渝州扩建隧道施工方法优化研究

雷明林

（国家林业局昆明勘察设计院道桥勘察设计一所， 云南 昆明 650216）

随着我国沿海及内地发达省市经济的快速发展，在上世纪90年代建成的双向4车道高速公路难以满足交通量的快速增长，因此在原有隧道基础上由双向4车道改扩建为双向洞8车道公路的工程项目越来越多。双洞8车道公路隧道跨度17米，矢跨比小于0.5，为特大断面公路隧道。由于国内外都非常少见，能借鉴的经验也很少。目前类似工程有意大利的Nazzano公路隧道、日本天王山隧道、日本大藏隧道、厦泉高速公路大帽山隧道等[1]。所以对施工方法进行优化是很有必要的。

1 项目概况

渝州隧道是重庆市机场路拓宽改造工程的一部分，现状为双洞，平面成喇叭型布置，进口段2隧道结构间岩石净距约7.8m，出口段为15m。隧道净宽10m，净高6.7m，圆拱直墙式素混凝土衬砌，拱厚75cm，边墙厚110cm。改造后，隧道净跨17.081m，净高8.482m。隧道总长643m（单洞）。

该隧道位于川东丘陵地区，地貌为构造剥蚀丘陵，中丘地形，地面标高435～488m。上部覆盖层一般厚度0～2m，下伏基岩主要为侏罗系中统沙溪庙组的砂岩、泥岩，岩层倾角20～25。根据调查，原隧道现状稳定，洞壁无地下水渗出，地下水不发育。根据相邻场地工程地质条件及重庆地区经验，隧道所经过地段为第4系人工填筑及洪坡积层，基岩为砂岩、泥岩地层，岩体较完整，节理一般不发育。隧道平均埋深约30m[2]。

2 开挖方法

由于机场路为城市快速路，为保证施工过程中交通正常运行，整体施工顺序为：封闭右洞交通先进行右洞施工，保证左洞现状交通；待右洞施工完成后，转换交通，封闭左洞交通，施工左洞。

渝州隧道原位扩建根据其工程特点，开挖断面的选择上有以下二种方式（见图1.1）：

方案一：分部开挖，见图1.1-a，开挖图示Ⅰ部分及拆除原隧道拱、墙结构；图示①初期支护及跨中支护；开挖图示Ⅱ部分；图示②初期支护；开挖图示Ⅲ部分；图示③初期支护部分并拆除跨中支护；图示④初期支护；开挖并浇筑图示⑤二次衬砌边墙基础；浇筑⑥图示二次衬砌的浇筑。；

方案二：全断面开挖，见图1.1-b，开挖图示Ⅰ部分及拆除原隧道拱、墙结构；图示①初期支护；开挖并浇筑图示②二次衬砌边墙基础；浇筑③图示二次衬砌的浇筑。

(a)分部开挖 (b)全断面开挖

图1.1开挖断面图

3 模型的建立

表1.1 围岩、支护结构物理参数[2]

3.1 模型的建立

本模型分析中选取的计算范围为:横向尺寸以隧道宽度取为145m，下边界距隧道中心为30m，上边界为自由表面，洞身围岩段长度为60m，模型左、右边界水平位移约束，下边界竖向位移约束，上边界为地表自由面。见图1.2：

图1.2数值模拟模型图

原隧道初期支护及二衬、新隧道初期支护、及二衬材料按弹性材料来考虑，并采用梁单元进行计算，锚杆也按弹性考虑，采用植入式桁架进行计算，隧道围岩及原隧道围岩材料按均质弹塑性考虑，采用实体单元进行分析，并采用摩尔－库仑等面积圆D-P屈服准则[3]。

3.2 施工过程控制

由于交通不能中断，需要保持一个洞通行，只能在一个隧道扩挖完成以后，再扩挖另一侧隧道，渝州隧道先进行右洞扩挖施工，然后再进行左洞扩挖施工。仅模拟右洞扩挖，施工步骤如下：

IV级围岩扩建型式优化数值仿真模拟，方案一分32个施工步，方案二分26个施工步，具体过程如下：

方案一：施工步1：初始应力状态模拟；施工步2：模拟原隧道开挖；施工步3、4：模拟原隧道支护；施工步5-24：扩建隧道第一分部开挖（包括拆除相应原隧道支护）；施工步8-27：扩建隧道第二分部开挖；施工步11-30：扩建隧道第三分部开挖；施工步12-31：扩建隧道初期支护；施工步32：扩建隧道二次衬砌。

