隧道原位擴容穩定性數值模擬分析

王國科

（浙江佳途勘測設計有限公司，浙江 麗水 323000）

隨著交通運輸需求的迅速增長，新建公路、隧道都在向著多車道、大通行量發展。既有公路隧道已經不能滿足逐漸增長的通行需求，需對其進行擴容以滿足通行量的需求。目前關于隧道的擴容方式主要有單側擴容、雙側擴容、周圍擴容和小凈距擴容四種方式。

針對隧道擴容穩定性的研究，已經有學者取得了大量研究結果。徐子良等[1]采用FLAC3D分別對既有淺埋隧道單側擴容與均勻擴容兩種方式進行了數值模擬，對比分析了兩種方式下隧道原位擴容引起的圍巖變形量。結果表明，在圍巖處于穩定級別時，隧道原位擴容方式對圍巖變形影響較?。粡埍蟮萚2]采用超前地質預報技術，探測不良地質區域，采用鉆孔驗證和鉆孔釋壓，解決了隧道擴容過程中的涌水問題，為其他工程實踐提供了一定參考；陳楓等[3]基于某隧道原位擴容工程，根據圍巖穩定等級設計了相應的開挖方案，提出了一種高效安全的小凈距隧道原位擴容施工方法；歐陽垂禮[4]分別對分部臺階法和上下臺階法兩種擴容施工方法進行了數值模擬，對比分析了兩種方法下圍巖應力及支護結構穩定性，結果表明，上下臺階法更滿足隧道結構安全要求，且施工效率更高；吳超凡[5]基于某雙連拱隧道原位擴容工程實例，評估了隧道擴容施工過程中的安全風險等級，并提出相應控制措施，保障了施工安全；賴勇等[6]針對變形CRD法、層層剝皮法和三臺階法三種擴容方式進行數值模擬，對比分析了其圍巖穩定性變化，結果表明，三種開挖方法對隧道圍巖穩定性的影響并無較大差異。

文章以浙江省麗水市塔下隧道原位擴容為工程背景，對其進行了數值模擬，并對該隧道擴容后的穩定性進行了分析，驗證了其擴容方式的合理性，研究結果可為類似工程實例提供參考。

1 塔下隧道工程概況

塔下隧道位于浙江省麗水市盆地東南部，地貌分區屬浙南中山區，屬低山坡麓地貌單元。隧道沿線地面標高介于47～115m，最大高差約68.0m。山坡自然坡角多介于20～40°，局部達60～70°。山坡有松樹、喬木等生長，植物層下多為殘坡積土及強風化巖，基巖出露較多。隧道穿越低山丘陵區，地形起伏較大，隧道沿線地表水主要為雨季降水，地表徑流條件較好，多數以地表徑流的形式從溝谷中流到附近的平原水系中，根據當地經驗，地表水對混凝土結構和鋼筋混凝土結構中的鋼筋均有微腐蝕，環境作用等級為T3。

2 數值模擬過程

2.1 基本計算假定

數值模擬的分析過程是建立在一定假設條件下的。在基于假設條件的前提下，才能進行下一步的計算分析工作。具體假設條件如下：（1）假定圍巖為均質的、各向同性的連續介質；（2）假定巖體中的隧道可以簡化為具有一定深度的無限體中孔洞問題；（3）僅將巖體的自重應力作為初始應力時，不考慮巖體的構造應力等其他應力。

2.2 模型的建立

在進行理論計算時，一般認為隧道在一個無限延伸的空間內。但是在建立數值模擬時，是無法模擬這種無限延伸的空間的，任何模型都必須有一個邊界。為了避免邊界對模擬結果的影響，需將邊界設立在距離隧道足夠遠的地方，并在邊界上設置一定的應力，以模擬隧道的受力狀態[7]。

文章的計算模型如圖1所示。根據塔下隧道實際工況，模型的尺寸為橫向尺寸，隧道寬度取16m，下邊界距隧道中心8m，模型左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界為地表自由面。

