王國科

（浙江佳途勘測設(shè)計有限公司，浙江 麗水 323000）

隨著交通運輸需求的迅速增長，新建公路、隧道都在向著多車道、大通行量發(fā)展。既有公路隧道已經(jīng)不能滿足逐漸增長的通行需求，需對其進行擴容以滿足通行量的需求。目前關(guān)于隧道的擴容方式主要有單側(cè)擴容、雙側(cè)擴容、周圍擴容和小凈距擴容四種方式。

針對隧道擴容穩(wěn)定性的研究，已經(jīng)有學(xué)者取得了大量研究結(jié)果。徐子良等[1]采用FLAC3D分別對既有淺埋隧道單側(cè)擴容與均勻擴容兩種方式進行了數(shù)值模擬，對比分析了兩種方式下隧道原位擴容引起的圍巖變形量。結(jié)果表明，在圍巖處于穩(wěn)定級別時，隧道原位擴容方式對圍巖變形影響較??；張斌等[2]采用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，探測不良地質(zhì)區(qū)域，采用鉆孔驗證和鉆孔釋壓，解決了隧道擴容過程中的涌水問題，為其他工程實踐提供了一定參考；陳楓等[3]基于某隧道原位擴容工程，根據(jù)圍巖穩(wěn)定等級設(shè)計了相應(yīng)的開挖方案，提出了一種高效安全的小凈距隧道原位擴容施工方法；歐陽垂禮[4]分別對分部臺階法和上下臺階法兩種擴容施工方法進行了數(shù)值模擬，對比分析了兩種方法下圍巖應(yīng)力及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)果表明，上下臺階法更滿足隧道結(jié)構(gòu)安全要求，且施工效率更高；吳超凡[5]基于某雙連拱隧道原位擴容工程實例，評估了隧道擴容施工過程中的安全風(fēng)險等級，并提出相應(yīng)控制措施，保障了施工安全；賴勇等[6]針對變形CRD法、層層剝皮法和三臺階法三種擴容方式進行數(shù)值模擬，對比分析了其圍巖穩(wěn)定性變化，結(jié)果表明，三種開挖方法對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響并無較大差異。

文章以浙江省麗水市塔下隧道原位擴容為工程背景，對其進行了數(shù)值模擬，并對該隧道擴容后的穩(wěn)定性進行了分析，驗證了其擴容方式的合理性，研究結(jié)果可為類似工程實例提供參考。

1 塔下隧道工程概況

塔下隧道位于浙江省麗水市盆地東南部，地貌分區(qū)屬浙南中山區(qū)，屬低山坡麓地貌單元。隧道沿線地面標(biāo)高介于47～115m，最大高差約68.0m。山坡自然坡角多介于20～40°，局部達60～70°。山坡有松樹、喬木等生長，植物層下多為殘坡積土及強風(fēng)化巖，基巖出露較多。隧道穿越低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，隧道沿線地表水主要為雨季降水，地表徑流條件較好，多數(shù)以地表徑流的形式從溝谷中流到附近的平原水系中，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，地表水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均有微腐蝕，環(huán)境作用等級為T3。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 基本計算假定

數(shù)值模擬的分析過程是建立在一定假設(shè)條件下的。在基于假設(shè)條件的前提下，才能進行下一步的計算分析工作。具體假設(shè)條件如下：（1）假定圍巖為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；（2）假定巖體中的隧道可以簡化為具有一定深度的無限體中孔洞問題；（3）僅將巖體的自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力時，不考慮巖體的構(gòu)造應(yīng)力等其他應(yīng)力。

2.2 模型的建立

在進行理論計算時，一般認為隧道在一個無限延伸的空間內(nèi)。但是在建立數(shù)值模擬時，是無法模擬這種無限延伸的空間的，任何模型都必須有一個邊界。為了避免邊界對模擬結(jié)果的影響，需將邊界設(shè)立在距離隧道足夠遠的地方，并在邊界上設(shè)置一定的應(yīng)力，以模擬隧道的受力狀態(tài)[7]。

文章的計算模型如圖1所示。根據(jù)塔下隧道實際工況，模型的尺寸為橫向尺寸，隧道寬度取16m，下邊界距隧道中心8m，模型左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界為地表自由面。

圖1 計算模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及對比分析

（1）圍巖位移特征。塔下隧道擴容所采用的方式為單側(cè)擴容。因此，文章在建立的數(shù)值模擬計算模型上采取了同樣的擴容方式和現(xiàn)場支護方式進行模擬分析。在對圍巖位移的變形特征進行分析時，根據(jù)塔下隧道擴容實際支護情況，模擬了開挖后不進行支護、及時支護和滯后支護的隧道圍巖位移特征。圍巖位移如圖2所示。

