黃黎明 周維政 賈艷領(lǐng)

（1.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心，廣西南寧 530007；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530007）

0 引言

交通量日益增大，一些早年間修建的公路隧道已無法滿足運(yùn)力需求，為了提高原有公路的行車技術(shù)指標(biāo)以適應(yīng)當(dāng)今交通運(yùn)輸發(fā)展要求，原位擴(kuò)建隧道應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。原位擴(kuò)建隧道與新建隧道區(qū)別較大，前者需要拆除既有隧道結(jié)構(gòu)，再擴(kuò)挖隧道斷面，從而打破了圍巖原有的平衡狀態(tài)[3]，使得擴(kuò)挖過程中圍巖受力復(fù)雜。原位擴(kuò)建隧道的既有襯砌的拆除、擴(kuò)挖方法和臨時支護(hù)對圍巖的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全影響較大，如若拆除不當(dāng)或支護(hù)不及時，極易誘發(fā)圍巖出現(xiàn)較大變形，嚴(yán)重威脅施工安全[4]。高 干等[5]根據(jù)原位擴(kuò)建隧道與既有隧道的相對位置，將其分為了三種類型：單側(cè)擴(kuò)挖、兩側(cè)擴(kuò)挖與四周擴(kuò)挖。單側(cè)擴(kuò)挖是指對既有隧道的一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)挖；而兩側(cè)擴(kuò)挖指對既有隧道的左右兩側(cè)同時進(jìn)行擴(kuò)挖；四周擴(kuò)挖，即原隧道在擴(kuò)建隧道的內(nèi)部，通過擴(kuò)挖既有隧道的四周形成新的隧道斷面。屈希峰等[6]、林從謀等[7-8]、楊利福等[9]、余順等[10]基于有限元或離散元理論優(yōu)化了在單側(cè)擴(kuò)挖下的施工方案或支護(hù)參數(shù)等；鐘元慶[11]、朱根橋等[12]借助數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測研究了隧道擴(kuò)挖對鄰近構(gòu)筑物產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)階段原位擴(kuò)建隧道的研究成果主要集中在研究單側(cè)擴(kuò)挖下隧道施工工法比選與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，或是有關(guān)隧道擴(kuò)挖對既有構(gòu)造物產(chǎn)生的影響方面。

由于我國在兩車道隧道基礎(chǔ)上四周擴(kuò)挖成四車道的工程實(shí)踐少，圍巖擾動次數(shù)更多的四周擴(kuò)挖型擴(kuò)建隧道的研究也相對不足[13]，四周擴(kuò)挖施工風(fēng)險(xiǎn)較大。本文依托四周擴(kuò)挖型原位擴(kuò)建隧道工程，基于有限元軟件對施工階段進(jìn)行動態(tài)模擬，揭示了在四周擴(kuò)挖下隧道軟弱圍巖的位移變形規(guī)律、應(yīng)力分布情況及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，探索了四周擴(kuò)挖型原位擴(kuò)建隧道淺埋段軟弱圍巖的變形控制方法，以期為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

該隧道位于臺州市境內(nèi)，隧道左洞長508 m，右洞長487 m，既有隧道為雙洞雙向四車道隧道，擬原位擴(kuò)建為雙洞雙向八車道的一級公路隧道，設(shè)計(jì)時速80 km/h，最大開挖寬度20.09 m，高度13.68 m，開挖斷面面積229 m2，斷面矢跨比0.426，高跨比0.64，采用新奧法原理設(shè)計(jì)與施工。淺埋段地層巖性主要為含碎石粉質(zhì)黏土、含黏性土碎石及全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，受斷層影響，巖體極破碎，風(fēng)化極強(qiáng)，含少量水，穩(wěn)定性極差，圍巖等級為Ⅴ級。由于受地形與路線整體平縱線形制約，該工程的擴(kuò)建方式采用四周擴(kuò)挖型，其中原位擴(kuò)建隧道與既有隧道的內(nèi)輪廓相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 原位擴(kuò)建隧道與既有隧道的內(nèi)輪廓相對位置關(guān)系圖（單位：cm)

隧道開挖前，首先需要對既有隧道下半斷面回填壓實(shí)，為臨時支撐提供支點(diǎn)。為了避免變形過大引起塌方或者初期支護(hù)大變形，該原位擴(kuò)建工程采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑配合超前大管棚及小導(dǎo)管施工開挖，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 支護(hù)參數(shù)選取表

