大斷面擴(kuò)建隧道施工初期支護(hù)受力分析

晉學(xué)輝，程崇國(guó)

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，早期修建的兩車道隧道不能滿足當(dāng)前交通量的要求。為了緩解日益增長(zhǎng)的交通壓力，需要對(duì)老隧道進(jìn)行改造或擴(kuò)建。在針對(duì)老舊隧道改造方案有2種:一種是新建隧道與原隧道一起分流交通;另一種是在原有隧道的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。

泉廈高速?gòu)B門段對(duì)原大帽山隧道改擴(kuò)建中采用了在原分離隧道中間新建一座4車道隧道和對(duì)原有右洞進(jìn)行擴(kuò)建，形成雙洞8車道隧道。對(duì)于有展線空間的地段，新建是一種可行的方案，但是對(duì)于空間不足、不具備新建條件的隧道，在原址對(duì)老舊隧道進(jìn)行擴(kuò)建的方案將成為首選。為此有必要對(duì)于原址擴(kuò)建隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于原址改擴(kuò)建隧道的研究較少:李元福［1］介紹了成昆線關(guān)村壩隧道在不中斷運(yùn)營(yíng)的條件下擴(kuò)建施工技術(shù);武建強(qiáng)［2］對(duì)于原址新建雙洞與原隧道構(gòu)成近接小凈距隧道群的施工方案和施工力學(xué)進(jìn)行了研究，為此類工程的設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù);高干，等［3］針對(duì)單側(cè)擴(kuò)建、雙側(cè)擴(kuò)建、右側(cè)小凈距擴(kuò)建以及左側(cè)小凈距擴(kuò)建4種擴(kuò)建形式，運(yùn)用有限元軟件分析了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及圍巖內(nèi)力的變化情況，得出了單側(cè)擴(kuò)建為最佳方案。筆者依托重慶市機(jī)場(chǎng)路渝州隧道改擴(kuò)建工程，通過對(duì)隧道擴(kuò)挖施工過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析地表沉降、初期支護(hù)彎矩和錨桿軸力，得出擴(kuò)挖隧道以上各項(xiàng)的受力特點(diǎn)，為工程施工提供技術(shù)保障和以后類似工程提供指導(dǎo)和參考。

1 工程概況

1.1 渝州隧道工程簡(jiǎn)介

渝州隧道是重慶市機(jī)場(chǎng)路拓寬改造工程的一部分。隧道現(xiàn)狀為雙洞4車道隧道，平面成喇叭型布置，進(jìn)口段兩隧道結(jié)構(gòu)間巖石凈距約7.8 m，出口段為15 m。隧道凈寬10 m，凈高6.7 m，圓拱直墻式素混凝土襯砌，拱厚75 cm，邊墻厚110 cm。隧道左洞起止里程樁號(hào):ZK 0+350～ZK 0+700.5，左洞全長(zhǎng)350.5 m;隧道右洞起止里程樁號(hào):ZK 0+346.5 ～ZK 0+618，右洞全長(zhǎng)271.5 m。單洞路幅分配為0.5 m(檢修道)+8.5 m(車行道)+2 m(檢修道)。隧道(進(jìn)洞)南側(cè)接回興立交，(出洞)北側(cè)接城南立交。渝州隧道改擴(kuò)建工程利用現(xiàn)狀隧道進(jìn)行改擴(kuò)建，保持現(xiàn)狀隧道平面走向及隧道間中央巖柱厚度不變分別向兩側(cè)擴(kuò)挖，形成雙洞8車道隧道。改造后隧道凈跨17.081 m，凈高8.482 m。

1.2 地形地質(zhì)概況

隧道所處線路宏觀上屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，由于人類活動(dòng)改造，大部分地段地形平緩，一般地面坡角3～5°，局部地段地形較陡，地面坡角一般10～25°，最大可達(dá)65°。擬建工程沿機(jī)場(chǎng)路前行，地勢(shì)高低起伏，場(chǎng)地內(nèi)地面標(biāo)高242～488 m，最高點(diǎn)位于里程K 9+350處，最低點(diǎn)位于K 3+935處，高差約246 m，擬建隧道洞頂巖層厚度為5～35 m。隧道走向出露的地層主要有第四系人工素填土(Q4ml)、殘坡積層粉質(zhì)黏土(Q4el+dl)，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)的沙溪廟組(J2s)、新田溝組(J2x)，巖性以砂質(zhì)泥巖與砂巖為主。根據(jù)實(shí)地地質(zhì)調(diào)繪以及鉆探揭露、聲波測(cè)試成果資料，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，基巖內(nèi)裂隙較發(fā)育，巖體較完整。隧道段為碎屑巖類孔隙裂隙水，包括風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。

