作者簡介：楊 ?。?990—），工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計工作。

摘要：文章以某山嶺公路隧道為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法研究隧道擴(kuò)挖的穩(wěn)定性，并重點(diǎn)對相關(guān)支護(hù)參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果曲線吻合度較高，且在隧道擴(kuò)挖穩(wěn)定之后二者曲線基本趨于重合，說明了該數(shù)值模擬方法的正確性；通過增大錨桿長度和減小錨桿縱向間距可以減小單根錨桿所承受的最大軸向拉力，減小擴(kuò)挖隧道的變形，從而增大隧道穩(wěn)定性；增大噴射混凝土厚度可以減小擴(kuò)挖隧道的變形，增大隧道穩(wěn)定性；建議該工程錨桿長度、環(huán)向間距、噴射混凝土厚度分別優(yōu)化為3.5 m、1.0 m和25 cm。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道；擴(kuò)挖工程；支護(hù)參數(shù)；數(shù)值模擬

中圖分類號：U457⁺.6

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，越來越多的老舊山嶺隧道已經(jīng)不能滿足通行的需求，需要進(jìn)行擴(kuò)挖改建工程，在擴(kuò)挖過程中保持隧道整體安全穩(wěn)定以及合理優(yōu)化隧道擴(kuò)挖支護(hù)參數(shù)都是至關(guān)重要的。國內(nèi)學(xué)者對隧道擴(kuò)挖工程已有了相關(guān)研究：王培、胡秋芳^[1-2]對隧道改擴(kuò)建的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了隧道擴(kuò)挖質(zhì)量和安全控制的方法；歐予月^[3]以某隧道擴(kuò)建為研究對象，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，CD法開挖具有工期長、工序復(fù)雜和穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)；向武松^[4]采用數(shù)值模擬軟件對某隧道擴(kuò)挖進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明臺階法優(yōu)于全斷面法，且開挖支護(hù)初期拱腰、拱腳和拱底安全性較差；倪迪、蔡云澤等^[5-6]以某隧道擴(kuò)挖為研究背景，采用數(shù)值模擬軟件對臺階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明該隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑擴(kuò)挖方法更為合理。本文以山區(qū)隧道擴(kuò)挖工程為分析案例，基于有限元軟件模擬的方法研究了山區(qū)隧道擴(kuò)挖中的穩(wěn)定性，并重點(diǎn)對相關(guān)支護(hù)參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了探討，研究結(jié)論可為隧道擴(kuò)挖工程提供參考。

1 工程概況

我國西部地區(qū)某馬蹄形隧道全長約97.60 m，山坡自然坡度為9°～17°，隧道圍巖主要以Ⅳ級圍巖為主，整體穩(wěn)定性較差。既有隧道的埋深在18～32 m，最大凈寬和凈高分別為7.8 m和3.9 m。因既有隧道凈空尺寸已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要，需要進(jìn)行擴(kuò)挖改建，擴(kuò)挖后隧道斷面的最大凈寬和凈高分別為9.2 m和5.0 m。擴(kuò)挖隧道采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿設(shè)計長度為4.0 m，直徑為22 mm，環(huán)向間距為0.8 m。鋼支撐和鋼筋網(wǎng)分別Ⅰ22a和?8 mm光圓鋼筋，噴射混凝土厚度取30 cm，強(qiáng)度等級取C30。

2 數(shù)值建模

數(shù)值模擬因其具有強(qiáng)大的模擬能力，在工程中得到廣泛應(yīng)用。利用有限元軟件Midas GTS進(jìn)行建模分析，圖1所示為隧道模型圖。已知擴(kuò)挖前隧道的最大凈高和凈寬為3.9 m和7.8 m，隧道擴(kuò)挖之后的最大凈高和凈寬分別為5.0 m和9.2 m。為了提高計算速度同時保證模型的可靠性，隧道數(shù)值模型長、寬和高依次取120 m、50 m和100 m。在模擬過程中，模型整體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，并將隧道上部邊界設(shè)置為自由面，其余邊界設(shè)置為位移和邊界約束。擴(kuò)挖隧道的支護(hù)形式為“鋼筋網(wǎng)+鋼拱架+噴射混凝土+錨桿”，其中初支噴漿厚度為30 cm，強(qiáng)度等級取C30，錨桿直徑為22mm，長度為4.0 m。為了簡化計算，將鋼筋網(wǎng)和鋼拱架支護(hù)的彈性模量折算到混凝土上面。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果驗證分析

在經(jīng)過長年的正常營運(yùn)后，既有隧道變形基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖2（a）所示。在隧道擴(kuò)挖之前，需要對既有隧道進(jìn)行位移清零，之后在隧道擴(kuò)挖過程中同時施做錨桿和噴射混凝土。圖2（b）給出了擴(kuò)挖之后的隧道豎向位移云圖，由圖可知，隧道最大沉降發(fā)生在拱頂處，最大隆起發(fā)生在拱底處。