工程采用的是基于雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖的四周原位擴(kuò)挖工法，施工時先開挖中導(dǎo)洞上臺階，上臺階開挖長度不大于5 m，中臺階距上臺階不大于5 m，以便于側(cè)壁臨時支撐及時閉合，左導(dǎo)洞上臺階距中導(dǎo)洞中臺階長度不大于10 m，上臺階長度不大于5 m，下臺階距離上臺階不超過5 m；右側(cè)導(dǎo)洞上臺階開挖面距離左導(dǎo)洞下臺階不大于10 m，下臺階距離上臺階不超過5 m。導(dǎo)洞全部開挖完成后根據(jù)初支穩(wěn)定情況拆除臨時支撐，臨時支撐拆除時需充分發(fā)揮空間效應(yīng)，臨時支撐分段拆除長度不得大于15 m，圖2為洞口段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法導(dǎo)洞設(shè)計(jì)圖。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法導(dǎo)洞設(shè)計(jì)圖

2 數(shù)值模擬分析

借助有限元軟件對該擴(kuò)挖工程建立地層結(jié)構(gòu)二維計(jì)算模型，選取進(jìn)洞淺埋段為研究對象，分析四周擴(kuò)挖型原位擴(kuò)建隧道施工中的軟弱圍巖變形時空演變規(guī)律，其中模型左右與下部各取四倍隧道跨徑區(qū)域作為模型計(jì)算范圍，合計(jì)單元數(shù)43222個，計(jì)算模型如圖3、圖4所示。假定圍巖服從莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，支護(hù)結(jié)構(gòu)假定為各向同性材料，選用彈性本構(gòu)；由于研究對象為淺埋段，且地層破碎，故不考慮地層構(gòu)造應(yīng)力；初期支護(hù)及二次襯砌采用梁單元模擬；對于管棚與小導(dǎo)管通過提高地層的強(qiáng)度參數(shù)形成加固圈來替代；錨桿采用植入桁架單元模擬，在V級圍巖中，將初期支護(hù)以及二次襯砌的釋放荷載承擔(dān)比分別設(shè)定為40%與60%[14]；在數(shù)值模擬中設(shè)置了不同的施工階段，以研究隧道原位擴(kuò)挖下圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及時空演變規(guī)律，施工階段過程模擬見圖5。各階段分別表示：（1）初始狀態(tài)；（2）洞內(nèi)回填土石；（3）-（5）開挖上臺階；（6）-（8）開挖下臺階；（9）施工二襯。從勘察設(shè)計(jì)文件與實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)中獲取模型參數(shù)如表2所示。

表2 模型計(jì)算參數(shù)選取表

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖

圖4 隧道局部網(wǎng)格圖

圖5 數(shù)值計(jì)算中施工階段的模擬過程

3 圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及時空演變規(guī)律

3.1 軟弱圍巖的位移與應(yīng)力情況

通過對開挖與支護(hù)階段的施工力學(xué)行為動態(tài)模擬，得到隧道四周擴(kuò)挖下周邊圍巖的位移情況（見圖6），由圖6可分析得：隧道開挖上臺階后，及時施做了上臺階的豎向臨時支撐與初期支護(hù)，隧道拱頂與拱肩處并未出現(xiàn)較大變形，開挖土體導(dǎo)致了圍巖應(yīng)力釋放，上臺階底部出現(xiàn)了部分土體隆起的現(xiàn)象，最大值達(dá)到53.7 mm；開挖完下臺階，并隨之跟上下臺階的臨時支撐與初期支護(hù)，此時隧道周邊圍巖亦未出現(xiàn)較大變形，洞內(nèi)豎向臨時支撐在抑制洞內(nèi)軟弱圍巖松動圈變形方面發(fā)揮了顯著的作用；在拆除洞內(nèi)臨時支撐并施做二襯時，隧道洞頂位置累計(jì)出現(xiàn)了23.8 mm的沉降，洞頂沉降值仍在允許范圍內(nèi)。分析整個開挖支護(hù)的動態(tài)施工過程，結(jié)果表明采取分步開挖并輔以高強(qiáng)度的臨時支撐能夠較好地控制原位擴(kuò)挖隧道軟弱圍巖變形。