圖1 計算模型

2.3 數值模擬結果及對比分析

（1）圍巖位移特征。塔下隧道擴容所采用的方式為單側擴容。因此，文章在建立的數值模擬計算模型上采取了同樣的擴容方式和現場支護方式進行模擬分析。在對圍巖位移的變形特征進行分析時，根據塔下隧道擴容實際支護情況，模擬了開挖后不進行支護、及時支護和滯后支護的隧道圍巖位移特征。圍巖位移如圖2所示。

圖2 圍巖位移云圖

從圖2中可以看出，原有隧道在擴挖時，隧道頂、底部分別有明顯下沉和鼓起，圍巖穩定性顯著降低。在隧道擴容開挖后，隧道四周圍巖位移相對較大，表明隧道四周的圍巖已經遭到了很大程度的破壞，已經失去了原有的承載能力。在垂直方向上，擴建隧道的拱頂部位移最大，且最大位置與原拱頂位置重合；在水平方向上，隧道擴挖側的水平位移最大，最大水平位移同樣出現在原隧道發生位移的最大位置，這是由于原隧道在修建時，圍巖已經遭到了損傷和破壞，在隧道擴容施工過程中，對圍巖造成了二次擾動，圍巖性質急劇降低，導致發生較大的位移。根據數值模擬結果，與滯后支護相比，在及時進行支護后，圍巖位移與應力特征有了很大改善，這一結果與塔下隧道采用的及時支護的支護效果較為符合。在原位擴建隧道施工時，在原隧道施工已造成的圍巖擾動的范圍內，特別是對于已失去塑性的圍巖，應加強施工措施，保證施工的安全。

（2）圍巖應力特征。根據塔下隧道擴容實際支護情況，模擬了開挖后不進行支護、及時支護和滯后支護的隧道應力特征。圍巖應力如圖3所示。

圖3 圍巖應力云圖

從圖3中可以看出，從所受的最大主應力云圖來看，壓應力最小的位置位于隧道拱頂處，從拱頂到兩邊邊墻的范圍內，壓應力逐漸增大。在拱腳外側區域，出現了明顯的應力集中現象。從應力分布方向來看，隧道圍巖水平方向最大拉應力分布在拱頂處，最大壓應力分布在拱腳處。豎直方向最大壓應力出現在拱腳外側上方，豎直方向最大拉應力出現在拱頂處。因此在隧道施工過程中，應特別關注拱頂和拱腳的應力狀態，并采取必要的支護措施加強這兩處的支護。

（3）隧道襯砌應力特征。根據塔下隧道擴容實際支護情況，模擬了開挖后及時支護初次襯砌、二次襯砌結構的應力特征以及滯后支護襯砌結構的應力特征。襯砌應力如圖4所示。

圖4 襯砌應力云圖

從圖4中可以看出，隧道襯砌結構明顯承受了來自圍巖的應力，且不同位置的應力狀態不盡相同，這表明襯砌結構在維持圍巖穩定性方面起到了積極作用。在襯砌結構中，水平方向的應力主要表現為拉應力，豎直方向的應力主要表現為壓應力，說明隧道在擴容后，來自頂部的圍巖壓力要遠大于隧道兩側方向的圍巖壓力。此外，水平應力最大值出現在拱腰位置，豎向應力出現在拱部位置；水平應力和豎向應力均出現在原隧道上方位置，說明此處圍巖應力較大。在擴容隧道的使用過程中，應定時監測隧道拱頂及拱腰的壓力變化，防止隧道發生垮塌。

3 結論

（1）隧道擴挖后，圍巖在隧道拱頂產生下沉，而在隧道底部上拱。在進行擴建隧道時，只進行起拱線以上的擴挖，而原路面及原仰拱部分不進行擴挖有利于保持圍巖的穩定。

（2）從應力分布方向來看，隧道圍巖水平方向最大拉應力分布在拱頂處，最大壓應力分布在拱腳處。豎直方向最大壓應力出現在拱腳外側上方，豎直方向最大拉應力出現在拱頂處。針對拱頂和拱腳位置，有必要采取局部加強支護措施。

（3）隧道襯砌結構中水平方向的應力主要表現為拉應力，豎直方向的應力主要表現為壓應力；水平應力最大值出現在拱腰位置，豎向應力出現在拱部位置（都為原隧道上方位置）。在擴容隧道中應定時監測隧道拱頂及拱腰的壓力變化并做好預警。