軟弱圍巖連拱隧道原位擴建圍巖變形及結構響應分析

■吳啟勇

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

隨著經濟的不斷發展，我國公路交通運輸量也逐年增加，加上部分隧道建成時間久遠、病害嚴重，針對既有隧道的改擴建工程提上了研究發展的議程[1-2]。隧道改擴建大致包括原位擴建[3]、小凈距擴建[4]和雙聯拱擴建[5]。針對這3 種隧道擴建方式，學者們開展了大量研究。靳曉光等[6]以某小凈距偏壓隧道為例，研究了開挖順序對隧道圍巖穩定性和支護措施優化的影響；歐敏[7]通過現場監測、有限元仿真等方法，對特大斷面、淺埋、偏壓隧道雙側壁不同工法下的圍巖、襯砌、臨時支撐等施工力學問題進行了研究；武建強[8]依托某高速公路隧道擴建工程，對其合理擴建方式、施工工藝及其力學特性等問題進行了研究；李有凱[9]以某高速公路隧道工程為依托，開展偏壓淺埋小凈距隧道事故風險評估；黃金山[10]結合現場試驗和有限元分析等方法，對特大斷面隧道在淺埋、偏壓、采用CRD 工法開挖時圍巖與支護結構的施工力學問題進行了研究。楊成忠等[11]以江西某隧道工程為依托，分析了在圍巖節理裂隙發育、巖體完整性差、存在地下水情況下偏壓隧道開挖的圍巖穩定性問題。林從謀等[12-13]依據大帽山隧道CD法擴建現場實測結果，建立了隧道施工過程三維有限元模型進行開挖模擬，結果表明數值和變形規律基本吻合，并提出了錨桿支護參數優化建議。

綜上所述，目前針對分離式隧道、單洞隧道和小凈距隧道擴建方面學者們研究較多，而對于雙連拱隧道的原位擴建研究較少。連拱隧道由于隧道間距小、斷面跨度大，改擴建工程對圍巖、既有隧道結構或新建隧道結構以及中隔墻造成的擾動相較于分離式隧道或單洞隧道、小凈距隧道更為嚴重，施工難度更大。鑒于此，本研究以福建新瓊連拱隧道改擴建為工程背景，通過對國內連拱隧道原位擴建的施工工法進行分析，結合數值模擬對隧道采用CD法擴建施工過程中圍巖變形和支護結構受力進行了研究，并分析了采用不同加固措施的加固效果。

1 工程概況

隨著福建泉南高速的開通，位于該高速永春段的新瓊隧道成為重點控制工程。新瓊隧道原設計為雙連拱隧道，全長140 m。隧道區屬丘陵地貌，地形起伏變化，下緩上陡，附近新構造運動不強烈，未見影響場地穩定的活動性斷裂。根據地勘資料，隧址區自上而下主要地層為殘積砂質粘性土、全風化花崗閃長巖和砂土狀強風化花崗閃長巖。

由于新瓊隧道建成時間較為久遠，左右線均出現不同程度的襯砌裂縫，并且主要集中在隧道兩側邊墻和拱頂位置，嚴重部位甚至出現掉塊，鋼筋外露等，嚴重影響了隧道結構的正常運營。且考慮到高速公路擴建的需求，現擬將新瓊隧道進行原位擴建。

2 原位擴建隧道施工工法選擇

由于既有隧道襯砌的存在，原位擴建隧道難以直接使用單一的工法[14-15]，設計時往往選擇偏于保守的工法。通過國內隧道擴建情況進行調研統計，常見的原位擴建典型施工工法見表1。

表1 原位擴建隧道施工工法

由表1 可知，對于“2 擴3”隧道，由于擴挖斷面有限，在施工條件允許的情況下往往采用臺階法等便于施工的工法。對于“2 擴4”隧道，IV、V 級軟弱圍巖段以CD 法、CRD 法的改進工法為主。根據相關意見，并吸取國內相似工程（羅漢山八車道連拱隧道、泉廈高速大帽山隧道）的成功經驗，最終決定采用CD 法對新瓊隧道進行原位擴建施工，鑒于地形偏壓情況，擬考慮先行擴建左洞，保通右洞。

