既有單線隧道擴(kuò)建方案優(yōu)化及施工力學(xué)行為分析

周紹文，周勇狄，賈艷領(lǐng)

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

交通量快速增長導(dǎo)致早年修建的道路通行能力日益不足，舊路改擴(kuò)建是解決上述問題的有效方法。隧道作為道路的控制性工程，對(duì)其進(jìn)行改擴(kuò)建顯得尤為迫切，如日本天王山隧道、大藏隧道、意大利Nazzano隧道、泉廈高速公路大帽山隧道、重慶市機(jī)場路渝州隧道擴(kuò)建工程等[1-3]。范宏柱[4]依托重慶市軌道交通1號(hào)線的小什字車站隧道，利用理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場施工驗(yàn)證相結(jié)合的方法，分析研究了既有人防淺埋隧道擴(kuò)挖為大斷面地鐵車站的施工方法。來弘鵬等[5]針對(duì)既有隧道不同服役狀態(tài)，利用模型試驗(yàn)研究存在不同類型病害隧道擴(kuò)建過程中的力學(xué)特征。黃倫海等[6]結(jié)合福廈高速公路“四改八”工程，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究四車道隧道擴(kuò)建為八車道隧道最優(yōu)的開挖方案。劉泉聲等[7]結(jié)合依托工程，通過數(shù)值模擬分析不同開挖方案下隧道改擴(kuò)建中圍巖的力學(xué)響應(yīng)，為隧道開挖提供了合理的方案。

綜上所述，目前對(duì)于隧道改擴(kuò)建的研究已取得了較大進(jìn)展，這些成果有效地指導(dǎo)了既有隧道的改擴(kuò)建。但目前對(duì)于淺埋隧道改擴(kuò)建的研究仍不足，淺埋隧道的圍巖壓力和支襯受力均與深埋隧道不同，在改擴(kuò)建過程中力學(xué)行為變化更為敏感。本文依托荊埡隧道開展淺埋隧道改擴(kuò)建方案優(yōu)化研究，并對(duì)所選方案的施工力學(xué)行為進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為荊埡隧道改擴(kuò)建設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)，也可為今后類似工程的實(shí)施和理論研究提供參考和借鑒。

1 工程概況

原荊埡隧道位于G321國道桂林市陽朔縣境內(nèi)，建成于20世紀(jì)90年代，長120 m，全寬9 m，為單洞雙向雙車道的二級(jí)公路隧道，是連接桂林市區(qū)與陽朔縣的重要通道。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量增長迅速，隧道路段通行能力日益不足，節(jié)假日期間更是通行緩慢、擁堵嚴(yán)重。隧道進(jìn)出口段植被較發(fā)育，覆蓋層較薄，基巖為泥盆系灰?guī)r，巖體較完整；洞身段均為微風(fēng)化灰?guī)r，完整性較好，為Ⅱ級(jí)圍巖。根據(jù)陽朔縣的規(guī)劃部署，荊埡隧道入口段按40 m大道建設(shè)，即雙向四車道+兩條非機(jī)動(dòng)車道+兩條人行道。由于既有隧道地處埡口，埋深淺，最大埋深約27 m，兩側(cè)山峰高聳，同時(shí)，路線兩側(cè)房屋密集，建設(shè)用地非常有限，因此，荊埡隧道改擴(kuò)建的方案設(shè)計(jì)面臨巨大的挑戰(zhàn)。

2 既有單線隧道改擴(kuò)建方案優(yōu)化

在充分分析既有隧道地形、地貌、地質(zhì)以及竣工資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外隧道改擴(kuò)建現(xiàn)狀以及規(guī)劃建設(shè)要求，對(duì)荊埡隧道改擴(kuò)建提出了雙連拱隧道方案、單洞六車道隧道方案、路塹方案以及明挖回填方案等四種設(shè)計(jì)方案。單洞六車道隧道方案受地形影響，跨度大、埋深淺、受力極其復(fù)雜，尚未有可借鑒的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)險(xiǎn)極大。綜合分析比較其余方案得出，路塹方案和明挖回填方案受地形地質(zhì)條件的控制，大規(guī)模爆破對(duì)隧道兩端路側(cè)房屋影響較大，嚴(yán)重破壞既有環(huán)境，影響陽朔縣旅游風(fēng)景名勝區(qū)的形象。而雙連拱隧道方案因地制宜，利用既有隧道作為中導(dǎo)洞，下挖中隔墻基礎(chǔ)后澆筑中隔墻，兩側(cè)擴(kuò)建，能有效降低設(shè)計(jì)及施工風(fēng)險(xiǎn)，且有利于環(huán)境保護(hù)，優(yōu)勢(shì)顯著，故推薦雙連拱隧道方案。主要方案綜合比選分析如表1所示。

