擴建連拱隧道圍巖穩(wěn)定及結構安全性研究

■林我棉

（平潭綜合試驗區(qū)交通投資集團有限公司，平潭 350400）

1 引言

隨著我國交通事業(yè)的日益發(fā)展，公路交通量較早年有了極大的提高，增長速度也遠超預期。因此部分隧道已經(jīng)無法滿足其交通量增長的需求,在既有隧道基礎上進行改擴建的工程項目也逐漸增加[1][2]，如福建泉廈高速大帽山隧道[3]、福建漳龍高速后祠隧道[4]、沈大高速韓家?guī)X隧道[5]等。

目前，國內針對隧道改擴建的研究已取得了一些成果，但總體而言仍處于起步階段，可供參考的同類型工程經(jīng)驗也不多。此外，4車道連拱隧道原位擴建為8車道連拱隧道的工程案例國內目前還未見相關報道。

本文結合福建某既有連拱隧道原位擴建方案，采用地層-結構法，對擴建過程中圍巖的穩(wěn)定性、初期支護安全系數(shù)、中墻位移、應力和基底承載力等方面開展了探索，并得出相應的結論，對類似連拱隧道擴建設計有一定的指導和借鑒作用。

2 工程概況

既有連拱隧道為雙向四車道高速公路隧道，設計行車速度為80km/h，行車道寬度為2×3.75m，凈高5m，長140m。進出口段坡體表層覆蓋坡殘積土；洞頂及洞身圍巖主要為殘積土、全風化～砂土狀強風化花崗閃長巖，結構松散，巖體風化強烈，且泡水易軟化，屬于極軟巖，圍巖級別為V級，[BQ]≤250，易坍塌，處理不當會出現(xiàn)大坍塌。隧道地質縱斷面如圖1所示。

現(xiàn)擬對其擴建為雙向八車道連拱隧道，擴建隧道采用兩層初期支護：第一層為30cm厚的C25噴射混凝土，I22b鋼支撐間距50cm；第二層為20cm厚的C25噴射混凝土，鋼格柵支撐間距50cm。臨時支護均采用25cm厚的C25噴射混凝土，I20b鋼支撐間距50cm。

圖1 隧道地質縱斷面

擴建隧道擬采用復合式中墻結構，保留部分既有隧道中墻位置二襯，通過水平對拉預應力錨桿等加固措施，使之與既有中墻構成新中墻。

圖2 隧道橫斷面布置

3 圍巖穩(wěn)定分析及支護結構計算

3.1 數(shù)值模型

擴建隧道暗埋段均為超淺埋，選取埋深最大位置斷面（YK16+600）進行計算分析，圍巖級別為Ⅴ級，埋深為29m，地面最大橫坡約為15°。

采用同濟曙光進行隧道圍巖穩(wěn)定驗算分析及結構內力計算。采用三節(jié)點三角形單元模擬圍巖及既有隧道的中墻，二維梁單元模擬初期支護及臨時支護，采用組合梁單元模擬第二層初期支護。邊界條件：上表面為地面即自由邊界，其余各外表面均設置約束法向位移。二維數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 二維有限元網(wǎng)格劃分

3.2 參數(shù)取值

根據(jù)地質資料，洞頂及洞身圍巖主要為殘積土、全-砂土狀強風化花崗閃長巖，結構松散。由于本項目為既有隧道擴建項目，考慮到存在多次擾動，因此地層參數(shù)參照《公路隧道設計細則》（JTG/TD70-2010）[6]中 V 級圍巖-土（巖）質圍巖參數(shù)的下限進行選取。詳見表1。

表1 地層及材料參數(shù)

3.3 計算方案

隧道計算斷面所處位置存在地形偏壓，根據(jù)相關工程經(jīng)驗及研究資料，為消除地形偏壓的影響，應采取“先外后里”的開挖順序[7]。擬采用開挖工序為先開挖左洞，右洞采取加固措施保持通行。