圖6 各施工階段中的圍巖變形情況

隧道工程的四周擴(kuò)挖在施工過程中，由于其不同于常規(guī)新建隧道，圍巖在受到多次擾動后，其應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜，借助有限元軟件模擬整個擴(kuò)挖過程，由圖7-圖9可得：開挖完成隧道上臺階后，隧道左右兩側(cè)拱肩遠(yuǎn)離中間臨時支撐位置出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，最大值達(dá)到28.5 kPa，與之形成鮮明對比的是臨時支撐與拱頂相接位置并未出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，表明在隧道原位擴(kuò)挖過程中臨時支撐分擔(dān)了的圍巖釋放的部分應(yīng)力，其對改善軟弱圍巖松動圈的應(yīng)力狀態(tài)效果較為明顯；由于豎向臨時支撐施做與初期支護(hù)的成環(huán)，開挖完下臺階后，拉應(yīng)力亦分布在拱肩兩側(cè)，拱頂拱腰及仰拱位置拉應(yīng)力較小。支護(hù)結(jié)構(gòu)施做完畢后，檢查隧道圍巖的塑性應(yīng)變發(fā)展范圍，由于拆除既有襯砌對隧道圍巖擾動較大，在隧道拱肩與兩側(cè)拱腳處出現(xiàn)了一定范圍的塑性應(yīng)變，因此在隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)拱肩處的管棚與拱腳處的鎖腳錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，以提高圍巖穩(wěn)定性。

圖7 施工階段拉應(yīng)力云圖

圖8 拉應(yīng)力云圖

圖9 塑性應(yīng)變云圖

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征

由以上分析可知，在隧道原位擴(kuò)挖過程中的臨時支撐與初期支護(hù)在控制圍巖變形與改善周邊圍巖應(yīng)力狀態(tài)方面作用顯著，通過提取初期支護(hù)與臨時支撐的內(nèi)力圖（圖10-圖12），可知初期支護(hù)與臨時支撐以受壓為主，其中豎向臨時支撐與初期支護(hù)拱腳及邊墻位置所受軸向壓力相對較大，最大值達(dá)到946 kN，在拱肩位置初期支護(hù)出現(xiàn)了受拉區(qū)域，不過所受拉力較小，最大值為193 kN；彎矩的最大值亦出現(xiàn)在拱肩附近，尤以右側(cè)拱肩處為甚，最大值達(dá)到714 kN·m，臨時支撐所受彎矩值相對較小，但其與初期支護(hù)連接處及初期支護(hù)拱腳位置存在較大負(fù)彎矩，最大值達(dá)到649 kN·m；最大剪力出現(xiàn)位置亦集中在臨時支撐與初期支護(hù)連接處，最大剪力為475 kN，其余部分未出現(xiàn)較大剪力。分析初期支護(hù)與臨時支撐的受力狀態(tài)，結(jié)果表明初期支護(hù)的左右兩側(cè)拱肩與拱腳處、初期支護(hù)與豎向臨時支撐連接處為受力相對不利位置，因此在施工拱肩與拱腳時應(yīng)多加關(guān)注圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形位移情況，在初期支護(hù)與豎向臨時支撐連接處應(yīng)設(shè)置墊板以改善連接處應(yīng)力集中情況。

圖10 軸力圖

圖11 彎矩圖

圖12 剪力圖

通過提取初期支護(hù)與臨時支撐的軸向應(yīng)力，分析初期支護(hù)與臨時支撐的應(yīng)力分布情況，其中正值為受拉，負(fù)值為受壓（見表3）。

通過分析表3可得：開挖與支護(hù)過程中，拱頂、拱腳、仰拱與臨時支撐都處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為8.7 MPa，初期支護(hù)左右拱肩位置受拉應(yīng)力作用，其中最大拉應(yīng)力為0.54 MPa，均小于C25噴混與型鋼的屈服強(qiáng)度，符合安全性要求。

表3 初期支護(hù)與臨時支撐軸向應(yīng)力 MPa

基于對施工過程的動態(tài)模擬，得出了支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同施工階段的應(yīng)力情況（見表4），其中臨時支撐的作用顯著，在整個施工過程中受力較大，尤其在開挖下臺階后最大壓應(yīng)力達(dá)到了8.7 MPa，初期支護(hù)在拆除臨時支撐后應(yīng)力增長迅速，尤其在右側(cè)拱腳位置，最大壓應(yīng)力達(dá)到了2.4 MPa，二襯施作后，由于拆除臨時支撐所產(chǎn)生的時間效應(yīng)，初期支護(hù)應(yīng)力持續(xù)增長，右側(cè)拱腳達(dá)到了2.8 MPa，二襯亦承擔(dān)了重要作用，其中左側(cè)拱腳最大壓應(yīng)力達(dá)到了1.8 MPa。

