擴建小凈距公路隧道施工力學分析

疏義廣，蔣樹屏，雷明林

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400047;2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶400067)

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，已建成的高速公路由于交通量的驟增而漸漸趨于飽和，為了滿足當前的交通需求，高速公路的擴建已經(jīng)成為緩解交通的一大重要手段，如沈陽—大連高速公路、北京—上海高速(江蘇段)、泉州—廈門高速公路等［1］。而高速公路上隧道的改建、擴建工程也在快速地進行著，擴建之后的隧道基本上都是大斷面，進而出現(xiàn)了許多大跨度小凈距隧道，且存在著隧道邊施工邊通車的現(xiàn)象。圍巖的應(yīng)力場在原隧道開挖過程中已受到多次擾動，而擴建大斷面隧道的開挖將對圍巖進行再次擾動，圍巖多次擾動的疊加［2－3］，使其強度變低、完整性和自穩(wěn)能力變差［4］，這對擴建隧道的施工將造成很大的困難。小凈距隧道也成了近幾年隧道工程中研究的熱點之一，研究內(nèi)容主要涉及不同情況下的合理凈距［5－8］。

以渝州隧道為工程背景，通過二維有限元模型對不同凈距下擴挖隧道的圍巖、錨桿以及初期支護的力學特征進行了分析，以期為以后相似工程的設(shè)計提供依據(jù)。

1 工程背景

渝州隧道是重慶市機場路拓寬改造工程的一部分，隧道現(xiàn)為雙洞4車道，平面成喇叭型布置，進口段兩隧道結(jié)構(gòu)間巖石凈距約7.8 m，出口段為15 m，由于現(xiàn)有隧道交通量已趨于飽和，故需對該隧道進行擴建，擴建時保持現(xiàn)有隧道平面走向及隧道間中央巖柱厚度不變，分別向兩側(cè)擴挖，擴挖后的隧道由原來的單洞2車道變?yōu)閱味?車道隧道。隧道橫剖面見圖1。

2 分析模型和參數(shù)

根據(jù)圣維南原理，對于隧道開挖后的應(yīng)力和應(yīng)變，僅在隧道周圍距洞室中心點3～5倍隧道開挖寬度的范圍內(nèi)存在影響，計算模型兩側(cè)取至3倍的開挖寬度，即兩側(cè)距洞室中心的距離為54 m，地表到洞頂?shù)木嚯x取20 m，下邊界到洞底的距離取25 m。約束條件為:模型左右兩側(cè)邊界施加水平方向約束，模型下邊界施加豎直方向約束，有限元計算模型見圖2。有限元分析采用平面應(yīng)變下的彈塑性本構(gòu)模型，噴射混凝土初期支護與錨桿簡化為線彈性材料，圍巖假定為各向同性的理想彈塑性材料，采用Drucker-Prager屈服準則，錨桿采用桿單元模擬，噴射混凝土初期支護采用梁單元模擬，有限元計算主要參數(shù)見表1。

圖1 隧道橫剖面Fig.1 Tunnel cross section

圖2 有限元模型Fig.2 The element model

表1 計算模型材料參數(shù)Table 1 Mechanical properties of materials

有限元模擬過程中隧道的施工方法均采用上下臺階法，先依次開挖、支護右洞(先行洞)，然后開挖、支護左洞(后行洞)，分別按凈距 4，6，9，12，18，24 m進行有限元模擬與計算，以此來分析高速公路擴建小凈距隧道(單洞2車道擴建成單洞4車道)的施工力學效應(yīng)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 圍巖應(yīng)力與變形

圍巖的豎向位移見圖3。

圖3 圍巖豎向位移Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock

由圖3可以看出，擴建小凈距隧道隨著凈距的增大，圍巖豎向位移逐漸減小，后行洞的開挖對先行洞的位移影響不大;先行洞左拱腰和后行洞右拱腰的圍巖豎向位移較其他拱腰位移大，即中夾巖柱的圍巖豎向位移較大。

圍巖的豎向應(yīng)力見圖4。由圖4可以看出，先行洞的左拱腳和后行洞的右拱腳圍巖豎向應(yīng)力較大，在凈距為9 m(1/2跨度B)時，先行洞左拱腳的豎向應(yīng)力是右拱腳的2倍左右;在凈距為4～9 m時，隧道內(nèi)側(cè)應(yīng)力明顯大于隧道外側(cè)，即中夾巖柱的應(yīng)力相對較大，且隨著凈距的增大而減小，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱腳，拱頂應(yīng)力為最小;在凈距為12 m時，兩洞的圍巖應(yīng)力基本相等。

圖4 圍巖豎向應(yīng)力Fig.4 Vertical stress of surrounding rock

3.2 中夾巖柱受力特性

由分析可知，隧道內(nèi)側(cè)的圍巖是應(yīng)力變化最大的部位，也是應(yīng)力最集中的部位，小凈距隧道施工關(guān)鍵在于中隔墻的加固處理。中夾巖柱的塑性應(yīng)變見圖5。

圖5 不同凈距下圍巖等效塑性應(yīng)變云圖Fig.5 Contour map of the equivalent plastic strain of surrounding rock with different clear distances