表1 隧道改擴(kuò)建方案比選分析表

采用該雙連拱隧道方案擴(kuò)建后，隧道最大開挖寬度達(dá)34.446 m(如圖1所示)，較現(xiàn)有雙向六車道的雙連拱隧道略寬，且根據(jù)現(xiàn)有對(duì)相似跨度隧道的受力性能研究，結(jié)構(gòu)受力較好，安全可行。

圖1 改擴(kuò)建隧道斷面形式圖(cm)

3 雙連拱隧道改擴(kuò)建施工力學(xué)行為分析

既有隧道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，擴(kuò)建為雙連拱隧道需先下挖中隔墻基礎(chǔ)，拆除原有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后兩側(cè)擴(kuò)挖，隧道圍巖要經(jīng)歷復(fù)雜的變化過程，不同的擴(kuò)建施工方法對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)不同，合理準(zhǔn)確地模擬隧道不同擴(kuò)建方法的施工力學(xué)行為可為隧道安全施工提供指導(dǎo)。本文采用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法與逐層開挖法的施工力學(xué)演化規(guī)律，以期為隧道改擴(kuò)建施工提供保障。

3.1 模擬工況

不同施工方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響，選擇合理的施工方法對(duì)隧道改擴(kuò)建施工安全具有重要意義。為此，對(duì)臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、逐層開挖法開展研究，三種施工方法分別如圖2～4所示。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)

利用有限元軟件ANSYS建立平面模型，如下頁圖5所示。雙連拱隧道中隔墻、初期支護(hù)、二次襯砌、圍巖以及山體均采用PLANE42單元，系統(tǒng)錨桿采用LINK1單元模擬；中隔墻、初期支護(hù)以及二次襯砌采用彈性模型，圍巖和山體采用彈塑性模型；各材料物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告和設(shè)計(jì)資料選取，如下頁表2所示。隧道施工過程中圍巖荷載釋放率按6∶3∶1分配，即圍巖承擔(dān)自身荷載的60%，剩余的30%和10%分別作用在初期支護(hù)和二次襯砌上。隧道拱頂下沉、周邊收斂位移通過設(shè)置的測(cè)點(diǎn)來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)受力特征通過應(yīng)力云圖讀取。

①開挖支護(hù)既有隧道；②修建中隔墻；③開挖右洞上臺(tái)階；④右洞上臺(tái)階支護(hù)；⑤開挖右洞下臺(tái)階；⑥右洞下臺(tái)階初期支護(hù)；⑦施作右洞二次襯砌；⑧開挖左洞上臺(tái)階；⑨左洞上臺(tái)階支護(hù)；⑩開挖左洞下臺(tái)階；左洞下臺(tái)階支護(hù)；施作左洞二次襯砌

①開挖支護(hù)既有隧道；②修建中隔墻；③開挖右洞側(cè)壁導(dǎo)坑；④右洞單側(cè)壁導(dǎo)坑支護(hù)；⑤開挖右洞上臺(tái)階；⑥右洞上臺(tái)階初期支護(hù)；⑦右洞下臺(tái)階開挖；⑧施作右洞二次襯砌；⑨開挖左洞側(cè)壁導(dǎo)坑；⑩左洞單側(cè)壁導(dǎo)坑支護(hù)；開挖左洞上臺(tái)階；左洞上臺(tái)階初期支護(hù)；左洞下臺(tái)階開挖；施作左洞二次襯砌

①開挖支護(hù)既有隧道；②修建中隔墻；③開挖右洞第一層；④右洞第一層支護(hù)；⑤開挖右洞第二層；⑥右洞第二層支護(hù)；⑦開挖右洞第三層；⑧右洞第三層支護(hù)；⑨施作右洞二次襯砌；⑩開挖左洞第一層；左洞第一層支護(hù)；開挖左洞第二層；左洞第二層支護(hù)；開挖左洞第三層；左洞第三層支護(hù)；施作左洞二次襯砌

表2 各材料主要物理力學(xué)參數(shù)表

圖5 隧道有限元整體模型圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 位移分析

不同施工方法下隧道拱頂下沉值與周邊收斂監(jiān)測(cè)值如表3所示。由表3可知，三種工法引起的位移值均較小，拱頂下沉量均在1 mm左右，仰拱隆起均在0.8 mm左右，周邊收斂值相對(duì)差異較大，但其絕對(duì)值均≤0.3 mm，后行洞(左洞)拱頂沉降均大于先行洞(右洞)。這是由于隧道擴(kuò)建過程中左右洞掌子面存在一定的進(jìn)尺差，左右洞圍巖應(yīng)力路徑不盡相同，導(dǎo)致圍巖最終變形存在差異。臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、逐層開挖法施工所引起的位移值均很小，均能安全施工；而臺(tái)階法引起的拱頂沉降最小，施工步驟少、周期短、費(fèi)用低，應(yīng)優(yōu)先選用。