計算方案結合設計的施工步驟，計算時不考慮二次襯砌，開挖后圍巖釋放荷載50%，初次支護承擔50%的圍巖釋放荷載。施工步順序如圖4所示。

3.4 計算結果

3.4.1 圍巖屈服區(qū)

圖5為施工完成后洞周圍巖屈服區(qū)的狀態(tài)，由于洞頂及洞身圍巖主要為殘積土、全風化～砂土狀強風化花崗巖，結構松散，自穩(wěn)能力差，圍巖屈服區(qū)基本貫通，自身無法形成承載環(huán)。因此在施工過程中，應加強超前支護和初期支護，加強施工監(jiān)控量測，確保施工安全。

3.4.2 初期支護受力分析

圖4 施工步順序

圖5 洞周圍巖屈服區(qū)

圖6為第一層初支的內力圖。可以看出，因兩洞內側拱腳與中墻連接處由于存在應力集中，彎距值較大，安全系數(shù)分別為0.21和0.26，右洞仰拱（B點）安全系數(shù)1.42，其余位置安全系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定1.7×0.9=1.53，滿足施工要求。根據(jù)《公路隧道設計細則》中規(guī)定，支護結構出現(xiàn)的塑性鉸小于3個，且不在同一側側墻上時，支護結構可起到承載環(huán)作用，說明擴建隧道滿足穩(wěn)定性要求。表2為典型位置的內力及安全系數(shù)計算結果。

圖6 第一層初支內力圖

圖7為第二層初支的內力圖。通過計算可得，第二層初支各截面位置的安全系數(shù)除個別連接點外均大于1.53。表3為典型位置的內力及安全系數(shù)計算結果。

圖7 第二層初支內力圖

表2 第一層初支內力及安全系數(shù)計算結果

表3 第二層初支內力及安全系數(shù)計算結果

3.4.3 中墻分析

3.4.3 .1 中墻位移分析

圖8為中墻位移監(jiān)測點和最終位移圖。從圖9中可以看出，隨擴挖施工的進行，中墻位移總體呈向左側（靠邊坡一側）移動。左洞右下導坑開挖時，測點水平位移為向左移動2.6mm；當右洞左下導坑開挖時，中墻水平方向產(chǎn)生較大的向右回移，移動至-1.6mm位置；之后隨著右洞開挖進行，中墻水平位移繼續(xù)向左移動，最終穩(wěn)定在距初始位置-3.0mm處。過程中產(chǎn)生的最大水平位移為-3.2mm，因此施工過程中，應加強對中隔墻的監(jiān)控量測，確保施工安全。

圖8 中墻水平位移示意

圖9 中墻水平位移隨施工步變化曲線

3.4.3 .2 中墻受力分析

為分析中墻應力隨施工步進行的變化規(guī)律，取中墻最薄處軸線兩側2個監(jiān)測點（C、D）和中墻頂部兩個角點（A、B）作為監(jiān)測點，觀察其最小主應力（最大壓應力）的變化情況，如圖10所示。

圖10 中墻應力監(jiān)測點

從圖11中可以看出，中墻頂部角點的最小主應力，隨施工步進行持續(xù)增大。當施工完成時，由于應力集中，左側角點最小主應力σ3,max達到7.7MPa。根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》[8]，C25混凝土的軸心抗壓強度極限值為Ra=19.0MPa，則綜合安全系數(shù)，略大于規(guī)范最小值2.0。因此，設計時建議對該部位配設多層鋼筋網(wǎng),以提高混凝土局部抗壓能力。

圖11 中墻頂部角點應力曲線

從圖12中可以看出，中墻截面最薄處的最小主應力，隨施工步進行基本呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的變化趨勢。在開挖過程中，會出現(xiàn)兩個突變點，當開挖左洞右下臺階時，中墻右側（D點）應力有所增大，左側（C點）應力因得到部分釋放而有所減少；當開挖右洞左下臺階時，中墻左側（C點）應力明顯增大，而右側（D點）應力因得到部分釋放而有所減少；當施工結束時，左側最小主應力值大于右側，達到5.7MPa，小于中墻C25混凝土的軸心抗壓設計強度12.5MPa，滿足施工安全性要求。

