扩建小净距公路隧道施工力学分析

疏义广，蒋树屏，雷明林

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400047;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

近年来，随着我国国民经济的快速发展，已建成的高速公路由于交通量的骤增而渐渐趋于饱和，为了满足当前的交通需求，高速公路的扩建已经成为缓解交通的一大重要手段，如沈阳—大连高速公路、北京—上海高速(江苏段)、泉州—厦门高速公路等［1］。而高速公路上隧道的改建、扩建工程也在快速地进行着，扩建之后的隧道基本上都是大断面，进而出现了许多大跨度小净距隧道，且存在着隧道边施工边通车的现象。围岩的应力场在原隧道开挖过程中已受到多次扰动，而扩建大断面隧道的开挖将对围岩进行再次扰动，围岩多次扰动的叠加［2－3］，使其强度变低、完整性和自稳能力变差［4］，这对扩建隧道的施工将造成很大的困难。小净距隧道也成了近几年隧道工程中研究的热点之一，研究内容主要涉及不同情况下的合理净距［5－8］。

以渝州隧道为工程背景，通过二维有限元模型对不同净距下扩挖隧道的围岩、锚杆以及初期支护的力学特征进行了分析，以期为以后相似工程的设计提供依据。

1 工程背景

渝州隧道是重庆市机场路拓宽改造工程的一部分，隧道现为双洞4车道，平面成喇叭型布置，进口段两隧道结构间岩石净距约7.8 m，出口段为15 m，由于现有隧道交通量已趋于饱和，故需对该隧道进行扩建，扩建时保持现有隧道平面走向及隧道间中央岩柱厚度不变，分别向两侧扩挖，扩挖后的隧道由原来的单洞2车道变为单洞4车道隧道。隧道横剖面见图1。

2 分析模型和参数

根据圣维南原理，对于隧道开挖后的应力和应变，仅在隧道周围距洞室中心点3～5倍隧道开挖宽度的范围内存在影响，计算模型两侧取至3倍的开挖宽度，即两侧距洞室中心的距离为54 m，地表到洞顶的距离取20 m，下边界到洞底的距离取25 m。约束条件为:模型左右两侧边界施加水平方向约束，模型下边界施加竖直方向约束，有限元计算模型见图2。有限元分析采用平面应变下的弹塑性本构模型，喷射混凝土初期支护与锚杆简化为线弹性材料，围岩假定为各向同性的理想弹塑性材料，采用Drucker-Prager屈服准则，锚杆采用杆单元模拟，喷射混凝土初期支护采用梁单元模拟，有限元计算主要参数见表1。

图1 隧道横剖面Fig.1 Tunnel cross section

图2 有限元模型Fig.2 The element model

表1 计算模型材料参数Table 1 Mechanical properties of materials

有限元模拟过程中隧道的施工方法均采用上下台阶法，先依次开挖、支护右洞(先行洞)，然后开挖、支护左洞(后行洞)，分别按净距 4，6，9，12，18，24 m进行有限元模拟与计算，以此来分析高速公路扩建小净距隧道(单洞2车道扩建成单洞4车道)的施工力学效应。

3 数值模拟结果与分析

3.1 围岩应力与变形

围岩的竖向位移见图3。

图3 围岩竖向位移Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock

由图3可以看出，扩建小净距隧道随着净距的增大，围岩竖向位移逐渐减小，后行洞的开挖对先行洞的位移影响不大;先行洞左拱腰和后行洞右拱腰的围岩竖向位移较其他拱腰位移大，即中夹岩柱的围岩竖向位移较大。

围岩的竖向应力见图4。由图4可以看出，先行洞的左拱脚和后行洞的右拱脚围岩竖向应力较大，在净距为9 m(1/2跨度B)时，先行洞左拱脚的竖向应力是右拱脚的2倍左右;在净距为4～9 m时，隧道内侧应力明显大于隧道外侧，即中夹岩柱的应力相对较大，且随着净距的增大而减小，应力最大值出现在拱脚，拱顶应力为最小;在净距为12 m时，两洞的围岩应力基本相等。

图4 围岩竖向应力Fig.4 Vertical stress of surrounding rock

3.2 中夹岩柱受力特性

由分析可知，隧道内侧的围岩是应力变化最大的部位，也是应力最集中的部位，小净距隧道施工关键在于中隔墙的加固处理。中夹岩柱的塑性应变见图5。

图5 不同净距下围岩等效塑性应变云图Fig.5 Contour map of the equivalent plastic strain of surrounding rock with different clear distances

由图5可以看出，塑性应变主要发生在中夹岩柱和拱脚区域，随着隧道净距的增大，中夹岩柱的塑性区逐渐减小，在净距大于9 m时，中夹岩柱几乎未发生塑性应变。故在隧道设计中需对隧道内侧拱腰和内侧拱脚围岩进行加固处理，以减小该部位的变形，达到降低围岩应力集中的目的，保证结构的稳定性。

3.3 支护衬砌结构受力特性

3.3.1 锚杆轴力

计算分析结果见图6。

图6 锚杆轴力Fig.6 Bolt axial force

由图6可以看出，扩挖小净距隧道先行洞周边的锚杆轴力均大于后行洞周边相同部位的锚杆轴力，先行洞的锚杆轴力随净距的增大明显减小;后行洞各部位的锚杆轴力随净距的增大变化不大;而隧道外侧锚杆的轴力约为内侧锚杆轴力的4～5倍，中夹岩柱锚杆轴力反而较之拱腰、拱顶锚杆轴力小。这是由于原有隧道在扩挖过程中充当导洞的作用，使中墙所在区域的围岩应力得到大部分的释放。

3.3.2 初衬内力

初衬内力见图7、图8。

图7 不同净距下初衬弯矩Fig.7 Bending moment of initial supporting-lining with different clear distances

图8 不同净距下初衬轴力Fig.8 Axial force of initial supporting-lining with different clear distances

由图7、图8可以看出，扩挖小净距隧道的初衬轴力和弯矩都随着净距的增大而减小，且先行洞初衬混凝土轴力要明显大于后行洞，在中夹岩处表现的尤为明显，在净距大于4m时，隧道外侧初衬轴力要大于内侧，初衬拱脚处的弯矩要远大于其他部位的弯矩，故在设计时需对拱脚处做加强处理。

4 结语

1)小净距隧道的施工，会导致中夹岩柱出现应力集中的现象，但是对拱顶及隧道外侧围岩影响不大，随着净距的增大，扩挖小净距隧道后行洞围岩应力逐渐大于先行洞。

2)扩建小净距隧道的塑性区域主要发生在内侧拱脚，在设计时需进行加固处理，当净距大于1/2 B时，中夹岩柱受力状态受净距的影响很小。

3)后行洞的施工对中夹岩柱和先行洞右侧拱腰的锚杆受力有影响，对其他部位的影响较小，且隧道外侧锚杆的轴力约为内侧锚杆轴力的4～5倍。

4)隧道拱脚至拱腰部位的初衬内力较大，特别是先行洞左侧拱脚，在设计时需加固。

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