隧道擴建設計方案研究

趙虎生

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

我國作為山地較多的國家，同時也是目前公路隧道修建最多的地方。隨著我國經濟的迅速發展和解決城鄉貧富差距，目前國家急需提高公路的運輸能力，尤其是低等級的國省干道和縣鄉公路，因此就需要對國省干道和縣鄉公路進行大量的改擴建，來提高公路等級和公路的服務水平，以達到更好服務社會功能[1]。但是由于地形、地質條件的限制，以及公路線性標準的提高，不免對現有隧道存在改建或擴建的需要，改建隧道按照新修考慮，本論文主要針對隧道擴建的支護襯砌和開挖工序進行研究，結合山西省長治至省界的省道河路線(S324)三級路改建二級路工程的大條山隧道為依托，從合理拱軸線的角度出發，確定隧道擴建的合理斷面形式，再根據現有隧道的不同拱跨和拱高來確定隧道的支護襯砌和合理的擴挖施工步序，通過結合有限元分析，證明是一種可行的辦法。它適用于類似山西省太行山地區堅硬巖石地質的隧道擴建，為今后隧道的改擴建施工設計提供了依據。

1 隧道設計主要標準

1.1 設計交通量及行車方式

2011年設計交通量為14 778輛/日，高峰小時交通量采用日交通量的10%，雙向雙車道。

1.2 設計行車速度

隧道幾何線形與凈空設計采用行車速度80 km/h。

1.3 隧道建筑限界

二車道（1.0+9.0+1.0）m，凈寬 11.0 m，凈高 5 m。

1.4 設計荷載

公路Ⅰ級。

1.5 衛生標準

阻滯段的平均CO設計濃度取250 ppm；煙霧設計濃度0.007 0 m-1。

1.6 地震基本烈度

Ⅶ度。

2 現有隧道工程介紹

2.1 隧道部分

該項目中現有隧道一座，始建于20世紀80年代，局限于當時的技術條件、經濟條件以及施工水平等因素限制，隧道凈寬僅為7.0 m，限高4.0 m，且沒有其他附屬設施建設，服務水平較低，已經遠遠不能滿足現在二級公路服務水平和通行能力。因此項目改建時，對該隧道進行了擴建，擴建后隧道凈寬為11.0 m，限高5.0 m，襯砌為復合式襯砌。擴建前后內輪廓見圖1。

2.2 地質部分

隧址區位于太岳山脈基巖低山區之太行山大峽谷區內，隧道洞體處在河谷內河曲部位，左側為峪口河河谷，右側為基巖山脊、基巖中陡坡，隧道洞身山體陡峻，基巖出露較好，進出口地形較陡。

洞體埋深0～45 m，頂板全部為基巖，洞室圍巖奧陶系中風化石灰巖，圍巖堅硬為主，巖體節理裂隙發育，呈塊碎石狀結構為主，圍巖主要指標Rc灰巖=20～40 MPa，地下水不發育。根據原隧道開挖的邊仰坡和原隧道支護情況，結合隧道規范進行劃分，初判定圍巖為Ⅲ級。

圖1 現有隧道與擴建隧道內輪廓和建筑限界對比圖

3 隧道擴建結構設計施工方案

3.1 設計方案

洞身段襯砌均按新奧法原理設計[2]，推薦采用柔性支護體系結構的復合式襯砌。根據地層、地質條件頂部采用加長系統錨桿對擴建后的掌子面采取預加固措施，隨后以噴、錨、網、格柵鋼架等構成初期支護，二次襯砌采用鋼筋混凝土或素混凝土。襯砌后空隙部分，除隧道頂部其余均應用同級混凝土泵送回填密實。各類圍巖隧道復合式襯砌支護參數見表1，結構設計圖見圖2。

表1 各級圍巖隧道復合式襯砌支護參數

圖2 擴建隧道襯砌結構設計圖

3.2 施工方案

首先對現有隧道采用砧木支護20 m范圍的拱頂進行錨桿注漿，然后對原隧道的拱角進行開挖，緊跟施做護拱，最后按正常隧道施工。該隧道為改擴建隧道，開挖時如有較大范圍的坍塌[3]，應提前做好原洞體的支撐。

