既有南岭隧道扩建形式数值分析

许明堂 谢 忠 徐海鑫

(中铁七局集团第二工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

目前我国既有隧道扩建工程还不是很多，但随着社会经济的发展，对既有隧道进行改扩建已成为一种趋势。胡居义、黄伦海[1]把隧道扩建型式归纳为单侧扩建、双侧扩建和周围扩建三种型式，并借助有限元分析的方法建立了不同的计算模型，并通过对大帽山隧道两种不同围岩级别下的三种扩建型式进行了模拟分析，得出了最合理的原位扩建型式；高干、刘元雪等[2]依托鹅岭隧道扩建工程，计算并分析了四种不同扩建型式下隧道结构的稳定性及围岩的受力和变形情况，确定了单侧扩建为该隧道的最佳扩建型式；冯广[3]针对普通分离式双洞四车道隧道扩建成八车道提出了六种扩建型式，并通过比选，得出了依托工程合适的扩建方案。尧少敏[4]以双向四车道扩建为双向八车道为例，分析各种扩建型式的适宜条件及优缺点，并针对幸福隧道，从经济、技术等方面进行分析，得出适合于幸福隧道的扩建型式为原位扩建为两车道隧道。卢晓玲等[5]结合公路隧道的特点，对新建方案和扩建方案分别进行了详细的分析，提出高速公路在既有隧道内增加1个～2个车道时，将会导致施工难度及风险较大，经过各种方案对比后，建议采用新建隧道的方案；如果既有隧道结构比较稳定，隧道净空也满足使用要求，则可采用局部改建的方案。

既有隧道的扩建型式主要有单侧扩建、双侧扩建和周围扩建，单侧扩建为保持扩建隧道的一侧与既有隧道边界重合，双侧扩建为保持隧道仰拱处与既有隧道重合，周围扩建是指既有隧道完全位于扩建隧道的内部，各扩建型式示意图如图1所示。

目前既有隧道扩建型式的选择要结合既有隧道路线的线型以及隧道界限的要求，综合考虑既有隧道扩挖施工对围岩稳定性产生的影响来判定，充分利用既有隧道工程，减小改建工程量。本文针对两种扩建型式对围岩力学响应规律进行模拟研究。

1 数值计算模型的建立

1.1 土层参数选取

根据南岭隧道地质勘察报告，并结合相关规范，选取的各层围岩的物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

1.2 计算模型建立

本文选取Ⅴ级围岩最大埋深处(DK85+920)建立二维有限元分析模型，模型在水平方向长度取为80 m，竖直方向取70 m，上部取至地表，隧道两侧及底部距模型边界长度均为3倍～5倍洞径。模型上部地表为自由边界不设约束，下部为竖向位移约束，左右两侧为水平位移约束。土体、既有隧道衬砌采用平面应变单元，扩挖隧道初期支护及二衬采用梁单元，锚杆采用植入式桁架单元。土体本构采用摩尔库仑强度准则，既有隧道衬砌、初期支护、二衬及锚杆采用弹性本构。初始应力场按自重应力场模拟，运用Madis/GTS有限元分析软件的激活和钝化功能来实现既有隧道的扩挖和支护的施作。依据现场施工工况，隧道扩挖步的荷载释放系数设为0.6和0.4。施工过程采用台阶法开挖，不考虑超前支护对施工过程的影响。

2 结果分析

表2 两种扩建型式最大位移 mm

由于双侧扩建和单侧扩建两种工况的位移分布规律相似(见图2)，本文只列出了单侧扩建型式的最后施工阶段围岩位移云图如图3所示，两种扩建型式的最大位移计算结果如表2所示。

由两种扩建型式竖向位移云图可以看出，两种扩建型式的拱顶下沉位移云图相差不大，最大位移均发生在拱顶处，由拱顶至地表竖向下沉位移逐渐减小。拱底最大隆起位移单侧扩建较双侧扩建稍大，且均发生在拱底靠近两拱脚处位置。由两种扩建型式水平位移云图可以看出，双侧扩建左右两侧水平位移呈对称形式，单侧扩建未扩挖侧(左侧)位移明显小于扩挖侧，这是由于单侧扩建时未扩挖侧围岩扰动较小，且原始锚杆能够承受一定的作用，阻止未扩挖侧围岩的变形。由表2可以看出，单侧扩建围岩拱顶下沉位移比双侧扩建有所减小，大约减小10%，但拱底隆起位移增大约30%。单侧扩建隧道围岩左、右两侧水平位移分别较双侧扩建减小59%,14%。除拱底隆起位移外，单侧扩建其他位移指标均小于双侧扩挖。因此，从围岩位移角度来看，单侧扩建优于双侧扩建。

3 结语

本文利用有限元软件Midas对既有南岭隧道改扩建形式引起的隧道围岩位移进行分析，得到以下结论：

1)除拱底隆起位移外，单侧扩建其他位移指标均小于双侧扩挖；

2)单侧扩建围岩拱顶下沉位移较双侧扩建约减小10%，左、右两侧水平位移分别较双侧扩建减小59%，14%。因此，若隧道线型满足要求，建议优先选用单侧扩建。