張在晨，董 藝，李家盛，沈雅雯，杜子文

（中國建筑第四工程局有限公司 廣州510665）

0 引言

近年來，城郊、城際之間互聯(lián)互通的需求增長迅猛，致使20 世紀80、90 年代以兩車道為主的隧道工程已無法滿足通行需求。受限于既有線路線型及地形地質條件，且在統(tǒng)籌考慮節(jié)約造價、縮短工期等因素后，對既有隧道進行改擴建越來越受到國內外工程界的青睞。隧道原位擴挖一般可分為單側、兩側和周邊擴挖等3 種方式［1］。目前最為常見的是單側擴挖，如渝洲隧道［2］、金雞山隧道［3］等。

較之于新建隧道，單側擴挖隧道既涉及既有隧道襯砌結構拆除，又需考慮土方開挖及支護結構施作等工序，不同工序間相互影響大，且施工時往往需要兼顧既有線路運營通車的需求，施工條件苛刻，確保施工過程中的圍巖穩(wěn)定難度大。而現(xiàn)有針對于隧道單側擴挖的研究主要集中在擴挖施工方案對比、現(xiàn)場監(jiān)測數據分析、圍巖變形及力學響應分析［1～5］等方面，對于隧道擴挖安全性進行分析及定量評價則鮮有提及。因此，本文依托于國內典型的某隧道原位2擴4隧道工程實踐，結合強度折減法針對不同支護條件下各施工工序的安全性進行分析，基于計算結果找出隧道擴挖施工的關鍵控制工序，以便更好地指導現(xiàn)場施工。

1 工程概況

廈門某隧道是國內第一條由既有2車道隧道原位擴挖為4 車道的超大跨徑隧道［5］，隧道扁平率0.626，V 級圍巖段開挖跨度達22 m，隧道斷面最大開挖面積約250 m2，其隧道洞室群布置如圖1 所示。目前已完成改擴建施工并已通車數年，運營情況良好。更為詳細的工程概況已見諸于多篇文獻［5-6］，本文不再贅述。

圖1 某隧道平面布置Fig.1 Plane Layout of a Tunnel（m）

由于隧道擴建后跨度極大、各工序施工時支護結構受力機理復雜，極易導致掌子面及周邊圍巖失穩(wěn)、襯砌開裂等不良情況。在實際施工過程中，該隧道軟弱圍巖段主要采用了CD工法進行施工，主要分為4個主要工序（左上導坑→左下導坑→右上導坑→右下導坑）進行擴挖。以擴挖隧道V 級圍巖段為例，其主要開挖工序如圖2所示。

圖2 Ⅴ級圍巖開挖工序Fig.2 The Excavation Procedures of Grade ⅤSurrounding Rock

2 數值模型與正確性驗證

取該隧道的ZK459+605 典型斷面為研究對象，建立二維數值計算模型。為便于研究隧道擴挖在不同條件下的適用性，建立數值模型時不考慮既有左側隧道，僅建立2 擴4 隧道。為減小邊界效應對于分析計算結果的不利影響，模型在隧道開挖范圍外進行一定的延伸，建立的整體有限元計算模型尺寸為120 m×70 m（X×Y）。模型左、右側施加水平位移約束，底部施加水平及豎向位移約束。錨桿、噴混及臨時支撐均按彈性本構考慮。其中，錨桿采用桁架單元模擬，截面為φ 25 mm，布置間距為0.7 m；噴混采用梁單元模擬，厚度為350 mm；圍巖按摩爾-庫倫彈塑性本構考慮，以平面應變單元模擬。結合文獻及規(guī)范的參數建議值，擬定圍巖及支護結構材料參數如表1所示，建立的數值模型如圖3所示。

表1 圍巖物理力學計算參數Tab.1 The Mechanics Parameters of Surrounding Rock and Primary Lining

