公路小净距隧道最小安全净距研究

摘要 建立平面应变模型，分析了不同围岩类别、不同埋深下，小净距隧道设

置的最小安全净距，即小净距隧道向双连拱隧道过渡的最小距离。

关键词 小净距隧道 最小安全净距

1 前言

我国现行《公路隧道设计规范》（JTJ026－90）规定了不同围岩类别情况下双洞轴间距宜不小于（1.5～5）B（B为毛洞最大跨度）。但是目前已修建的小净距隧道净距一般为2～8米，远小于现行规范规定值，规范已经脱离了实际工程。因此，本文用结构有限元软件ANSYS对不同的围岩类别、不同的埋深、不同间距的小净距隧道进行结构计算分析，以期找到小净距隧道向连拱隧道过渡的最小净距，即小净距隧道修建的最小安全净距。

2 基本假定及计算模型

本文计算模型为线弹性平面应变模型，围岩的变形是各向同性的，岩体的初始应力场仅考虑自重应力，不考虑构造应力，只考虑一次衬砌和二次衬砌，锚杆和钢拱架认为是安全储备，地应力分步释放，开挖释放30％，初期支护完成后释放40％，二次衬砌完成后释放其余30％。围岩和混凝土的物理力学参数根据《公路隧道设计规范》中相应参数确定。不计中墙配筋。各类计算参数见表1。 不同围岩类别模型的尺寸如表2，Ⅳ类围岩以上只考虑深埋情况。

有限元计算物理力学参数 表1 材料类型 弹性模量E（GPa） 泊松比μ C20 C25 Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ 26.0 28.5 2800 2700 2500 2200 1900 1700 0.2 0.2 50 20 6 3 1.2 0.8 容重γ（KN.m-3） 22 23 0.12 0.16 0.18 0.3 0.4 0.45 体荷载G 取10 备注 不同围岩类别、不同埋深支护结构尺寸 表2 类 Ⅰ类围岩 Ⅱ类围岩 Ⅲ类围岩 Ⅳ类围Ⅴ类围Ⅵ类围别 岩 岩 岩 浅埋 深埋 浅深浅深深埋 深埋 深埋 埋 埋 埋 埋 一衬30 30 25 25 20 18 12 8 5 (cm) 二衬55 50 45 40 40 40 35 30 25 (cm) 3 数值模拟分析过程及结构 3.1 Ⅰ类围岩计算结果分析

3.1.1 Ⅰ类围岩浅埋计算结果分析

对于一类围岩浅埋小净距隧道，分别对两洞净距18米、16米、14米和12米四种情况计算分析。图1数据表明：对于一类围岩浅埋小净距隧道，当两洞净距为12米时，二次衬砌的主压应力σ3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5Mpa，此时认为结构已经破坏。建议：对于一类围岩浅埋小净距隧道两洞净距小于等于12米时宜设置双连拱隧道。 3.1.2 一类围岩浅埋计算结果分析

对于一类围岩深埋小净距隧道，分别对两洞净距13米、11米、10米和9米四种情况计算分析。图2数据表明：对于一类围岩深埋小净距隧道，当两洞净距为10米时，二次衬砌的主压应力σ3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5Mpa，此时认为结构已经破坏。建议：对于一类围岩深埋小净距隧道两洞净距小于等于9米时宜设置双连拱隧道。 3.2 Ⅱ类围岩计算结果分析 3.2.1 Ⅱ类围岩浅埋计算结果分析

对于二类围岩浅埋小净距隧道，分别对两洞净距50米、25米、18米和16米、14米、12米和10七种情况计算分析。图3数据表明：对于二类围岩深埋小净距隧道，当两洞净距为10米时，二次衬砌的主压应力σ3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5Mpa，此时认为结构已经破坏。建议：对于二类围岩浅埋小净距隧道两洞净距小于等于10米时宜设置双连拱隧道。 3.2.2 Ⅱ类围岩深埋计算结果分析

对于二类围岩深埋小净距隧道，分别对两洞净距15米、13米、11米和9米、7米五种情况计算分析。图4数据表明：对于二类围岩深埋小净距隧道，当两洞净距为10米时，二次衬砌的主压应力σ3max达到C25混凝土极限抗压强度17.5Mpa，此时认为结构已经破坏。建议：对于二类围岩深埋小净距隧道两洞净距小于等于7米时宜设置双连拱隧道。 3.3 Ⅲ类围岩计算结果分析

3.1.1 Ⅲ类围岩浅埋计算结果分析

对于三类围岩浅埋小净距隧道，分别对两洞净距12米、10米、8米和6米四种情况计算分析。图5数据表明：对于三类围岩浅埋小净距隧道，当两洞净距为6米时，二次衬砌的主压应力σ6米时宜设置双连拱隧道。 3.1.2 Ⅲ类围岩深埋计算结果分析

对于三类围岩深埋小净距隧道，分别对两洞净距6米、4米、2米和1米四种情况计算分析。由图6可以看出：两洞净距由4米到1米，结构的应力和位移增加都较快，其中二次衬砌的主压应力σ

3max由

3max

达到C25混凝土极限抗压强度17.5Mpa，

此时认为结构已经破坏。建议：对于三类围岩浅埋小净距隧道两洞净距小于等于

11.7Mpa迅速增大到17.3Mpa，

虽然二衬混凝土还没有达到极限抗压强度，但可以说明净距在4米～1米之间时，两洞影响效应显著增大。建议：对于三类围岩深埋小净距隧道两洞净距介于4米～1米时，小净距效应显著增大，故此时宜设置双连拱隧道。

