扩建连拱隧道围岩稳定及结构安全性研究

2018-11-13林我棉

福建交通科技 2018年5期

■林我棉

（平潭综合试验区交通投资集团有限公司，平潭 350400）

1 引言

随着我国交通事业的日益发展，公路交通量较早年有了极大的提高，增长速度也远超预期。因此部分隧道已经无法满足其交通量增长的需求,在既有隧道基础上进行改扩建的工程项目也逐渐增加[1][2]，如福建泉厦高速大帽山隧道[3]、福建漳龙高速后祠隧道[4]、沈大高速韩家岭隧道[5]等。

目前，国内针对隧道改扩建的研究已取得了一些成果，但总体而言仍处于起步阶段，可供参考的同类型工程经验也不多。此外，4车道连拱隧道原位扩建为8车道连拱隧道的工程案例国内目前还未见相关报道。

本文结合福建某既有连拱隧道原位扩建方案，采用地层-结构法，对扩建过程中围岩的稳定性、初期支护安全系数、中墙位移、应力和基底承载力等方面开展了探索，并得出相应的结论，对类似连拱隧道扩建设计有一定的指导和借鉴作用。

2 工程概况

既有连拱隧道为双向四车道高速公路隧道，设计行车速度为80km/h，行车道宽度为2×3.75m，净高5m，长140m。进出口段坡体表层覆盖坡残积土；洞顶及洞身围岩主要为残积土、全风化～砂土状强风化花岗闪长岩，结构松散，岩体风化强烈，且泡水易软化，属于极软岩，围岩级别为V级，[BQ]≤250，易坍塌，处理不当会出现大坍塌。隧道地质纵断面如图1所示。

现拟对其扩建为双向八车道连拱隧道，扩建隧道采用两层初期支护：第一层为30cm厚的C25喷射混凝土，I22b钢支撑间距50cm；第二层为20cm厚的C25喷射混凝土，钢格栅支撑间距50cm。临时支护均采用25cm厚的C25喷射混凝土，I20b钢支撑间距50cm。

图1 隧道地质纵断面

扩建隧道拟采用复合式中墙结构，保留部分既有隧道中墙位置二衬，通过水平对拉预应力锚杆等加固措施，使之与既有中墙构成新中墙。

图2 隧道横断面布置

3 围岩稳定分析及支护结构计算

3.1 数值模型

扩建隧道暗埋段均为超浅埋，选取埋深最大位置断面（YK16+600）进行计算分析，围岩级别为Ⅴ级，埋深为29m，地面最大横坡约为15°。

采用同济曙光进行隧道围岩稳定验算分析及结构内力计算。采用三节点三角形单元模拟围岩及既有隧道的中墙，二维梁单元模拟初期支护及临时支护，采用组合梁单元模拟第二层初期支护。边界条件：上表面为地面即自由边界，其余各外表面均设置约束法向位移。二维数值模型如图3所示。

图3 二维有限元网格划分

3.2 参数取值

根据地质资料，洞顶及洞身围岩主要为残积土、全-砂土状强风化花岗闪长岩，结构松散。由于本项目为既有隧道扩建项目，考虑到存在多次扰动，因此地层参数参照《公路隧道设计细则》（JTG/TD70-2010）[6]中 V 级围岩-土（岩）质围岩参数的下限进行选取。详见表1。

表1 地层及材料参数

3.3 计算方案

隧道计算断面所处位置存在地形偏压，根据相关工程经验及研究资料，为消除地形偏压的影响，应采取“先外后里”的开挖顺序[7]。拟采用开挖工序为先开挖左洞，右洞采取加固措施保持通行。

计算方案结合设计的施工步骤，计算时不考虑二次衬砌，开挖后围岩释放荷载50%，初次支护承担50%的围岩释放荷载。施工步顺序如图4所示。

3.4 计算结果

3.4.1 围岩屈服区

图5为施工完成后洞周围岩屈服区的状态，由于洞顶及洞身围岩主要为残积土、全风化～砂土状强风化花岗岩，结构松散，自稳能力差，围岩屈服区基本贯通，自身无法形成承载环。因此在施工过程中，应加强超前支护和初期支护，加强施工监控量测，确保施工安全。

3.4.2 初期支护受力分析

图4 施工步顺序

图5 洞周围岩屈服区

图6为第一层初支的内力图。可以看出，因两洞内侧拱脚与中墙连接处由于存在应力集中，弯距值较大，安全系数分别为0.21和0.26，右洞仰拱（B点）安全系数1.42，其余位置安全系数均满足规范规定1.7×0.9=1.53，满足施工要求。根据《公路隧道设计细则》中规定，支护结构出现的塑性铰小于3个，且不在同一侧侧墙上时，支护结构可起到承载环作用，说明扩建隧道满足稳定性要求。表2为典型位置的内力及安全系数计算结果。