2 有限元模型

2.1 有限元計(jì)算模型的建立

以渝州隧道IV級(jí)圍巖埋深為17 m的斷面進(jìn)行數(shù)值仿真分析。計(jì)算模型尺寸豎直方向取實(shí)際埋深，向下考慮取4倍的隧道開挖高度，水平方向2隧道開挖外輪廓延深70 m，隧道跨度為19.16 m，2洞之間的間距按照設(shè)計(jì)取10.8 m，模型的尺寸為67.11 m × 189.2 m(高 × 寬)，邊界上端取自由邊界，兩側(cè)約速水平方向的位移(ux)，底端約束豎直位移(uy)，有限元模型如圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格Fig.1 Net chat of FEM

圍巖和原渝州隧道的二次襯砌采用8節(jié)點(diǎn)高參平面單元模擬，新建隧道的初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧?，系統(tǒng)錨桿使用link10單元模擬，設(shè)置錨桿只承受拉力，有限元模型共計(jì)14 104個(gè)單元。計(jì)算參數(shù)的選取，按照渝州隧道勘察報(bào)告［4］和 JTG D 60—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］。其中考慮隧道初期支護(hù)是由型鋼和鋼筋網(wǎng)噴射混凝土組成統(tǒng)一整體，共同承受圍巖的壓力，計(jì)算中按照等效的原則提高混凝土的彈性模量，使用公式(1)進(jìn)行彈性模量折算，計(jì)算模型材料參數(shù)見表1。

式中:Egc為折算后的混凝土彈性模量;Ec為混凝土的彈性模量;Eg為型鋼的彈性模量;Sg為單位長(zhǎng)度范圍內(nèi)型鋼的截面積;Sc為單位長(zhǎng)度圍內(nèi)的混凝土截面積。

表1 材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of materials

新隧道初期支護(hù)及錨桿材料按彈性材料來考慮，隧道圍巖及原隧道圍巖材料按均質(zhì)彈塑性考慮，采用摩爾-庫(kù)侖等面積圓D-P屈服準(zhǔn)則［6］。

式中:I1為應(yīng)力張量的第1不變量;J2為應(yīng)力偏量的第2不變量;c、φ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2.2 開挖步驟模擬

由于交通不能中斷，需要保持1個(gè)洞通行，只能在一個(gè)隧道擴(kuò)挖完成以后，再擴(kuò)挖另一側(cè)隧道，渝州隧道先進(jìn)行右洞擴(kuò)挖施工，然后再進(jìn)行左洞擴(kuò)挖施工。施工中隧道爆破時(shí)需對(duì)通行中的隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)可對(duì)通行隧道進(jìn)行臨時(shí)交通管制。由于原隧道空間為擴(kuò)挖部分提供了足夠大的臨空面，施工時(shí)可直接對(duì)原有隧道襯砌和擴(kuò)挖部分的圍巖進(jìn)行爆破。主要施工步序:第1步，拆除原有隧道二次襯砌;第2步，擴(kuò)挖隧道;第3步，綁扎鋼筋網(wǎng);第4步，架設(shè)型鋼拱、打設(shè)系統(tǒng)錨桿;第5步，噴射混凝土;第6步，鋪設(shè)防水卷材;第7步，施工二次襯砌。由于二次襯砌的施工是在初期支護(hù)穩(wěn)定后施作，故筆者數(shù)值計(jì)算中未考慮二襯受力，圍巖壓力釋放完全由初期支護(hù)和巖體變形來承擔(dān)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖位移變化分析