3.1.3 Ⅲ类围岩深埋不考虑二衬作用计算结果分析

对于三类围岩深埋小净距隧道，如果二衬视为安全储备，结构计算时不考虑二衬作用，一衬承担全部的荷载。对三类围岩小净距隧道两洞净距6米、8米、10米、12米、14米和16米六种情况在深埋时计算分析。图7数据表明：当两隧道净距16为米时，一衬混凝土的主压应力σ3max达到C20混凝土极限抗压强度14Mpa，此时认为结构已经破坏。建议：对于三类围岩深埋两洞净距小于等于16米、且施工时同一断面上两洞未浇注二衬时，宜设置双连拱隧道。 3.4 Ⅳ类围岩计算结果分析

对于四类及四类以上的围岩不考虑浅埋情况，由于有限元软件和模型的原因，在两隧道净距仅1米时混凝土的强度仍没有达到它的极限强度，而且相差较远。从结构计算角度如果不考虑二衬作用，即二衬作为安全储备，一衬承担全部的荷载。对四类围岩小净距隧道，对两洞净距16米、14米、12米、11米、10米五种情况在深埋时计算分析。图8数据表明：当两隧道净距11为米时，一衬混凝土的主压应力σ

3max

达到C20混凝土极限抗压强度14Mpa，此时认为结构已

经破坏。建议：对于四类围岩深埋两隧道净距小于等于11米、且施工时同一断面上两洞未作二衬时，宜设置双连拱隧道。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

3.5 Ⅴ类及Ⅵ类围岩计算结果分析

对五类和六类围岩小净距隧道，二衬仍视为安全储备，对五类围岩两洞净距5米和1米二种情况在深埋时计算分析。对五类围岩小净距隧道当两洞净距仅1米时，混凝土的抗压强度σ3max为10.8Mpa，仍没有达到极限强度，而实际施工和设计中，两洞净距1米时结构形式要设置成双联拱隧道。六类围岩的弹性模量比五类围岩还要大，可以推断：相同净距情况下，六类围岩小净距隧道结构的应力和位移较五类的要小。五类和六类围岩小净距隧道最小安去净距可以根据实际施工情况和工程师经验确定。 4 结论

本文对不同围岩类别和不同埋深的小净距隧道，在不同的净距情况下，建立了弹性平面应变模型并进行数值模拟研究，讨论了随着两洞净距的变化，结构的应力场和位移场的变化规律，在本文的计算模型和参数情况下，得出了不同围岩类别、不同埋深小净距隧道最小安全净距。主要有以下结论：

(1) 一类围岩浅埋小净距隧道，两洞净距为12米时，二衬混凝土抗压强度达到极

限状态。一类围岩浅埋，当两洞净距小于等于12米时建议设置双连拱隧道。 (2) 一类围岩深埋小净距隧道，两洞净距为10米时，二衬混凝土抗压强度达到极

限状态。一类围岩深埋，当两洞净距小于等于10米时建议设置双连拱隧道。 (3) 二类围岩浅埋小净距隧道，两洞净距为10米时，二衬混凝土抗压强度达到极

限状态。二类围岩浅埋，当两洞净距小于等于10米时建议设置双连拱隧道。 (4) 二类围岩深埋小净距隧道，两洞净距为7米时，二衬混凝土抗压强度达到极

限状态。二类围岩深埋，当两洞净距小于等于7米时建议设置双连拱隧道。

(5) 三类围岩浅埋小净距隧道，两洞净距为6米时，二衬混凝土抗压强度达到极

限状态。三类围岩浅埋，当两洞净距小于等于6米时建议设置双连拱隧道。 (6) 三类围岩深埋小净距隧道，两洞净距介于4～1米时，小净距隧道两洞影响较

大，小净距效应显著。三类围岩深埋，当两洞净距介于4～1米时建议设置双连拱隧道。

(7) 三类围岩深埋小净距隧道，不考虑二衬支护作用，即二衬视为安全储备，两

洞净距为16米时，一衬混凝土抗压强度达到极限状态。三类围岩深埋，当两洞净距小于等于16米，且同一断面两洞未浇注二衬时建议设置双连拱隧道。 (8) 四类围岩深埋小净距隧道，不考虑二衬支护作用，即二衬视为安全储备，两

洞净距为11米时，一衬混凝土抗压强度达到极限状态。四类围岩深埋，当两洞净距小于等于11米，且同一断面两洞未浇注二衬时建议设置双连拱隧道。 (9) 五类和六类围岩小净距隧道，应根据实际的工程情况和施工设计经验设计小

净距隧道的最小安全净距。

在本文的计算模型和参数下，可以得到表3中的结论： 围岩 类别 埋 深 最小安全净距

表3 不同围岩类别、不同埋深公路小净距隧道最小安全净距 Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 围岩 围岩 围岩 围岩 浅 埋 12米 深 埋 9米 浅 埋 10米 深 埋 7米 浅 埋 6米 深埋 考虑 不计 二衬 二衬 4～116米 米 Ⅴ、Ⅵ类围岩 深埋 深埋 不计 不计 二衬 二衬 11米 － 参考文献

1．中华人民共和国交通部，公路隧道设计规范（JTJ026－90），北京，人民交通出版社，1900

2．铁道部建设总局，铁路新奥法指南，北京，中国铁道出版社，1988

3．鲁彪，公路小净距隧道最小安全净距确定与双连拱隧道中隔墙断面优化研究，长安大学研究生学位论文，2004.5