3 隧道結構安全分析

結合相關經驗和規范，初步擬定擴建隧道處置采用雙層初支，總厚50 cm 的C25 噴射混凝土，配HW200 型鋼和鋼格柵；二次襯砌采用70 cm 厚的C30 鋼筋混凝土。為探究CD 法擴建施工過程中隧道結構的安全，采用荷載—結構法和地層—結構法對各施工關鍵步驟的初支和二襯進行受力安全分析。由于新瓊隧道暗埋段均為超淺埋段，故選取埋深最大位置斷面進行計算分析。計算斷面處于Ⅴ級圍巖中，擴建后埋深29 m，隧道凈寬44.62 m，凈高14.93 m，地面橫坡約為15°。其中強風化灰巖容重取20 kN/m3。各施工步所對應的擴挖階段見表2。

表2 各施工步所對應的擴挖階段

計算結果表明，采用雙層初支時，安全系數最小值為1.73，位于左洞兩側拱腰和右洞右拱腳位置，均滿足規范《公路隧道設計規范》（JTG 3307.1-2018）要求的1.53。

而對二襯進行受力安全分析時發現，當拆除左洞拱頂襯砌，開挖上臺階時（施工步2），右洞二襯受力較大，最大拉應力為1576.76 kN/m2，出現在右拱腰位置；最大剪應力為4200.16 kN/m2，出現在拱底左側附近。并且右洞拱底出現輕微隆起，隆起值達到6.1 mm，拱頂沉降和拱腰處水平位移最大值分別為13.6 mm 和4.5 mm（圖1）。因此，為保障左洞擴建期間右洞的安全通行要求，設計擬考慮采用波紋鋼板全斷面加固右洞。

圖1 施工步2 所對應的襯砌受力

此外，連拱隧道原位擴建時中隔墻的穩定性也是影響結構安全的關鍵，從圖2 可知，在隧道擴建過程中，中隔墻也出現了明顯的變形。因此，在施工過程中需對中隔墻進行加固，擬定的加固措施如下：（1）中墻與相鄰左洞、右洞襯砌采用對拉錨桿連接成整體，提高中墻穩定性。（2）開挖前先采用C15片石回填至隧道拱腰，以抵抗開挖時產生的偏壓荷載，確保中墻穩定。（3）中隔墻底部采用樹根樁加固，提高中墻基底土層承載力和中墻穩定性，其中樹根樁采用直徑108 mm、長10 m 的注漿鋼花管，縱向間距80 cm。同時，由于新瓊隧道全線位于V 級軟弱圍巖，跨度大，為避免拱腳出現明顯下沉，減少左右兩側拱腳的不均勻沉降，保證施工安全，上臺階落地型鋼接頭鋼板增加縱向連通的槽鋼、鋼拱架拱腳兩側增設剛度更大的斜撐、提高鎖腳鋼管剛度和連接面積，減小沉降。在每榀鋼拱架兩側設置2 根L=6 m 的鎖腳?108 鋼管樁（微樁）加固拱腳。鋼管內注入細石混凝土，并和拱架焊接。以左洞為例開挖支護斷面見圖3。

圖2 施工步2 所對應的圍巖變形

圖3 左洞開挖支護示意圖

4 加固效果數值模擬分析

4.1 模型概況及參數選取

鑒于地形偏壓情況，擬考慮先行擴建左洞，保通右洞。采用MIDAS/GTS 建立了三維有限元模型，模型中共包括3 層土，殘積砂質粘性土、全風化花崗，砂土狀強風化花崗閃長巖。隧道埋深為29 m，完全處于砂土狀強風化花崗閃長巖中。圍巖采用摩爾—庫倫本構模型，初支、二襯以及錨桿結構為彈性體。模型中土體和二襯為實體單元，而初支和中隔墻采用板單元模擬，錨桿為植入式桁架單元。并對模型做適當假設：洞室周圍巖體的變形不考慮受水文地質的影響，并且認為其為各向同性。將隧道洞室的圍巖視為理想的彈塑性介質。由圣維南原理[16]，隧道洞室的施工對圍巖的擾動范圍有限，通常由于隧道施工導致洞室周圍巖體在各個方向上應力重分布的距離為：洞室直徑的3～5 倍長度內。因此，計算模型沿X 軸方向寬度取200 m，沿Y 軸方向向上取至地表，向下距隧道底部取68 m，隧道位于本地質模型中央部位。模型整體及擴挖隧道見圖4。