數(shù)值模擬的隧道斷面處于淺埋段，在右洞開挖后，最大地表沉降發(fā)生在右洞拱頂正上方，最大沉降量為20.4 mm，除去初始沉降影響，沉降量約占開挖最終地表沉降量的82%。由此可見，在右洞開挖完成以后，右洞上方地表沉降大部分已完成。左洞開挖完成后，地表有較小下沉，最終在2拱頂上方地表沉降值最大，沉降量最大為20.93 mm，地表沉降以凈距中心軸呈對(duì)稱狀，這主要由于采用數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮材料都為均質(zhì)、連續(xù)性材料，也未考慮施工過程中的撓動(dòng)等影響。由圖2可以得出，地表沉降范圍大致在隧道中心軸線外側(cè)15 m左右。由于隧道屬于淺埋段，隧道開挖對(duì)于地表沉降的影響范圍大致符合公式(5):

式中:D為隧道開挖對(duì)地表沉降影響范圍;d為兩洞開挖外輪廓線距離;H為埋深;φ為圍巖的內(nèi)摩擦角。

圖2 地表沉降Fig.2 Curves of surface settlement

3.2 初期支護(hù)及錨桿內(nèi)力分析

由計(jì)算得到初期支護(hù)彎矩如圖3，從圖3(a)可以看出，在右洞擴(kuò)挖完成后，右洞拱頂襯砌出現(xiàn)脫空區(qū)，受拉區(qū)范圍由拱頂向右側(cè)挖方向偏移，最大彎矩值為2.434 kN·m;同時(shí)隧道左側(cè)初期支護(hù)受壓區(qū)域減小，彎矩值為5.334 kN·m;右側(cè)受壓區(qū)域較大，彎矩最大值為6.249 kN·m。左洞擴(kuò)挖完成以后兩洞初期支護(hù)彎矩見圖3(b)，兩洞最終初期支護(hù)彎矩呈對(duì)稱狀，受拉區(qū)均出現(xiàn)在擴(kuò)挖方向一側(cè)拱腰，最終左洞受拉區(qū)彎矩最大值為2.395 kN·m，右洞為2.274 kN·m，較單側(cè)擴(kuò)挖彎矩略有減小。最終受壓區(qū)彎矩最大值右洞為6.302 kN·m，較右洞擴(kuò)挖完成后的彎矩值增量較小。由表2可以看出左右洞各點(diǎn)彎矩值大小，右洞初期支護(hù)彎矩在左洞擴(kuò)挖完成后，各點(diǎn)彎矩值變化不大，最終兩洞各對(duì)應(yīng)點(diǎn)彎矩值相當(dāng)。

圖3 初支彎矩(單位:N·m)Fig.3 Flexion of tunnel lining at the initial stage

表2 初支測(cè)點(diǎn)彎矩Tab.2 Survey point flexion of tunnel lining at the initial stage

隧道在開挖后打設(shè)錨桿，可以對(duì)開挖后圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行加固［7］。通過對(duì)錨桿的數(shù)值模擬，可以得出圍巖內(nèi)力的分布及松動(dòng)圈的范圍。

由圖4(a)可以看出，在右洞擴(kuò)挖完成后，拱部錨桿受力明顯大于其它部分，錨桿軸力由外到內(nèi)逐漸減小。錨桿軸力最大值分布呈不對(duì)稱狀，在擴(kuò)挖方向一側(cè)拱頂?shù)妮S力明顯大于其它部分，錨桿軸力的最大值為30.9 MPa，直墻處錨桿軸力較少。左洞擴(kuò)挖完成后，錨桿軸力如圖4(b)，兩洞錨桿軸力分布大致呈對(duì)稱，錨桿內(nèi)力較大的區(qū)域均分布于向外擴(kuò)挖的一側(cè)。最終錨桿力最大值為31.6 MPa，較右洞單側(cè)開挖完成后，軸力略有增加。

圖4 錨桿軸力(單位:Pa)Fig.4 Axial force of the bolt

4 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4.1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)控量測(cè)工作是新奧法的重要標(biāo)志之一，也是現(xiàn)代支護(hù)理所憑借的主要手段。依靠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量來掌握圍巖動(dòng)態(tài)、修正設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工和對(duì)支護(hù)效果作出正確的評(píng)價(jià)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到很多有益的結(jié)論，為隧道的設(shè)計(jì)施工積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)［8-9］。