由圖5可以看出，塑性應(yīng)變主要發(fā)生在中夾巖柱和拱腳區(qū)域，隨著隧道凈距的增大，中夾巖柱的塑性區(qū)逐漸減小，在凈距大于9 m時，中夾巖柱幾乎未發(fā)生塑性應(yīng)變。故在隧道設(shè)計中需對隧道內(nèi)側(cè)拱腰和內(nèi)側(cè)拱腳圍巖進行加固處理，以減小該部位的變形，達到降低圍巖應(yīng)力集中的目的，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 支護襯砌結(jié)構(gòu)受力特性

3.3.1 錨桿軸力

計算分析結(jié)果見圖6。

圖6 錨桿軸力Fig.6 Bolt axial force

由圖6可以看出，擴挖小凈距隧道先行洞周邊的錨桿軸力均大于后行洞周邊相同部位的錨桿軸力，先行洞的錨桿軸力隨凈距的增大明顯減小;后行洞各部位的錨桿軸力隨凈距的增大變化不大;而隧道外側(cè)錨桿的軸力約為內(nèi)側(cè)錨桿軸力的4～5倍，中夾巖柱錨桿軸力反而較之拱腰、拱頂錨桿軸力小。這是由于原有隧道在擴挖過程中充當導洞的作用，使中墻所在區(qū)域的圍巖應(yīng)力得到大部分的釋放。

3.3.2 初襯內(nèi)力

初襯內(nèi)力見圖7、圖8。

圖7 不同凈距下初襯彎矩Fig.7 Bending moment of initial supporting-lining with different clear distances

圖8 不同凈距下初襯軸力Fig.8 Axial force of initial supporting-lining with different clear distances

由圖7、圖8可以看出，擴挖小凈距隧道的初襯軸力和彎矩都隨著凈距的增大而減小，且先行洞初襯混凝土軸力要明顯大于后行洞，在中夾巖處表現(xiàn)的尤為明顯，在凈距大于4m時，隧道外側(cè)初襯軸力要大于內(nèi)側(cè)，初襯拱腳處的彎矩要遠大于其他部位的彎矩，故在設(shè)計時需對拱腳處做加強處理。

4 結(jié)語

1)小凈距隧道的施工，會導致中夾巖柱出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但是對拱頂及隧道外側(cè)圍巖影響不大，隨著凈距的增大，擴挖小凈距隧道后行洞圍巖應(yīng)力逐漸大于先行洞。

2)擴建小凈距隧道的塑性區(qū)域主要發(fā)生在內(nèi)側(cè)拱腳，在設(shè)計時需進行加固處理，當凈距大于1/2 B時，中夾巖柱受力狀態(tài)受凈距的影響很小。

3)后行洞的施工對中夾巖柱和先行洞右側(cè)拱腰的錨桿受力有影響，對其他部位的影響較小，且隧道外側(cè)錨桿的軸力約為內(nèi)側(cè)錨桿軸力的4～5倍。

4)隧道拱腳至拱腰部位的初襯內(nèi)力較大，特別是先行洞左側(cè)拱腳，在設(shè)計時需加固。

［1］張國華，陳禮彪，錢師雄，等.大斷面小凈距大帽山隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測及分析［J］.巖土力學，2010，31(2):489 －496.Zhang Guohua，Chen Libiao，Qian Shixiong，et al.On-site supervision measure and analysis of Damaoshan tunnels with large section and small clear-distance［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(2):489－496.

［2］夏才初，龔建伍，唐穎.大斷面小凈距公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(1):44 －50.Xia Caichu，Gong Jianwu，Tang Ying.Study on site monitoring of large-section highway tunnels with small clear spacing［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(1):44－50.

［3］劉泉聲，白山云，肖春喜.基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的龍?zhí)端淼朗┕鷰r穩(wěn)定性研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(10):1982－1990.Liu Quansheng，Bai Shanyun，Xiao Chunxi.Study on surrounding rock stability of Longtan tunnel based on in-situ monitoring measurements［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(10):1982－1990.

［4］李寧，陳蘊生，陳方方.地下洞室圍巖穩(wěn)定性評判方法新探討［J］.巖石力學與工程學報，2007，25(9):1941 －1944.Li Ning，Chen Yunsheng，Chen Fangfang.Research on tunnel stability criterion［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，25(9):1941－1944.

［5］劉偉，靳曉光，陳少華.高速公路小凈距隧道合理凈距的探討［J］.地下空間，2004，24(3):380 －385.Liu Wei，Jin Xiaoguang，Chen Shaohua.Investigation reasonable clear interval of small-interval tunnel for the free-way［J］.Underground Space，2004，24(3):380－385.

［6］黃拔洲，陳少華，秦峰.小凈距隧道在京福高速公路上的實踐［J］.重慶大學學報，2003，26(10):19 －22.Huang Bazhou，Chen Shaohua，Qin Feng.Development of parallel tunnels with super-small clear space in Beijing-Fuzhou freeway engineering［J］.Journal of Chongqing University，2003，26(10):19－22.

［7］彭從文，朱向榮，王金昌.基于三維有限元模型的小凈距隧道施工力學分析［J］.公路交通科技，2008，25(12):138 －145.Peng Congwen，Zhu Xiangrong，Wang Jinchan.Mechanical analysis of small interval tunnel based on three-dimensional FEM model［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008，25(12):138 －145.

［8］徐林生.小凈距公路隧道施工力學效應(yīng)研究［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2009，28(4):685 －688.Xu Linsheng.Mechanical effect of neighborhood highway tunnel construction［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009，28(4):685－688.