表3 不同施工方法下拱頂下沉值與周邊收斂值監(jiān)測(cè)結(jié)果表(mm)

3.3.2 應(yīng)力分析

3.3.2.1 圍巖應(yīng)力分析

如圖6～8所示：三種工法均對(duì)圍巖產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，隧道拱頂圍巖出現(xiàn)松動(dòng)下沉，仰拱發(fā)生隆起。臺(tái)階法對(duì)圍巖擾動(dòng)范圍最大，側(cè)壁導(dǎo)坑法次之，逐層開挖法最小。不同施工方法第三主應(yīng)力最大值(分別為4.03 MPa、5.21 MPa、4.15 MPa)均出現(xiàn)在隧道拱腰位置，這是因?yàn)樵谏喜亢奢d作用下，隧道向洞外變形，拱腰位置對(duì)圍巖產(chǎn)生了擠壓作用。

(a)第一主應(yīng)力

(a)第一主應(yīng)力

(a)第一主應(yīng)力

3.3.2.2 二次襯砌應(yīng)力分析

從不同工法的二次襯砌應(yīng)力云圖(圖9～11)可看出：第一、第三主應(yīng)力云圖均較為復(fù)雜，這是由于隧道擴(kuò)建過程中先行洞襯砌受到施工多次擾動(dòng)的影響，受力情況較后行洞復(fù)雜，導(dǎo)致左右洞襯砌受力極不均勻。對(duì)比圖9～11第一主應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，其最大值基本都出現(xiàn)在隧道仰拱位置，最小值出現(xiàn)在隧道靠近中隔墻的拱腳拱腰處；第三主應(yīng)力則相反，最大值出現(xiàn)在隧道靠近中隔墻的拱腳拱腰處。

(a)第一主應(yīng)力

(a)第一主應(yīng)力

3.3.2.3 中隔墻應(yīng)力分析

如圖12～14所示，由中隔墻第一主應(yīng)力云圖可知，臺(tái)階法施工中隔墻第一主應(yīng)力云圖近似對(duì)稱，因左右洞掌子面開挖進(jìn)尺差異，第一主應(yīng)力右側(cè)數(shù)值稍大于左側(cè)，在中隔墻最下端墻腳處取得最大值。側(cè)壁導(dǎo)坑法和逐層開挖法施工時(shí)，在中隔墻上中部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū)，而在中隔墻左下部出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力區(qū)，這是因?yàn)樽笥叶撮_挖順序的差異導(dǎo)致中隔墻受到一定的水平剪力作用。

對(duì)比第三主應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、逐層開挖法施工中隔墻主體基本均處于受壓區(qū)，第三主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在隧道拱腰附近的中隔墻，分別為3.6 MPa、5.4 MPa、4.1 MPa。三種工法均表明中隔墻底部左側(cè)壓應(yīng)力大于右側(cè)，中隔墻受到向后行洞一側(cè)的偏壓，其中逐層開挖法偏壓最為嚴(yán)重，但均未超過混凝土的極限抗壓強(qiáng)度。

(a)第一主應(yīng)力

(a)第一主應(yīng)力

(a)第一主應(yīng)力

綜合圍巖、二次襯砌和中隔墻的受力分析，三種施工方法結(jié)構(gòu)受力均在安全的范圍內(nèi)；側(cè)壁導(dǎo)坑法和逐層開挖法工序繁雜，且均涉及初期支護(hù)的拆除，增加了施工的工作量，經(jīng)濟(jì)性較差，故推薦采用臺(tái)階法施工。

4 結(jié)語

(1)結(jié)合隧道實(shí)際條件，采用雙連拱隧道的改擴(kuò)建方案優(yōu)于明挖路塹方案和明挖回填方案。

(2)開挖左洞引起的拱頂沉降大于右洞；受多次開挖擾動(dòng)的影響，中隔墻上部圍巖穩(wěn)定性變得最差，施工中應(yīng)對(duì)中隔墻上部圍巖進(jìn)行加固，并注意中隔墻受力和位移的監(jiān)測(cè)。

(3)先行洞襯砌結(jié)構(gòu)受力較后行洞更為復(fù)雜，施工時(shí)應(yīng)減少擾動(dòng)，在先行洞洞側(cè)及時(shí)做好臨時(shí)支護(hù)。中隔墻底部受到往后行洞一側(cè)的偏壓，施工過程中應(yīng)對(duì)中隔墻底部進(jìn)行加固，防止失穩(wěn)。

(4)經(jīng)綜合對(duì)比，從安全和施工難度方面考慮，臺(tái)階法是最優(yōu)施工方法。