圖2 圍巖位移云圖

從圖2中可以看出，原有隧道在擴挖時，隧道頂、底部分別有明顯下沉和鼓起，圍巖穩(wěn)定性顯著降低。在隧道擴容開挖后，隧道四周圍巖位移相對較大，表明隧道四周的圍巖已經(jīng)遭到了很大程度的破壞，已經(jīng)失去了原有的承載能力。在垂直方向上，擴建隧道的拱頂部位移最大，且最大位置與原拱頂位置重合；在水平方向上，隧道擴挖側(cè)的水平位移最大，最大水平位移同樣出現(xiàn)在原隧道發(fā)生位移的最大位置，這是由于原隧道在修建時，圍巖已經(jīng)遭到了損傷和破壞，在隧道擴容施工過程中，對圍巖造成了二次擾動，圍巖性質(zhì)急劇降低，導(dǎo)致發(fā)生較大的位移。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，與滯后支護相比，在及時進行支護后，圍巖位移與應(yīng)力特征有了很大改善，這一結(jié)果與塔下隧道采用的及時支護的支護效果較為符合。在原位擴建隧道施工時，在原隧道施工已造成的圍巖擾動的范圍內(nèi)，特別是對于已失去塑性的圍巖，應(yīng)加強施工措施，保證施工的安全。

（2）圍巖應(yīng)力特征。根據(jù)塔下隧道擴容實際支護情況，模擬了開挖后不進行支護、及時支護和滯后支護的隧道應(yīng)力特征。圍巖應(yīng)力如圖3所示。

圖3 圍巖應(yīng)力云圖

從圖3中可以看出，從所受的最大主應(yīng)力云圖來看，壓應(yīng)力最小的位置位于隧道拱頂處，從拱頂?shù)絻蛇呥厜Φ姆秶鷥?nèi)，壓應(yīng)力逐漸增大。在拱腳外側(cè)區(qū)域，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。從應(yīng)力分布方向來看，隧道圍巖水平方向最大拉應(yīng)力分布在拱頂處，最大壓應(yīng)力分布在拱腳處。豎直方向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳外側(cè)上方，豎直方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處。因此在隧道施工過程中，應(yīng)特別關(guān)注拱頂和拱腳的應(yīng)力狀態(tài)，并采取必要的支護措施加強這兩處的支護。

（3）隧道襯砌應(yīng)力特征。根據(jù)塔下隧道擴容實際支護情況，模擬了開挖后及時支護初次襯砌、二次襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征以及滯后支護襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征。襯砌應(yīng)力如圖4所示。

圖4 襯砌應(yīng)力云圖

從圖4中可以看出，隧道襯砌結(jié)構(gòu)明顯承受了來自圍巖的應(yīng)力，且不同位置的應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，這表明襯砌結(jié)構(gòu)在維持圍巖穩(wěn)定性方面起到了積極作用。在襯砌結(jié)構(gòu)中，水平方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，豎直方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，說明隧道在擴容后，來自頂部的圍巖壓力要遠大于隧道兩側(cè)方向的圍巖壓力。此外，水平應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱腰位置，豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱部位置；水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力均出現(xiàn)在原隧道上方位置，說明此處圍巖應(yīng)力較大。在擴容隧道的使用過程中，應(yīng)定時監(jiān)測隧道拱頂及拱腰的壓力變化，防止隧道發(fā)生垮塌。

3 結(jié)論

（1）隧道擴挖后，圍巖在隧道拱頂產(chǎn)生下沉，而在隧道底部上拱。在進行擴建隧道時，只進行起拱線以上的擴挖，而原路面及原仰拱部分不進行擴挖有利于保持圍巖的穩(wěn)定。

（2）從應(yīng)力分布方向來看，隧道圍巖水平方向最大拉應(yīng)力分布在拱頂處，最大壓應(yīng)力分布在拱腳處。豎直方向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳外側(cè)上方，豎直方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處。針對拱頂和拱腳位置，有必要采取局部加強支護措施。

（3）隧道襯砌結(jié)構(gòu)中水平方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，豎直方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力；水平應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱腰位置，豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱部位置（都為原隧道上方位置）。在擴容隧道中應(yīng)定時監(jiān)測隧道拱頂及拱腰的壓力變化并做好預(yù)警。