圖4 有限元模型及擴挖隧道示意圖

圍巖與支護結構的參數見表3。其中，初支和中隔墻中鋼拱架的彈性模量采用等效剛度法，按式（1）折算給混凝土。左洞開挖時右洞加固所采用的鋼波紋板等效為矩形截面的鋼板。

表3 圍巖與支護結構的參數

式中：E 為混凝土計算后彈性模量；E0為原混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Sc為混凝土截面積；Eg為鋼拱架的彈性模量。

4.2 施工過程模擬

根據隧道施工方案，在縱向上，共選取25 m 長度范圍，隧道施工步距設置10 步，每步長2.5 m。由于左右洞的施工步驟基本一致，只是左洞施工時比右洞增加了設置樹根樁與鋼波紋板2 步，因此以左洞為例，數值模型的開挖步驟見圖5。

圖5 隧道擴建施工模擬步驟（以左洞擴建為例）

4.3 計算結果分析

4.3.1 圍巖變形分析

由圖6 可知，施工結束后圍巖的變形均在限值范圍內，即采用的綜合加固措施可有效控制圍巖的變形。圍巖最大沉降出現左線隧道拱頂，最大值為35.06 mm；拱底最大隆起值為16.6 mm，出現在左線隧道拱底。最大水平位移出現在右線隧道拱腰位置附近，最大值達到23.47 mm，且中隔墻和隧道拱腳位置處均沒有產生較大變形。

圖6 擴建施工結束后圍巖變形云圖

為進一步分析圍巖的變形規律，選取埋深最大位置（K16+600）作為特征斷面，同時將左右線拱頂作為變形特征點，繪制其位移隨施工步變化曲線，見圖7。

圖7 特征斷面拱頂沉降變化圖

由圖7 可知，左右線圍巖變形呈現出不同的變化規律。左線隧道擴建過程中，在其右側上臺階開挖時，YK16+600 斷面就出現了較小的變形，說明在V 級軟弱圍巖中進行擴建開挖對周圍巖體會產生較大的擾動。當施工步為5（左洞開挖至ZK16+592.5）時，此時拱頂沉降開始減小，隨后拱頂出現隆起，主要是由隧道偏壓引起。當左線隧道土體開挖完成后臨空面面積增大，由于受偏壓影響，右線隧道土體產生向左傾覆的趨勢，導致左線隧道拱頂出現隆起。當施工步為8 時（左洞開挖至典型斷面ZK16+600），在隨后10 個施工步驟內，特征點圍巖豎向位移迅速增大，施工步為18 時（左洞施工結束），沉降值達到24.74 mm，此時左線隧道已經擴挖施工完畢。隨后在右線隧道擴建施工過程中，同樣受土體偏壓的影響，圍巖變形速率開始下降，并出現小幅度的隆起，最終變形穩定在22.24 mm。

分析右線隧道擴建施工時特征點拱頂沉降的位移時態曲線可以得出，左線施工對右線隧道圍巖變形并沒有產生較大影響，左線施工完成后，YK16+600 斷面拱頂沉降最大值為5 mm。說明在左線擴建前，對右線隧道采用鋼波紋管加固，可以有效控制左線擴建施工對右線隧道的影響。隨后右線隧道進行擴建施工時，同樣也受地層偏壓的影響，拱頂沉降的變化規律與左線類似。

