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        既有單線隧道擴(kuò)建方案優(yōu)化及施工力學(xué)行為分析

        2022-09-30 02:05:02周紹文周勇狄賈艷領(lǐng)
        西部交通科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:左洞右洞導(dǎo)坑

        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(zhǎng)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(wèn)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(chǎng)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(chē)站隧道,利用理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)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(chē)站的施工方法。來(lái)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(lèi)型病害隧道擴(kuò)建過(guò)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(chē)道隧道擴(kuò)建為八車(chē)道隧道最優(yōu)的開(kāi)挖方案。劉泉聲等[7]結(jié)合依托工程,通過(guò)數(shù)值模擬分析不同開(kāi)挖方案下隧道改擴(kuò)建中圍巖的力學(xué)響應(yīng),為隧道開(kāi)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(guò)程中力學(xué)行為變化更為敏感。本文依托荊埡隧道開(kāi)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(lèi)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(guó)道桂林市陽(yáng)朔縣境內(nèi),建成于20世紀(jì)90年代,長(zhǎng)120 m,全寬9 m,為單洞雙向雙車(chē)道的二級(jí)公路隧道,是連接桂林市區(qū)與陽(yáng)朔縣的重要通道。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通量增長(zhǎng)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(yáng)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(chē)道+兩條非機(jī)動(dòng)車(chē)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(guó)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(chē)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(chē)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(yáng)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(kāi)挖寬度達(dá)34.446 m(如圖1所示),較現(xiàn)有雙向六車(chē)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(guò)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(kāi)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(kāi)挖法開(kāi)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(yè)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(yè)表2所示。隧道施工過(guò)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(guò)設(shè)置的測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)構(gòu)受力特征通過(guò)應(yīng)力云圖讀取。

        ①開(kāi)挖支護(hù)既有隧道;②修建中隔墻;③開(kāi)挖右洞上臺(tái)階;④右洞上臺(tái)階支護(hù);⑤開(kāi)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(kāi)挖左洞上臺(tái)階;⑨左洞上臺(tái)階支護(hù);⑩開(kāi)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(kāi)挖支護(hù)既有隧道;②修建中隔墻;③開(kāi)挖右洞側(cè)壁導(dǎo)坑;④右洞單側(cè)壁導(dǎo)坑支護(hù);⑤開(kāi)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(kāi)挖;⑧施作右洞二次襯砌;⑨開(kāi)挖左洞側(cè)壁導(dǎo)坑;⑩左洞單側(cè)壁導(dǎo)坑支護(hù);開(kāi)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(kāi)挖;施作左洞二次襯砌

        ①開(kāi)挖支護(hù)既有隧道;②修建中隔墻;③開(kāi)挖右洞第一層;④右洞第一層支護(hù);⑤開(kāi)挖右洞第二層;⑥右洞第二層支護(hù);⑦開(kāi)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(kāi)挖左洞第一層;左洞第一層支護(hù);開(kāi)挖左洞第二層;左洞第二層支護(hù);開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(chēng),因左右洞掌子面開(kāi)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(kāi)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_(kāi)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(kāi)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(kāi)挖法偏壓最為嚴(yán)重,但均未超過(guò)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(kāi)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(yǔ)

        (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(kāi)挖左洞引起的拱頂沉降大于右洞;受多次開(kāi)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(guò)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。

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