图6 第一层初支内力图

图7为第二层初支的内力图。通过计算可得，第二层初支各截面位置的安全系数除个别连接点外均大于1.53。表3为典型位置的内力及安全系数计算结果。

图7 第二层初支内力图

表2 第一层初支内力及安全系数计算结果

表3 第二层初支内力及安全系数计算结果

3.4.3 中墙分析

3.4.3 .1 中墙位移分析

图8为中墙位移监测点和最终位移图。从图9中可以看出，随扩挖施工的进行，中墙位移总体呈向左侧（靠边坡一侧）移动。左洞右下导坑开挖时，测点水平位移为向左移动2.6mm；当右洞左下导坑开挖时，中墙水平方向产生较大的向右回移，移动至-1.6mm位置；之后随着右洞开挖进行，中墙水平位移继续向左移动，最终稳定在距初始位置-3.0mm处。过程中产生的最大水平位移为-3.2mm，因此施工过程中，应加强对中隔墙的监控量测，确保施工安全。

图8 中墙水平位移示意

图9 中墙水平位移随施工步变化曲线

3.4.3 .2 中墙受力分析

为分析中墙应力随施工步进行的变化规律，取中墙最薄处轴线两侧2个监测点（C、D）和中墙顶部两个角点（A、B）作为监测点，观察其最小主应力（最大压应力）的变化情况，如图10所示。

图10 中墙应力监测点

从图11中可以看出，中墙顶部角点的最小主应力，随施工步进行持续增大。当施工完成时，由于应力集中，左侧角点最小主应力σ3,max达到7.7MPa。根据《公路隧道设计规范》[8]，C25混凝土的轴心抗压强度极限值为Ra=19.0MPa，则综合安全系数，略大于规范最小值2.0。因此，设计时建议对该部位配设多层钢筋网,以提高混凝土局部抗压能力。

图11 中墙顶部角点应力曲线

从图12中可以看出，中墙截面最薄处的最小主应力，随施工步进行基本呈现稳步增长的变化趋势。在开挖过程中，会出现两个突变点，当开挖左洞右下台阶时，中墙右侧（D点）应力有所增大，左侧（C点）应力因得到部分释放而有所减少；当开挖右洞左下台阶时，中墙左侧（C点）应力明显增大，而右侧（D点）应力因得到部分释放而有所减少；当施工结束时，左侧最小主应力值大于右侧，达到5.7MPa，小于中墙C25混凝土的轴心抗压设计强度12.5MPa，满足施工安全性要求。

图12 中墙水平中轴线应力曲线

3.4.4 中墙基底承载力分析

为分析中墙基底应力分布及变化情况，验算其地基承载力能力，取中墙底部两角点处的围岩作为监测点（E、F），观察其最小主应力（最大压应力）的变化情况，如图13所示。

从图14中可以看出，中隔墙基底围岩承受较大的压应力，并随开挖进行逐渐增大。当施工完成后，基底左侧（E点）压应力达到最大值3.64MPa。

图13 中墙基底应力监测点

图14 中墙基底应力曲线

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[9]，当基础宽度大于3m或埋深大于0.5m时，需对地基承载力特征值进行修正：fa=fak+ηbγ(b-3)-ηdγm(d-0.5)。

查地勘报告强风化花岗闪长岩地基承载力特征值fak=0.5 MPa；中墙基底宽度小于3m无需对宽度进行修正；基础埋深的地基承载力修正系数按《规范》表5.2.4取ηd=4.4。

由上式可求得修正后的地基承载力特征值fa=3.58MPa，小于E点应力集中处最大压应力3.64MPa，不满足规范地基承载能力验算要求。因此，必须对地基围岩采取相应的加固措施，以提高基底围岩的承载能力，保证结构的安全。表4为基底左右角点处的围岩应力状态。

表4 中墙基底应力及围岩状态

针对中墙底围岩承受压力较大的情况，设计中根据以往经验，拟在洞口软岩段采用加固基底围岩，以提高围岩承载能力。初步拟定在中墙基底采用 50mm、长度4.0m、间距50cm×50cm的注浆小导管对围岩进行加固，以提高基底围岩的c、φ值（拟提高20%），改善基底围岩的状况。从图15可以看到，在c、φ值提高后，中墙底两侧最大应力处的围岩未进入屈服状态。