4.3.2 支護結構受力分析

為分析加固措施對隧道支護結構的影響，建立不采取任何額外加固措施的工況，對2 種工況下隧道支護結構受力進行對比分析。連拱隧道加固前后初期支護上應力分布狀態，見圖8～9。無加固措施時，隧道擴建時初支最大拉應力為2.6 MPa，最大壓應力為4.24 MPa，拉應力主要集中在隧道拱肩與拱腳位置處，壓應力主要集中在隧道拱頂與拱底位置處。加固后初支最大拉應力為2.26 MPa，最大壓應力為3.75 MPa，初支所受應力約減小了12%左右，且加固前后拉應力與壓應力的分布變化不大，說明所采用的加固措施可有效減小初支所受應力，但對對應力的分布影響不大。

圖8 無加固措施下隧道初期支護應力分布云圖

圖9 綜合加固措施下隧道初期支護應力分布云圖

4.3.3 加固效果分析

為進一步探究加固措施對連拱隧道變形的控制效果，結合無加固措施工況，以及僅采用波紋鋼板加固措施、僅采用樹根樁加固措施和僅采用鎖腳錨桿加固措施3 種工況，進行對比分析，具體工況見表4。分析工況中，除加固措施不同外，隧道支護參數相同。

表4 施工工況

（1）波紋鋼板加固分析

選取YK16+600 作為特征斷面，分析有無波紋鋼板加固時，2 種工況下右線隧道拱頂位移的變化規律。圖10 為不同加固工況下，右線隧道拱頂在左線隧道擴建施工過程拱頂豎向位移的變化規律。未加固工況下，在拆除左洞拱頂襯砌，開挖上臺階過程中，右線隧道拱頂沉降迅速增大，達到6.0 mm，左線隧道擴建施工完成后，拱頂位移最終穩定在12.57 mm，可見左線擴建施工對右線隧道圍巖穩定性產生較大的影響。在僅采取波紋鋼板加固措施后，右線隧道拱頂沉降位移顯著減小，左線擴建施工完成后YK16+600 斷面拱頂沉降最大值減小至約8.12 mm 左右，同比減小35.4%。

圖10 特征斷面拱頂位移隨左線擴建施工變化圖

2 種工況下右線隧道變形及加固效果見圖11、12 和表5。由表5 可知，在左線擴建施工完成后，采取波紋鋼板加固的右線隧道拱頂最大沉降為11.49 mm，拱腰處最大水平位移為15 mm；未采取加固措施的右線隧道拱頂最大沉降為15.87 mm，拱腰處最大水平位移為16.64 mm。由此可見，提前對右線隧道采取波紋鋼板加固可有效減少左線隧道擴建施工對右線隧道圍巖的擾動，具有良好的加固效果。左線隧道擴建施工對右線隧道水平位移影響較大，波紋鋼板的加固效果主要體現在隧道豎向位移。

圖11 左線擴建施工完成后右線隧道豎向位移云圖

圖12 左線擴建施工完成后右線隧道水平位移云圖

表5 兩種加固措施下右線隧道位移

（2）樹根樁加固分析

為探究樹根樁對中隔墻的加固效果，分析有無樹根樁加固時，2 種工況下中隔墻的受力及變形規律。左右線隧道擴建施工完成后中隔墻最終的變形及受力見圖13～15。由圖可知，未采取加固措施時，施工結束后，中隔墻最大豎向位移為25.18 mm，并且最終狀態下中隔墻在水平方向上產生偏左位移，最大值達到8.96 mm，分析其原因可能為隧道所處的偏壓地理環境，加上隧道運營時間久遠，隧道圍巖被雨水侵蝕出現不同程度劣化所導致的。另外從中隔墻應力云圖可以看出，施工完成后，中隔墻主要以受壓應力為主，但在進口端4 個角承受較大的拉應力，最大值達到5612.58 kN/m2，容易產生拉裂破壞。當采取樹根樁加固后，中隔墻的最大豎向位移減小至12.47 mm，最大水平位移減小至5.56 mm，Z 軸方向所受最大拉應力減小至3994.14 kN/m2，同比分布減小57.7%、37.94%和28.84%。