根據(jù)JTG F 60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》［10］有關(guān)隧道監(jiān)控量測(cè)的規(guī)定，主要進(jìn)行周邊收斂、拱頂下沉、地表下沉監(jiān)測(cè)。為了對(duì)必測(cè)項(xiàng)目的拓展和補(bǔ)充，更準(zhǔn)確地掌握隧道結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律，因此在特殊地段、危險(xiǎn)地段或有代表性的地段布置選測(cè)斷面，并且可長(zhǎng)期觀測(cè)。量測(cè)內(nèi)容包括:圍巖與初期支護(hù)間壓力量測(cè)、二次襯砌內(nèi)部應(yīng)力、鋼架內(nèi)力量測(cè)、錨桿軸力監(jiān)測(cè)、爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)等。

4.2 量測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

由于隧道是先施工右洞然后再施工左洞，地表沉降監(jiān)測(cè)是分別針對(duì)單洞進(jìn)行，由圖5可以看出，左洞地表最終的凈沉降值約5 mm，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果4.3 mm較為接近。

錨桿軸力計(jì)量測(cè)長(zhǎng)度為3.5 m，每斷面在左右兩拱腰、拱腳、直墻埋設(shè)錨桿軸力計(jì)6根，每根錨桿軸力計(jì)設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，錨桿軸力計(jì)及其測(cè)點(diǎn)的布置如圖6。

圖7 監(jiān)測(cè)錨桿內(nèi)力Fig.7 Monitoring value of bolts axial force

由監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖7)可以看出，所測(cè)的錨桿軸力由外向逐漸減小，0.7 m以后的測(cè)點(diǎn)所測(cè)的力均較小，因此可以得出圍巖的松動(dòng)圈大致在1.0 m左右。錨桿軸力在擴(kuò)挖一側(cè)錨桿E的0.7 m處達(dá)到20.906 MPa，與其對(duì)應(yīng)的錨桿D處于受壓狀態(tài)，錨桿軸力分布在擴(kuò)挖方向較大，單洞兩側(cè)軸力值呈不對(duì)稱狀。從錨桿B、C量測(cè)的數(shù)據(jù)看，此錨桿處于受壓狀態(tài)，這與此區(qū)域圍巖受壓力情況相符。錨桿A由于受到較大擾動(dòng)，受到松動(dòng)圍巖的外移造成的拉力較大。結(jié)合數(shù)值計(jì)算的錨桿軸力及初支彎矩圖，可以得到原位擴(kuò)挖隧道的實(shí)際受力與計(jì)算值變化規(guī)律相符，由此可以得出數(shù)值計(jì)算可以反映隧道的受力規(guī)律。

5 結(jié)論

通過對(duì)渝州隧道原位擴(kuò)建施工的數(shù)值模擬，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)通過對(duì)擴(kuò)建隧道的數(shù)值模擬，對(duì)于此淺埋小凈距原位側(cè)向擴(kuò)建隧道，地表下沉的影響范圍D大致如公式(5)，隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此范圍內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)。

2)由于是在對(duì)原有隧道的進(jìn)行擴(kuò)挖，隧道的內(nèi)力重分布規(guī)律與新建隧道不同。擴(kuò)建方向由于開挖面積大，造成地應(yīng)力在重新分布時(shí)對(duì)擴(kuò)挖方向的影響較大，初期支護(hù)彎矩和錨桿軸力最大值均出現(xiàn)在此區(qū)域，因此，在隧道施工中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，加強(qiáng)對(duì)擴(kuò)挖面的監(jiān)測(cè)。

3)通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，得出數(shù)值模擬基本能夠反映隧道的受力及變形規(guī)律，可以為后續(xù)工程的設(shè)計(jì)施工提供幫助和指導(dǎo)。

4)對(duì)于隧道原位擴(kuò)建問題，地層先后經(jīng)過初始沉降、原隧道開挖、擴(kuò)挖等多次擾動(dòng)，圍巖應(yīng)力經(jīng)過多次重分布，有限元不能夠完全的模擬每次應(yīng)力重分布的過程，地層的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)還有待進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究。

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