施工時一定要做好隧道的監控量測[4]，隨時調整支護參數，并防止隧道變形塌方。

施工工序：先施工護拱，待護拱穩定后，再施工其他部分。開挖導坑上半斷面，上導坑拱部初期支護，開挖導坑下半斷面，下導坑邊墻初期支護，下導坑仰拱部初期支護。完成隧道開挖及初期支護后，立即進行仰拱二次襯砌混凝土澆注。

4 隧道擴建結構計算

4.1 計算軟件

因巖土分析更加注重施工階段和材料的不確定性，由此計算當中決定巖土的物理狀態格外的重要。在巖土分析中應盡量使用實體單元真實模擬圍巖的狀態、盡量地接近模擬巖土的非線性特點以及地基應力狀態(自應力和構造應力)、并且盡量真實地模擬施工階段開挖過程，這樣才會得到比較真實的結果，這些特點較一般的結構分析存有差異。

本次大條山隧道擴建有限元數據模擬采用能真實地模擬現場條件和施工過程，并提供更多的材料模型和邊界條件，讓在做巖土分析時有更多選擇的MIDAS軟件。

4.2 計算方案

根據隧道原位擴建方案，就單側擴建方案進行有限元計算，分析拱肩以下周邊擴建、原隧道拱頂部位回填條件下擴建隧道周邊收斂、拱頂下沉及底鼓情況，從而為大條山隧道既定的擴建形式提供依據。

4.3 計算模型

為大條山隧道既定的擴建形式的有限元網格劃分，采用平面應變單元進行計算。大條山隧道擴建劃分有限元網格情況見圖3，擴建隧道圍巖物理力學參數見表2。

圖3 二位有限元網格圖

4.4 計算過程控制

通過分施工步進行計算數值模擬，將整個隧道的施工過程進行計算，具體過程如下。

a）第一步 模擬原隧道通車運營多年后位移狀態。

b）第二步 模擬擴建后隧道開挖、支護且拱頂回填時位移狀態。

c）第三步 模擬擴建后隧道支護硬化后位移狀態。

?

d）第四步 模擬擴建后隧道施工結束后最終位移狀態。

4.5 計算結果分析

隧道自開挖至擴建完成后，既定擴建形式的隧道圍巖位移（包括周邊收斂和拱頂下沉）對比分析結果如圖4～圖5所示。

圖4 原隧道通車運營多年后周邊收斂及拱頂下沉

圖5 施工結束后最終周邊收斂及拱頂下沉

經對隧道不同施工階段進行模擬，記錄了不同過程中隧道的拱頂、仰拱底及兩側拱腰的標志點位移變化情況,計算得出不同施工階段周邊收斂及拱頂下沉值見表3，洞周最終的相對收斂變形量為:η水平=12/11 000=0.109%;η垂直=17/9 350=0.183%。根據《公路隧道設計規范》的相關規定，水平方向及垂直方向的相對收斂變形量均在規范允許范圍內，同時小于文獻中預留變形量的規定值，因此隧道擴建方案安全可行。

表3 不同施工階段周邊收斂及拱頂下沉值

5 施工過程中的測量數據處理及分析

通過現場大量數據采集，根據大條山隧道一斷面周邊收斂的量測結果做回歸擬合，圖6為該斷面周邊收斂測點布置圖，圖7為實測曲線。

圖6 橫斷面周邊收斂觀測點布置圖

圖7 周邊收斂實測數據整理

從擬合結果可知，該斷面周邊收斂值沒有異常波動或拐點，施做二襯時的初襯周邊收斂已經達到預計總變形量的95%以上，其變化已經穩定。

6 結論

a）改擴建隧道與新建隧道的主要不同在于既有隧道支護的拆除與利用。舊結構的拆除對圍巖產生新的擾動，因此需要制定嚴格拆除工序，盡量減少施工工程中對圍巖的干擾，保證安全。但同時也可以通過采取合理的措施，利用既有隧道支護來減少對圍巖大面積的擾動，控制圍巖塑性區的發展空間。

b）該項目隧道改擴建工程通過有限元分析，得出開挖隧道時松動圈變化為：橫向變形與新建隧道影響基本一致，豎向變形比新建隧道影響小。

c）通過對監控量測實測數據采集分析，進一步驗證有限元模擬分析的精確性。總結出現行有限元分析來指導設計施工的必要性，為今后類似的工程積累了寶貴的經驗。