大斷面擴建隧道施工初期支護受力分析

晉學輝，程崇國

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074;2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400067)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展，早期修建的兩車道隧道不能滿足當前交通量的要求。為了緩解日益增長的交通壓力，需要對老隧道進行改造或擴建。在針對老舊隧道改造方案有2種:一種是新建隧道與原隧道一起分流交通;另一種是在原有隧道的基礎上進行擴建。

泉廈高速廈門段對原大帽山隧道改擴建中采用了在原分離隧道中間新建一座4車道隧道和對原有右洞進行擴建，形成雙洞8車道隧道。對于有展線空間的地段，新建是一種可行的方案，但是對于空間不足、不具備新建條件的隧道，在原址對老舊隧道進行擴建的方案將成為首選。為此有必要對于原址擴建隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

目前，國內(nèi)對于原址改擴建隧道的研究較少:李元福［1］介紹了成昆線關(guān)村壩隧道在不中斷運營的條件下擴建施工技術(shù);武建強［2］對于原址新建雙洞與原隧道構(gòu)成近接小凈距隧道群的施工方案和施工力學進行了研究，為此類工程的設計施工提供了科學依據(jù);高干，等［3］針對單側(cè)擴建、雙側(cè)擴建、右側(cè)小凈距擴建以及左側(cè)小凈距擴建4種擴建形式，運用有限元軟件分析了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及圍巖內(nèi)力的變化情況，得出了單側(cè)擴建為最佳方案。筆者依托重慶市機場路渝州隧道改擴建工程，通過對隧道擴挖施工過程進行數(shù)值仿真分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對比分析地表沉降、初期支護彎矩和錨桿軸力，得出擴挖隧道以上各項的受力特點，為工程施工提供技術(shù)保障和以后類似工程提供指導和參考。

1 工程概況

1.1 渝州隧道工程簡介

渝州隧道是重慶市機場路拓寬改造工程的一部分。隧道現(xiàn)狀為雙洞4車道隧道，平面成喇叭型布置，進口段兩隧道結(jié)構(gòu)間巖石凈距約7.8 m，出口段為15 m。隧道凈寬10 m，凈高6.7 m，圓拱直墻式素混凝土襯砌，拱厚75 cm，邊墻厚110 cm。隧道左洞起止里程樁號:ZK 0+350～ZK 0+700.5，左洞全長350.5 m;隧道右洞起止里程樁號:ZK 0+346.5 ～ZK 0+618，右洞全長271.5 m。單洞路幅分配為0.5 m(檢修道)+8.5 m(車行道)+2 m(檢修道)。隧道(進洞)南側(cè)接回興立交，(出洞)北側(cè)接城南立交。渝州隧道改擴建工程利用現(xiàn)狀隧道進行改擴建，保持現(xiàn)狀隧道平面走向及隧道間中央巖柱厚度不變分別向兩側(cè)擴挖，形成雙洞8車道隧道。改造后隧道凈跨17.081 m，凈高8.482 m。

1.2 地形地質(zhì)概況

隧道所處線路宏觀上屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，由于人類活動改造，大部分地段地形平緩，一般地面坡角3～5°，局部地段地形較陡，地面坡角一般10～25°，最大可達65°。擬建工程沿機場路前行，地勢高低起伏，場地內(nèi)地面標高242～488 m，最高點位于里程K 9+350處，最低點位于K 3+935處，高差約246 m，擬建隧道洞頂巖層厚度為5～35 m。隧道走向出露的地層主要有第四系人工素填土(Q4ml)、殘坡積層粉質(zhì)黏土(Q4el+dl)，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)的沙溪廟組(J2s)、新田溝組(J2x)，巖性以砂質(zhì)泥巖與砂巖為主。根據(jù)實地地質(zhì)調(diào)繪以及鉆探揭露、聲波測試成果資料，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，基巖內(nèi)裂隙較發(fā)育，巖體較完整。隧道段為碎屑巖類孔隙裂隙水，包括風化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。

2 有限元模型

2.1 有限元計算模型的建立

以渝州隧道IV級圍巖埋深為17 m的斷面進行數(shù)值仿真分析。計算模型尺寸豎直方向取實際埋深，向下考慮取4倍的隧道開挖高度，水平方向2隧道開挖外輪廓延深70 m，隧道跨度為19.16 m，2洞之間的間距按照設計取10.8 m，模型的尺寸為67.11 m × 189.2 m(高 × 寬)，邊界上端取自由邊界，兩側(cè)約速水平方向的位移(ux)，底端約束豎直位移(uy)，有限元模型如圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格Fig.1 Net chat of FEM