圖12 中墻水平中軸線應力曲線

3.4.4 中墻基底承載力分析

為分析中墻基底應力分布及變化情況，驗算其地基承載力能力，取中墻底部兩角點處的圍巖作為監(jiān)測點（E、F），觀察其最小主應力（最大壓應力）的變化情況，如圖13所示。

從圖14中可以看出，中隔墻基底圍巖承受較大的壓應力，并隨開挖進行逐漸增大。當施工完成后，基底左側（E點）壓應力達到最大值3.64MPa。

圖13 中墻基底應力監(jiān)測點

圖14 中墻基底應力曲線

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）[9]，當基礎寬度大于3m或埋深大于0.5m時，需對地基承載力特征值進行修正：fa=fak+ηbγ(b-3)-ηdγm(d-0.5)。

查地勘報告強風化花崗閃長巖地基承載力特征值fak=0.5 MPa；中墻基底寬度小于3m無需對寬度進行修正；基礎埋深的地基承載力修正系數(shù)按《規(guī)范》表5.2.4取ηd=4.4。

由上式可求得修正后的地基承載力特征值fa=3.58MPa，小于E點應力集中處最大壓應力3.64MPa，不滿足規(guī)范地基承載能力驗算要求。因此，必須對地基圍巖采取相應的加固措施，以提高基底圍巖的承載能力，保證結構的安全。表4為基底左右角點處的圍巖應力狀態(tài)。

表4 中墻基底應力及圍巖狀態(tài)

針對中墻底圍巖承受壓力較大的情況，設計中根據(jù)以往經(jīng)驗，擬在洞口軟巖段采用加固基底圍巖，以提高圍巖承載能力。初步擬定在中墻基底采用 50mm、長度4.0m、間距50cm×50cm的注漿小導管對圍巖進行加固，以提高基底圍巖的c、φ值（擬提高20%），改善基底圍巖的狀況。從圖15可以看到，在c、φ值提高后，中墻底兩側最大應力處的圍巖未進入屈服狀態(tài)。

4 結論

本文以福建某既有連拱隧道為例，采用地層-結構法對洞周圍巖穩(wěn)定性和結構安全性進行了驗算，得出以下幾點結論：

圖15 中墻基底注漿后角點處莫爾圓

(1)擴建隧道周邊圍巖屈服區(qū)基本貫通，圍巖自身無法形成承載環(huán)。施工過程中應加強超前支護和初期支護。

(2)因存在應力集中，除雙洞的內側拱腳及右洞仰拱的第一層初支安全系數(shù)不滿足結構安全外，其余位置安全系數(shù)均大于1.53，說明擴建隧道結構滿足穩(wěn)定性要求。

(3)第二層初支各截面位置的安全系數(shù)除個別初支與臨時支撐的連接點外均大于1.53，滿足結構安全要求。

(4)隨擴挖施工的進行，中墻位移總體呈向左側（靠邊坡一側）移動。過程中產(chǎn)生的最大水平位移為-3.2mm，施工過程中應加強對中隔墻的監(jiān)控量測。

(5)中墻頂部右角點最小主應力為7.7MPa，為結構受力不利部位，設計時對該部配設多層鋼筋網(wǎng),以提高混凝土的局部抗壓能力；中墻截面最薄處的最小主應力最大達到5.7MPa，均小于中墻C25混凝土的軸心抗壓設計強度12.5MPa，滿足施工安全；

(6)中隔墻基底圍巖壓應力最大值為3.64MPa，不滿足基底地基承載能力要求，應對地基圍巖采取注漿等加固措施。