，在隧道的两端边墙脚位置和仰拱处弯矩较大，最大弯矩发生在墙脚处，约为249.622kN·m。

席家梁隧道二次衬砌为C30 模筑钢筋混凝土结构。每延米二衬受力主筋为4 根22mm，二衬受拉和受压面均为对称配筋，钢筋保护层不小于5cm。

提取衬砌结构的拱顶、拱肩、最大跨度处、拱脚及仰拱中心的轴力和弯矩。各个典型截面的轴力和弯矩和强度验算结果如表3、表4 所示。

表3 埋深10m衬砌承载力强度验算结果

表4 埋深50m衬砌承载力强度验算结果

从表3、表4 可以看出：衬砌结构各处安全系数均满足JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》第9.2.4 条要求的2.0，衬砌结构安全、可靠，并有一定的安全储备。

4 小净距隧道施工方案选择

4.1 隧道开挖

该隧道开挖时，应当以中间岩墙的稳定和加固作为施工重点环节。为了降低隧道开挖对中间岩墙的干扰，可以选择先行洞、后行洞等方法来施工，应先施工地质条件相对较差或埋深较浅一侧主洞，再施工另外一侧主洞，先行洞二衬距后行洞掌子面应大于30m。同时，当开挖先行洞接近中间岩墙时，应当以机械开挖为主，必须尽可能地少使用或不使用爆破，并及时对掌子面进行支护，这样可以提高隧道的稳定性。此外，该隧道的洞口段埋深较浅，地下水位不高，可以选择施工技术简单、工程造价较低的“环形开挖留核心土法”施工，保证初支及时落底封闭成环，以确保初期支护的承载能力【4，5】。

4.2 仰拱施工

该隧道仰拱应当尽早形成封闭受力环，其中，仰拱施工包括仰拱开挖、仰拱初支、仰拱二衬、仰拱填充4 部分。仰拱初期支护一次施作长度一般为2～3 榀拱架长度，地质条件较差段一次施作长度不大于2 榀拱架长度；仰拱二衬一次浇筑长度一般不大于6m，地质条件较差段一次浇筑长度不得大于4m，并与施工工序相结合，与二衬施工长度相结合，并做到三缝统一。仰拱施工时应在作业区段内搭设钢栈桥确保洞内交通正常通行，以便其不受隧道洞内出碴运输的干扰，保证掌子面正常施工。

4.3 二次衬砌施工

由于二次衬砌按主要承载结构设计，因此二次衬砌应紧跟初支封闭成环段施工，在初支落底后应及时施作二次衬砌仰拱和仰拱填充层，然后全断面施作拱墙二次衬砌。该小净距隧道的二次衬砌施工应当遵循“新奥法”的原则，并分析围岩监控量测数据，待围岩和支护变形基本稳定后再确定二衬施工时间。二次衬砌墙脚与仰拱接茬位置为受力薄弱点，该处施工时，应对接头位置凿毛，并冲洗干净，确保衔接可靠，防止造成后期开裂。

5 结语

本文基于某高速公路席家梁隧道小净距YK5+475～YK5+600 段对隧道二次衬砌的设计计算和施工控制技术等展开了研究。主要得到以下几方面的结论：

1）利用隧道开挖后中性面上围岩重分布应力和单洞开挖后同一部位应力的比值大小来判断是否为小净距隧道是可行的；

2）计算采用“荷载-结构”法，未考虑二次衬砌与初期支护的联合支护效应，计算结果偏于安全。

3）计算未考虑施工控制水平及其施工步序对隧道支护结构变形、受力的影响，但计算分析结果对衬砌结构的整体受力仍具有指导意义。

4）小净距隧道开挖时，应当以中间岩墙的稳定和加固作为施工重点环节，并选择先行洞、后行洞等方法来施工。隧道仰拱应当尽早形成封闭受力环，并内搭设简易防干扰平台。同时，隧道的二次衬砌施工应当在遵循“新奥法”原则的基础上，利用围岩监控量测数据来确定二衬施工时间。