圍巖和原渝州隧道的二次襯砌采用8節(jié)點高參平面單元模擬，新建隧道的初期支護采用梁單元，系統(tǒng)錨桿使用link10單元模擬，設置錨桿只承受拉力，有限元模型共計14 104個單元。計算參數(shù)的選取，按照渝州隧道勘察報告［4］和 JTG D 60—2004《公路隧道設計規(guī)范》［5］。其中考慮隧道初期支護是由型鋼和鋼筋網(wǎng)噴射混凝土組成統(tǒng)一整體，共同承受圍巖的壓力，計算中按照等效的原則提高混凝土的彈性模量，使用公式(1)進行彈性模量折算，計算模型材料參數(shù)見表1。

式中:Egc為折算后的混凝土彈性模量;Ec為混凝土的彈性模量;Eg為型鋼的彈性模量;Sg為單位長度范圍內(nèi)型鋼的截面積;Sc為單位長度圍內(nèi)的混凝土截面積。

表1 材料力學參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of materials

新隧道初期支護及錨桿材料按彈性材料來考慮，隧道圍巖及原隧道圍巖材料按均質(zhì)彈塑性考慮，采用摩爾-庫侖等面積圓D-P屈服準則［6］。

式中:I1為應力張量的第1不變量;J2為應力偏量的第2不變量;c、φ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2.2 開挖步驟模擬

由于交通不能中斷，需要保持1個洞通行，只能在一個隧道擴挖完成以后，再擴挖另一側(cè)隧道，渝州隧道先進行右洞擴挖施工，然后再進行左洞擴挖施工。施工中隧道爆破時需對通行中的隧道進行監(jiān)測，必要時可對通行隧道進行臨時交通管制。由于原隧道空間為擴挖部分提供了足夠大的臨空面，施工時可直接對原有隧道襯砌和擴挖部分的圍巖進行爆破。主要施工步序:第1步，拆除原有隧道二次襯砌;第2步，擴挖隧道;第3步，綁扎鋼筋網(wǎng);第4步，架設型鋼拱、打設系統(tǒng)錨桿;第5步，噴射混凝土;第6步，鋪設防水卷材;第7步，施工二次襯砌。由于二次襯砌的施工是在初期支護穩(wěn)定后施作，故筆者數(shù)值計算中未考慮二襯受力，圍巖壓力釋放完全由初期支護和巖體變形來承擔。

3 計算結(jié)果分析

3.1 圍巖位移變化分析

數(shù)值模擬的隧道斷面處于淺埋段，在右洞開挖后，最大地表沉降發(fā)生在右洞拱頂正上方，最大沉降量為20.4 mm，除去初始沉降影響，沉降量約占開挖最終地表沉降量的82%。由此可見，在右洞開挖完成以后，右洞上方地表沉降大部分已完成。左洞開挖完成后，地表有較小下沉，最終在2拱頂上方地表沉降值最大，沉降量最大為20.93 mm，地表沉降以凈距中心軸呈對稱狀，這主要由于采用數(shù)值計算時考慮材料都為均質(zhì)、連續(xù)性材料，也未考慮施工過程中的撓動等影響。由圖2可以得出，地表沉降范圍大致在隧道中心軸線外側(cè)15 m左右。由于隧道屬于淺埋段，隧道開挖對于地表沉降的影響范圍大致符合公式(5):

式中:D為隧道開挖對地表沉降影響范圍;d為兩洞開挖外輪廓線距離;H為埋深;φ為圍巖的內(nèi)摩擦角。

圖2 地表沉降Fig.2 Curves of surface settlement

3.2 初期支護及錨桿內(nèi)力分析

由計算得到初期支護彎矩如圖3，從圖3(a)可以看出，在右洞擴挖完成后，右洞拱頂襯砌出現(xiàn)脫空區(qū)，受拉區(qū)范圍由拱頂向右側(cè)挖方向偏移，最大彎矩值為2.434 kN·m;同時隧道左側(cè)初期支護受壓區(qū)域減小，彎矩值為5.334 kN·m;右側(cè)受壓區(qū)域較大，彎矩最大值為6.249 kN·m。左洞擴挖完成以后兩洞初期支護彎矩見圖3(b)，兩洞最終初期支護彎矩呈對稱狀，受拉區(qū)均出現(xiàn)在擴挖方向一側(cè)拱腰，最終左洞受拉區(qū)彎矩最大值為2.395 kN·m，右洞為2.274 kN·m，較單側(cè)擴挖彎矩略有減小。最終受壓區(qū)彎矩最大值右洞為6.302 kN·m，較右洞擴挖完成后的彎矩值增量較小。由表2可以看出左右洞各點彎矩值大小，右洞初期支護彎矩在左洞擴挖完成后，各點彎矩值變化不大，最終兩洞各對應點彎矩值相當。