圖3 有限元模型示意圖Fig.3 Schematic Diagram of FEM Model

施工階段的模擬按“單元生死”方式對隧道擴挖實際施工過程進行模型概化，對應的主要模擬工序為：①初始應力場分析；②既有隧道施工（反映既有隧道施工過程的應力重分布影響，并進行位移場清零）；③既有隧道上部襯砌拆除、左上導坑土方開挖，噴射混凝土及左上導坑錨桿施作；④既有隧道下部襯砌拆除、左下導坑土方開挖，噴射混凝土及左下導坑錨桿施作；⑤右上導坑土方開挖，噴射混凝土及右上導坑錨桿施作；⑥右下導坑土方開挖，噴射混凝土及右下導坑錨桿施作；⑦臨時支撐拆除。

隧道施工完成階段的豎向變形如表2所示，由表2可知：當臨時支撐拆除完成后，拱頂沉降變形的模擬結果為7.35 mm。3 個典型斷面的拱頂沉降實測歷程曲線如圖4 所示。其中，ZK459+605 斷面的最大累計沉降量為8.0 mm。

表2 各主要施工階段隧道豎向變形Tab.2 Vertical Deformation of Main Construction Stage

圖4 典型斷面拱頂沉降監(jiān)測數據Fig.4 Monitoring Data of Typical Section

由上述計算結果可知：在不考慮空間效應的情況下，數值計算模型得到的模擬值略小于實測值，其相對誤差值為9.0%。因此，采用本節(jié)所述模型作為后續(xù)安全性分析的基準是可行的。

3 基于強度折減法的隧道單側擴挖安全性分析

3.1 強度折減法及破壞判據

強度折減法最初由Zienkiewicz 提出，目前廣泛應用于國內外邊坡工程實踐中［7-8］。其計算原理是對土體的抗剪強度參數c 及tanφ 值不斷進行折減，直至圍巖達到極限破壞狀態(tài)。具體的計算公式如下：

式中：c、c'分別為初始及參數折減后的粘聚力；φ、φ '分別為初始及參數折減后的內摩擦角；R為折減系數，初始值為1.0，計算過程中需不斷進行迭代，當達到極限強度時的折減值即為對應工況的計算安全系數。

根據邊坡工程的強度折減法失穩(wěn)破壞判據［7-8］，主要可為以下3 類：①處于極限狀態(tài)下的關鍵點或特征點的位移及應力發(fā)生明顯突變；②有限元計算以位移及內力作為收斂判據，且計算最終不收斂；③產生剪切應變塑性貫通區(qū)。在隧道工程中，塑性區(qū)貫通并非意味著襯砌結構的破壞，其與常規(guī)邊坡工程破壞形式不盡相同，且計算中仍需結合位移及應力結果，故應綜合考慮上述3 類判據［9］。因此，在本節(jié)數值計算過程中，以判據②作為計算前的依據，以計算后得到的位移、應力及塑性區(qū)結果作為綜合判斷的標準。最后，以此結果為隧道的計算安全系數。

3.2 單側擴挖不同施工工序圍巖破壞形態(tài)對比

為便于分析不同支護條件對于隧道整體穩(wěn)定性的貢獻程度。建立無支護、僅噴混支護、噴混+臨時支撐+錨桿支護等3 種工況下的隧道模型，對單洞隧道擴挖各施工工序的圍巖破壞形態(tài)進行分析。

3.2.1 無支護條件

無支護下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖由圖5所示，表現(xiàn)出如下特點：

⑴既有隧道上部襯砌拆除及左上導坑開挖時，隧道左側圍巖剪切應變在拱腰位置處最大，逐步向上發(fā)展，整體呈環(huán)抱狀；而隧道右側由于未考慮任何支護，已由拱腰向拱頂延伸形成明顯的剪切應變貫通區(qū)（為便于識別，圖5 中采用紅色曲線標識）。既有隧道下部襯砌拆除及左下導坑開挖時，隧道左、右側圍巖剪切應變貫通區(qū)進一步擴大，由拱腳向拱頂方向延伸貫通。

⑵右上及右下導坑開挖時，隧道左側圍巖剪切應變塑性區(qū)范圍無明顯變化，隧道右側圍巖的塑性區(qū)進一步擴大。當右下導坑開挖完成時，隧道左、右側剪切應變貫通區(qū)基本呈對稱布置。

