既有南嶺隧道擴建形式數值分析

許明堂 謝 忠 徐海鑫

(中鐵七局集團第二工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

目前我國既有隧道擴建工程還不是很多，但隨著社會經濟的發展，對既有隧道進行改擴建已成為一種趨勢。胡居義、黃倫海[1]把隧道擴建型式歸納為單側擴建、雙側擴建和周圍擴建三種型式，并借助有限元分析的方法建立了不同的計算模型，并通過對大帽山隧道兩種不同圍巖級別下的三種擴建型式進行了模擬分析，得出了最合理的原位擴建型式；高干、劉元雪等[2]依托鵝嶺隧道擴建工程，計算并分析了四種不同擴建型式下隧道結構的穩定性及圍巖的受力和變形情況，確定了單側擴建為該隧道的最佳擴建型式；馮廣[3]針對普通分離式雙洞四車道隧道擴建成八車道提出了六種擴建型式，并通過比選，得出了依托工程合適的擴建方案。堯少敏[4]以雙向四車道擴建為雙向八車道為例，分析各種擴建型式的適宜條件及優缺點，并針對幸福隧道，從經濟、技術等方面進行分析，得出適合于幸福隧道的擴建型式為原位擴建為兩車道隧道。盧曉玲等[5]結合公路隧道的特點，對新建方案和擴建方案分別進行了詳細的分析，提出高速公路在既有隧道內增加1個～2個車道時，將會導致施工難度及風險較大，經過各種方案對比后，建議采用新建隧道的方案；如果既有隧道結構比較穩定，隧道凈空也滿足使用要求，則可采用局部改建的方案。

既有隧道的擴建型式主要有單側擴建、雙側擴建和周圍擴建，單側擴建為保持擴建隧道的一側與既有隧道邊界重合，雙側擴建為保持隧道仰拱處與既有隧道重合，周圍擴建是指既有隧道完全位于擴建隧道的內部，各擴建型式示意圖如圖1所示。

目前既有隧道擴建型式的選擇要結合既有隧道路線的線型以及隧道界限的要求，綜合考慮既有隧道擴挖施工對圍巖穩定性產生的影響來判定，充分利用既有隧道工程，減小改建工程量。本文針對兩種擴建型式對圍巖力學響應規律進行模擬研究。

1 數值計算模型的建立

1.1 土層參數選取

根據南嶺隧道地質勘察報告，并結合相關規范，選取的各層圍巖的物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

1.2 計算模型建立

本文選取Ⅴ級圍巖最大埋深處(DK85+920)建立二維有限元分析模型，模型在水平方向長度取為80 m，豎直方向取70 m，上部取至地表，隧道兩側及底部距模型邊界長度均為3倍～5倍洞徑。模型上部地表為自由邊界不設約束，下部為豎向位移約束，左右兩側為水平位移約束。土體、既有隧道襯砌采用平面應變單元，擴挖隧道初期支護及二襯采用梁單元，錨桿采用植入式桁架單元。土體本構采用摩爾庫侖強度準則，既有隧道襯砌、初期支護、二襯及錨桿采用彈性本構。初始應力場按自重應力場模擬，運用Madis/GTS有限元分析軟件的激活和鈍化功能來實現既有隧道的擴挖和支護的施作。依據現場施工工況，隧道擴挖步的荷載釋放系數設為0.6和0.4。施工過程采用臺階法開挖，不考慮超前支護對施工過程的影響。

2 結果分析

表2 兩種擴建型式最大位移 mm

由于雙側擴建和單側擴建兩種工況的位移分布規律相似(見圖2)，本文只列出了單側擴建型式的最后施工階段圍巖位移云圖如圖3所示，兩種擴建型式的最大位移計算結果如表2所示。

由兩種擴建型式豎向位移云圖可以看出，兩種擴建型式的拱頂下沉位移云圖相差不大，最大位移均發生在拱頂處，由拱頂至地表豎向下沉位移逐漸減小。拱底最大隆起位移單側擴建較雙側擴建稍大，且均發生在拱底靠近兩拱腳處位置。由兩種擴建型式水平位移云圖可以看出，雙側擴建左右兩側水平位移呈對稱形式，單側擴建未擴挖側(左側)位移明顯小于擴挖側，這是由于單側擴建時未擴挖側圍巖擾動較小，且原始錨桿能夠承受一定的作用，阻止未擴挖側圍巖的變形。由表2可以看出，單側擴建圍巖拱頂下沉位移比雙側擴建有所減小，大約減小10%，但拱底隆起位移增大約30%。單側擴建隧道圍巖左、右兩側水平位移分別較雙側擴建減小59%,14%。除拱底隆起位移外，單側擴建其他位移指標均小于雙側擴挖。因此，從圍巖位移角度來看，單側擴建優于雙側擴建。

3 結語

本文利用有限元軟件Midas對既有南嶺隧道改擴建形式引起的隧道圍巖位移進行分析，得到以下結論：

1)除拱底隆起位移外，單側擴建其他位移指標均小于雙側擴挖；

2)單側擴建圍巖拱頂下沉位移較雙側擴建約減小10%，左、右兩側水平位移分別較雙側擴建減小59%，14%。因此，若隧道線型滿足要求，建議優先選用單側擴建。