圖13 隧道擴建施工結束后中隔墻豎向位移云圖

圖14 隧道擴建施工結束后中隔墻水平位移云圖

圖15 隧道擴建施工結束后中隔墻Z 軸方向應力云圖

為直觀反映樹根樁對中隔墻的加固效果，取開挖距離為10 m （K16+597.5）、15 m （K16+602.5）和20 m（K16+607.5）3 個監測斷面，每個監測斷面取沉降變形的最大值作為研究對象，2 種工況下各斷面沉降變形最大值和水平位移最大值見表6。由表6可知，采取樹根樁加固措施后，3 個監測斷面沉降最大值平均減小51.59%；水平位移最大值平均減小47.2%，由此可見，采用樹根樁對中隔墻加固效果顯著。

表6 典型斷面處中隔墻位移最大值（單位：mm）

（3）鎖腳錨桿加固分析

為分析鎖腳錨桿加固措施的處置效果，選取無加固措施、僅采取鎖腳錨桿加固和綜合加固措施3 種工況，對比分析3 種工況下擴建施工完成后左右線隧道拱腳沉降最大值的變化規律及其加固效果，各工況下拱腳沉降最大值見表7。由表7 可知，在僅采取鎖腳錨桿加固措施后，左線隧道拱腳沉降最大值減小至3.12 mm，右線隧道拱腳位移減小至約3.04 mm，同比分別減小了32.61%和36.13%，拱腳處變形得到了很大的改善；表明鎖腳錨桿對拱腳處土體的變形起到了很好的抑制作用。當采取綜合加固措施時，左線隧道拱腳沉降最大值減小至2.65 mm，右線隧道拱腳位移減小至約2.36 mm，同比分別減小了42.76%和50.42%，加固效果進一步提升。因此，在連拱隧道改擴建施工過程中不僅需要對拱腳進行加固，同時也應該注重對中隔墻和相鄰隧道的加固。

表7 各工況下拱腳沉降最大值及其加固效果

5 結論

本研究以福建新瓊連拱隧道改擴建為工程背景，結合數值模擬對隧道采用CD 法擴建施工過程中圍巖變形和支護結構受力進行研究，并對比分析了不同加固措施的加固效果，得到以下結論：（1）對國內隧道原位擴建的施工工法進行統計分析，從新瓊隧道自身特殊工況出發并吸取國內相似工程的成功經驗，選用CD 法對新瓊隧道進行原位擴建施工。（2）當拆除左洞拱頂襯砌，開挖上臺階時（施工步2），為右洞二襯最不利工況。為保障左洞擴建期間右洞的安全通行要求，提出采用波紋鋼板全斷面加固右洞。同時結合連拱隧道受力特性和隧道所處的地理環境，對中隔墻采用樹根樁加固，拱腳采用鎖腳錨桿加固等加固措施。（3）采用CD 法進行原位擴建并結合波紋鋼板、樹根樁及鎖腳錨桿等加固措施后，有效減小了施工過程中圍巖變形和支護結構受力。擴建施工結束后，圍巖沉降最大值35.06 mm，出現在左線隧道拱頂；水平位移最大值23.47 mm，出現在右線隧道拱腰位置附近。并且與未采取加固措施相比，初支所受應力約減小12%左右，加固效果明顯。（4）波紋鋼板加固措施對控制右線隧道圍巖變形有較為明顯的效果，與未加固工況相比，左線擴建施工結束后，拱頂沉降和水平位移同比分別減小27.6%和10.93%。由于隧道所處的偏壓地理環境，施工完成后，中隔墻產生較大變形，并且在進口端4 個角承受較大的拉應力。當采取樹根樁加固后，中隔墻的最大豎向位移、最大水平位移和Z 軸方向所受最大拉應力同比分布減小57.7%、37.94%和28.84%。在僅采取鎖腳錨桿加固措施后，左線隧道拱腳沉降最大值減小至3.12 mm，右線隧道拱腳位移減小至約3.04 mm，同比分別減小了32.61%和36.13%，拱腳處變形得到了很大的改善。