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)不同利階段軸向應(yīng)力 MPa

通過分析支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同施工階段的應(yīng)力情況，可得出：豎向臨時支撐在開挖上臺階與下臺階過程中一直承擔(dān)著較大的壓應(yīng)力，對控制圍巖的變形發(fā)揮著顯著作用，但仍需多關(guān)注初期支護(hù)與豎向臨時支撐連接位置，通過設(shè)置墊板或其他方式以改善連接處應(yīng)力集中情況；在拆除豎向臨時支撐后，初期支護(hù)中壓應(yīng)力增長迅速，此階段為整個施工過程中的最不利階段，因此在初期支護(hù)施工過程中，應(yīng)盡早閉合初期支護(hù)，鋼架和圍巖之間有間隙時使用楔塊楔緊，以確保鋼架與圍巖緊密接觸和均衡受力，使其盡早發(fā)揮作用。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計(jì)算對比分析

通過提取施工最終階段的初期支護(hù)位移云圖（見圖13、圖14），與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比可得：拱頂下沉最終監(jiān)測值為25.47 mm，數(shù)值計(jì)算最終結(jié)果為22.1 mm，周邊收斂最終監(jiān)測為14.4 mm，數(shù)值計(jì)算最終結(jié)果為10.2 mm；由于施工開挖推進(jìn)時間較長與施工震動等原因，現(xiàn)場監(jiān)測值略大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，但差異較小。結(jié)果表明數(shù)值計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果基本一致，本次數(shù)值計(jì)算較為準(zhǔn)確地完成了四周擴(kuò)挖型擴(kuò)建隧道施工力學(xué)行為動態(tài)模擬。

圖13 初期支護(hù)水平位移云圖

圖14 初期支護(hù)豎向位移云圖

將整個施工過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比（見圖15、圖16），由圖中可知監(jiān)測與數(shù)值計(jì)算得到的圍巖松動圈的變形發(fā)展規(guī)律大致相同。通過現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該工程選用的開挖工法與支護(hù)參數(shù)對控制隧道軟弱圍巖變形效果顯著。該原位擴(kuò)建工程施工中所用工法成功限制了軟弱圍巖的變形，順利地完成了隧道原位擴(kuò)建施工。目前，該隧道已建成通車且運(yùn)營狀況良好，隧道現(xiàn)場開挖施工與運(yùn)營分別見圖17、圖18。該四周擴(kuò)挖型的隧道原位擴(kuò)建工程的成功經(jīng)驗(yàn)具有較強(qiáng)參考價值，可以應(yīng)用于其他類似工程。

圖15 隧道拱頂沉降監(jiān)測值與數(shù)值解對比

圖16 隧道周邊收斂監(jiān)測值與數(shù)值解對比

圖17 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工圖

圖18 運(yùn)營中的擴(kuò)建隧道

5 結(jié)論

通過有限元軟件模擬了四周擴(kuò)挖型原位擴(kuò)建隧道的動態(tài)施工過程，探索了四周擴(kuò)挖型原位擴(kuò)建隧道淺埋段軟弱圍巖的變形控制方法，得出以下結(jié)論：

（1）通過分析整個開挖支護(hù)動態(tài)施工過程，表明采取分步開挖并輔以及時的臨時支撐能夠較好地控制四周擴(kuò)挖型原位擴(kuò)建隧道的軟弱圍巖變形。

（2）拆除既有襯砌對隧道圍巖擾動較大，在隧道拱肩與兩側(cè)拱腳處會產(chǎn)生一定范圍的塑性變形，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)拱肩處的管棚與拱腳處的鎖腳錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)，以提高圍巖穩(wěn)定性從而保證施工質(zhì)量。

（3）通過分析初期支護(hù)與臨時支撐的受力狀態(tài)，表明初期支護(hù)的左右兩側(cè)拱肩與拱腳處、初期支護(hù)與豎向臨時支撐連接處為受力相對薄弱位置，因此在施工拱肩與拱腳時應(yīng)多加關(guān)注圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形位移情況。