圖5 無支護下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖Fig.5 Cloud Map of Shear Failure in Different Construction Procedures of Tunnel without Support

3.2.2 不同支護條件

由僅噴射支護（見圖6）及噴混+臨時支撐+錨桿支護（見圖7）剪切破壞云圖可知：

⑴由于施加支護結構工況均考慮了荷載釋放系數的影響，故左上導坑開挖時其整體剪切破壞形式與無支護時相同，均表現(xiàn)為右側局部圍巖的剪切應變區(qū)貫通。

⑵當進行左下、右上、右下導坑施工過程中，不同支護結構對塑性區(qū)分布有明顯影響。對比圖5?及圖6?，在考慮噴混情況下拱腳塑性區(qū)分布范圍收窄，且由于右側導坑開挖面積大，對應塑性應變最大值分布于右側圍巖；對比圖6?及圖7?，當增設錨桿后，對應錨桿分布區(qū)內的剪切應變分布得到明顯控制，可見系統(tǒng)錨桿均勻分布對于卸載擾動區(qū)內的巖土體起到了較好的加固效果。

圖6 僅噴混支護下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖Fig.6 Clouds Map of Shear Failure in Different Construction Procedures of Tunnels under Only Shotcrete Support

圖7 噴混+臨支+錨桿支護下隧道不同施工工序的剪切破壞云圖Fig.7 Cloud Map of Shear Failure in Different Construction Procedures of the Tunnel under the Protection of Sprayed Concrete + Adjacent Support + Bolt Support

3.3 單側擴挖不同施工工序圍巖計算安全系數對比

對應工況計算安全系數結果如表3 所示，綜合數值分析無法考慮的現(xiàn)場不利因素，以安全系數≥1.3 為圍巖穩(wěn)定的判定條件［10］。

表3 計算安全系數對比Tab.3 Comparison of Calculated Safety Factors

綜合圖5～圖7及表3可知：

⑴隨著開挖斷面區(qū)域的增大，對應計算安全系數值呈逐步減小趨勢。采用較強的支護結構可對圍巖整體穩(wěn)定性起到一定的作用；對于Ⅴ級圍巖如不采用任何支護結構形式，則存在較大的施工安全風險。

⑵對于單側擴挖隧道而言，右上導坑施工過程安全系數降低幅度最為明顯，開挖面積較大的導坑施工是最為關鍵的施工控制工序。

⑶左上導坑開挖，由于需要考慮既有隧道結構拆除及局部土體開挖，工況轉換復雜。當有臨時支撐或其他支護時，應及時支護、盡快形成閉合環(huán)支護，以更好地限制周邊土體變形，提高整體穩(wěn)定性。當無臨時支撐或無法及時閉合成環(huán)時，尤其是土質松軟、土體抗剪強度參數較低時，極有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞。此時，應依據掌子面及周邊圍巖的實際情況，考慮目前常用的鎖腳錨桿或注漿等形式進行側向加固，對于此類局部失穩(wěn)情況能達到良好的控制。

4 結論

⑴應用強度折減法分析隧道工程圍巖穩(wěn)定性，以位移、內力作為計算前的約束條件，以計算后的位移、應力及塑性區(qū)結果作為計算后的復判條件，可較好地對隧道圍巖的安全性進行定量預估。

⑵隧道剪切破壞圖形整體呈U 型環(huán)抱狀，具體表現(xiàn)為由拱腰逐步向拱頂延伸形成剪切應變貫通區(qū)。相較于無支護工況，不同支護結構的存在對塑性分布范圍均有不同幅度的收窄。尤其是錨桿的增設可對布置范圍區(qū)內的強卸荷擾動區(qū)圍巖塑性區(qū)發(fā)展起到良好的控制。

⑶隧道圍巖計算安全系數隨著主要施工工序的進行而逐步減小。右上導坑施工工序的安全系數降低幅度最為明顯，說明大面積開挖的導坑是最為關鍵的施工安全控制步序。

⑷對于類似擴挖隧道工程軟弱圍巖段的既有隧道襯砌拆除及導坑施工，應采取剛度較大的支護形式，并盡快形成閉合支護。