為了驗證數(shù)值模型的可行性與建模過程中的正確性，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到了隧道擴(kuò)挖之后的隧道拱頂沉降和周邊收斂位移，如圖3所示。由圖可知，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果曲線吻合度較高，且在隧道擴(kuò)挖穩(wěn)定之后二者曲線基本趨于重合，說明了本文數(shù)值模擬方法的正確性。

3.2 參數(shù)影響分析

為了對隧道擴(kuò)挖的相關(guān)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，本節(jié)主要對錨桿長度、錨桿環(huán)向間距以及噴射混凝土厚度變化影響規(guī)律進(jìn)行分析。

3.2.1 錨桿長度及環(huán)向間距

取錨桿長度為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m和4.0 m，錨桿環(huán)向間距D為0.8 m、1.0 m和1.2 m進(jìn)行分析，如下頁圖4所示，給出了隧道拱頂沉降和周邊收斂位移隨錨桿長度變化曲線。由圖4（a）可知，隨著錨桿長度的增大，隧道拱頂沉降逐漸減小，且拱頂沉降減小趨勢逐漸減緩，對于相同錨桿長度時，錨桿環(huán)向間距越小，隧道的拱頂沉降越小。由圖4（b）可知，隨著錨桿長度的增大，隧道周邊收斂位移逐漸減小，且周邊收斂位移減小趨勢逐漸減緩，對于相同錨桿長度時，錨桿環(huán)向間距越小，隧道的周邊收斂位移越小。

綜上可知，通過增大錨桿長度和減小錨桿環(huán)向間距可以減小擴(kuò)挖隧道的變形，從而提高隧道穩(wěn)定性，從節(jié)約成本和降低施工難度出發(fā)，推薦在工程中采用3.5 m錨桿。

圖5展示了錨桿長度和環(huán)向間距變化對錨桿最大軸力的影響曲線。由圖可知，隨著錨桿長度的增大，錨桿最大軸力減小，且對于相同錨桿長度時，錨桿環(huán)向間距越小，錨桿軸力越小，說明通過增大錨桿長度和減小錨桿縱向間距可以減小單根錨桿所承受的最大軸向拉力。工程中從節(jié)約成本和縮短工期角度出發(fā)，推薦采用1.0 m錨桿環(huán)向間距。

3.2.2 噴射混凝土厚度

取噴射混凝土厚度為10 cm、15 cm、20 cm、25 cm和30 cm進(jìn)行分析，如圖7所示，給出了隧道拱頂沉降和周邊收斂位移隨噴射混凝土厚度變化曲線。由圖6（a）可知，隨著噴射混凝土厚度的增大，隧道拱頂沉降逐漸減小，相比于噴射混凝土厚度為10 cm時，噴射混凝土厚度取15 cm、20 cm、25 cm和30 cm時的隧道拱頂沉降分別減小了9.6%、17.0%、20.5%和23.0%。由圖6（b）可知，隨著噴射混凝土厚度的增大，隧道周邊收斂位移也逐漸減小，相比于噴射混凝土厚度為10 cm時，噴射混凝土厚度取15 cm、20 cm、25 cm和30 cm時的隧道周邊收斂位移分別減小了6.3%、11.2%、13.4%和14.7%。

綜上可知，通過增大噴射混凝土厚度可以減小擴(kuò)挖隧道的變形，從而提升隧道穩(wěn)定性。工程中從節(jié)約成本和降低施工難度出發(fā)，推薦采用噴射混凝土厚度為25 cm。

4 結(jié)語

本文以山區(qū)隧道擴(kuò)挖工程為分析案例，基于有限元軟件模擬的方法研究了山區(qū)隧道擴(kuò)挖中的穩(wěn)定性，并重點(diǎn)對相關(guān)支護(hù)參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了探討分析，得到如下結(jié)論：

（1）將現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)曲線吻合度很高，且在隧道擴(kuò)挖穩(wěn)定之后二者曲線基本趨于重合，說明了本文數(shù)值模擬方法的正確性。

（2）通過增大錨桿長度和減小錨桿縱向間距可以減小單根錨桿所承受的最大軸向拉力，減小擴(kuò)挖隧道的變形，從而提升隧道穩(wěn)定性。

（3）通過增大噴射混凝土厚度可以減小擴(kuò)挖隧道的變形，從而提升隧道穩(wěn)定性。

（4）針對該工程，建議錨桿長度、環(huán)向間距、噴射混凝土厚度分別優(yōu)化為3.5 m、1.0 m和25 cm。

參考文獻(xiàn)：

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