方案二：施工步1：初始应力状态模拟；施工步2：模拟原隧道开挖；施工步3、4：模拟原隧道支护；施工步5-24：扩建隧道开挖（包括拆除相应原隧道支护）；施工步6-25：扩建隧道初期支护；施工步26：扩建隧道二次衬砌；

4 计算结果分析

4.1 围岩位移特征

隧道右洞开挖完成后(二衬施作前)IV级围岩二个方案的隧道围岩位移对比分析结果如图1.2、1.3所示。

由计算结果可知，在IV级围岩下，二个方案拱顶的最大下沉位移分别为9.37mm、11.11mm；最大水平位移分别为 6.4mm、11.12mm，二个方案均是向外扩展，使隧道的横向宽度有所增加。从竖向位移及水平位移比较来看，分部扩挖所产生的最大竖向位移比水平位移大，而全断面扩挖时最大竖向位移与水平位移基本相同。方案一分部开挖围岩位移较小，从理论上来讲，采用此种施工方法，能使施工安全得到极大的保障，但其施工步骤较复杂，施工进度也较为缓慢，成本较高；方案二全断面扩挖的围岩位移较大，从安全性的角度来讲，此种施工方法危险系数较方案一低，但其施工步骤简单，施工进度快，从而使工程能及时投入使用，经济效益显著。因此，在竖向及水平位移能满足规范的要求下，选择方案二全断面一次性开挖较好。

4.2 围岩应力特征

隧道右洞开挖完成后 (二衬施作前)IV级围岩二个方案的隧道开挖后围岩应力如图1.4、1.5所示。

从图1.4、1.5可知，在IV级围岩下，统计得到隧道围岩最后施工步的应力结果方案一为2.79Mpa，方案二为2.79Mpa。从应力比较而言，两个方案比较接近。因此，建议采用方案二。

从以上分析结果可知，全断面一次性扩挖对渝州隧道以及类似工程是比较适合的。

5 施工监测

YK0+570断面拱顶下沉及周边位移测量位移与时间的关系曲线如图1.6、图1.8，拱顶下沉速率图1.7，周边位移速率图1.9。结合图1.5、图1.8可知，该隧道拱顶下沉及周边收敛累计值呈增大趋势。但其绝对值并不大，其中拱顶下沉累计值最大为9.22mm，位于隧道轴线正上方；周边收敛累计最大值为8.832mm，位于隧道的拱腰位置。说明位于隧道拱部及拱腰位置围岩变形较大。由图1.7、图1.9可以看出，拱顶下沉速率及周边位移速率越来越小，逐渐趋近于0，按我国《公路隧道施工技术规范》(JTJ042-94)当周边位移收敛速率为0.1～0.2mm/d，拱顶下沉速率为0.07～0.15mm/d时，围岩已稳定。经过分析，在围岩经过30天变形后，周边位移速率及拱顶下沉速率已在此范围内，说明此时围岩变形已稳定。证明全断面一次性扩挖是适合渝州隧道的。

6 结论及建议

渝州特大断面隧道扩建工程右洞目前已建成通车，通过对渝州隧道施工方法的对比分析，可得到如下结论及建议：

1 ）通过数值模拟,可以掌握隧道围岩位移及应力特征，并建议采用一次性扩挖对渝州隧道是可行的；

2 ）通过现场监控量测的验证，说明此方法对于渝州隧道是可靠，安全的；

3 ）通过采用数值模拟、监控量测手段进行施工方法优化分析，所得出的结论是可靠的，可以为其它类似工程提供依据和参考。

[1]胡居义，黄伦海.隧道原位扩建成特大断面隧道的扩建方案优化研究[A]中国公路学会隧道工程分会2009年全国公路隧道学术会议论文集[C].重庆：重庆大学出版社，2009.

[2]重庆市设计院.机场路拓宽改造工程--隧道设计施工图[Z].重庆：重庆市设计院，2010.

[3]王良，刘元雪.软弱围岩隧道开挖的有限元模拟[J].重庆工学院学报.2005,19(08)：104-112.

[4]唐颖.大帽山大跨度扩建隧道设计要点[J].公路，2009，10(10)：263-266.

[5]JTG F60-2009.公路隧道施工技术规范[S].