圖3 初支彎矩(單位:N·m)Fig.3 Flexion of tunnel lining at the initial stage

表2 初支測點彎矩Tab.2 Survey point flexion of tunnel lining at the initial stage

隧道在開挖后打設錨桿，可以對開挖后圍巖松動圈進行加固［7］。通過對錨桿的數(shù)值模擬，可以得出圍巖內(nèi)力的分布及松動圈的范圍。

由圖4(a)可以看出，在右洞擴挖完成后，拱部錨桿受力明顯大于其它部分，錨桿軸力由外到內(nèi)逐漸減小。錨桿軸力最大值分布呈不對稱狀，在擴挖方向一側(cè)拱頂?shù)妮S力明顯大于其它部分，錨桿軸力的最大值為30.9 MPa，直墻處錨桿軸力較少。左洞擴挖完成后，錨桿軸力如圖4(b)，兩洞錨桿軸力分布大致呈對稱，錨桿內(nèi)力較大的區(qū)域均分布于向外擴挖的一側(cè)。最終錨桿力最大值為31.6 MPa，較右洞單側(cè)開挖完成后，軸力略有增加。

圖4 錨桿軸力(單位:Pa)Fig.4 Axial force of the bolt

4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比分析

4.1 監(jiān)控量測項目

監(jiān)控量測工作是新奧法的重要標志之一，也是現(xiàn)代支護理所憑借的主要手段。依靠現(xiàn)場監(jiān)測量來掌握圍巖動態(tài)、修正設計指導施工和對支護效果作出正確的評價。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到很多有益的結(jié)論，為隧道的設計施工積累寶貴的經(jīng)驗［8-9］。

根據(jù)JTG F 60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》［10］有關(guān)隧道監(jiān)控量測的規(guī)定，主要進行周邊收斂、拱頂下沉、地表下沉監(jiān)測。為了對必測項目的拓展和補充，更準確地掌握隧道結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律，因此在特殊地段、危險地段或有代表性的地段布置選測斷面，并且可長期觀測。量測內(nèi)容包括:圍巖與初期支護間壓力量測、二次襯砌內(nèi)部應力、鋼架內(nèi)力量測、錨桿軸力監(jiān)測、爆破震動監(jiān)測等。

4.2 量測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析

由于隧道是先施工右洞然后再施工左洞，地表沉降監(jiān)測是分別針對單洞進行，由圖5可以看出，左洞地表最終的凈沉降值約5 mm，與數(shù)值計算結(jié)果4.3 mm較為接近。

錨桿軸力計量測長度為3.5 m，每斷面在左右兩拱腰、拱腳、直墻埋設錨桿軸力計6根，每根錨桿軸力計設3個測點，錨桿軸力計及其測點的布置如圖6。

圖7 監(jiān)測錨桿內(nèi)力Fig.7 Monitoring value of bolts axial force

由監(jiān)測結(jié)果(圖7)可以看出，所測的錨桿軸力由外向逐漸減小，0.7 m以后的測點所測的力均較小，因此可以得出圍巖的松動圈大致在1.0 m左右。錨桿軸力在擴挖一側(cè)錨桿E的0.7 m處達到20.906 MPa，與其對應的錨桿D處于受壓狀態(tài)，錨桿軸力分布在擴挖方向較大，單洞兩側(cè)軸力值呈不對稱狀。從錨桿B、C量測的數(shù)據(jù)看，此錨桿處于受壓狀態(tài)，這與此區(qū)域圍巖受壓力情況相符。錨桿A由于受到較大擾動，受到松動圍巖的外移造成的拉力較大。結(jié)合數(shù)值計算的錨桿軸力及初支彎矩圖，可以得到原位擴挖隧道的實際受力與計算值變化規(guī)律相符，由此可以得出數(shù)值計算可以反映隧道的受力規(guī)律。

5 結(jié)論

通過對渝州隧道原位擴建施工的數(shù)值模擬，再結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的對比分析，可以得到以下幾點結(jié)論:

1)通過對擴建隧道的數(shù)值模擬，對于此淺埋小凈距原位側(cè)向擴建隧道，地表下沉的影響范圍D大致如公式(5)，隧道施工中應加強對此范圍內(nèi)的沉降監(jiān)測。

2)由于是在對原有隧道的進行擴挖，隧道的內(nèi)力重分布規(guī)律與新建隧道不同。擴建方向由于開挖面積大，造成地應力在重新分布時對擴挖方向的影響較大，初期支護彎矩和錨桿軸力最大值均出現(xiàn)在此區(qū)域，因此，在隧道施工中應及時進行支護，加強對擴挖面的監(jiān)測。

3)通過實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進行對比，得出數(shù)值模擬基本能夠反映隧道的受力及變形規(guī)律，可以為后續(xù)工程的設計施工提供幫助和指導。

4)對于隧道原位擴建問題，地層先后經(jīng)過初始沉降、原隧道開挖、擴挖等多次擾動，圍巖應力經(jīng)過多次重分布，有限元不能夠完全的模擬每次應力重分布的過程，地層的實際應力狀態(tài)還有待進一步的現(xiàn)場實驗研究。

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