双洞市政原位扩建隧道硬岩段扩挖方案比选研究

欧阳垂礼

(中铁四局集团第五工程有限公司,江西九江 332000)

随着社会经济的快速发展，交通量实现了巨大的增长，公路隧道向长度更大、断面更大的方向发展。隧道原位扩建是在既有隧道的基础上，拆除原有的隧道衬砌结构，实现隧道断面的扩大。

早期修建的隧道早已不能满足日益增长的交通量的需求[1]，而受迫于地质条件、施工环境及城市既有建筑物的布置情况等，国内出现了越来越多的隧道原位扩建工程。扩建工程相较于新建工程，施工过程中力学行为的变化更加复杂[2]，目前国内尚无统一的理论依据，缺乏足够的施工经验，因此专家学者主要通过现场监测、模型试验以及数值模拟对扩建施工过程中不同结构的力学行为进行研究。刘泉声[3]进行大量的现场监测，通过分析数据得出了围岩位移、锚杆轴力、二衬接触压力的分布特性及其变化规律。雷明林[4]对现场监控量测数据进行分析研究，得到了渝州扩建隧道在实际状态的围岩位移、应力特征及结构受力情况，并且与数值模拟结果相比较，提出了有效的工程措施。黄伦海[5]通过相似模拟试验，对不同的开挖方案所引起的围岩变形以及围岩应力进行比较，论证了先进行既有隧道的拆除再进行扩挖施工工序的优越性。林嗣雄[6]利用有限元方法比较分析了不同工法下围岩压力、支护弯矩以及洞身收敛在施工过程中的变化规律，并且对不同工法进行了比选研究。

本文以福建马尾隧道原位扩建工程为依托，建立三维有限元仿真模型，对硬岩段隧道的施工开挖方法进行优化研究，重点关注围岩变形、围岩应力、支护应力的发展过程，进而选择合适的施工方案，并通过现场监测的数据进行安全性评判，本文的研究结论以期为类似工程提供一定的参考价值。

1 工程概况

既有马尾隧道位于福州市福马路东端，贯穿马限山，为双洞四车道隧道。两洞成分离式设计，其南北两洞长度均为970 m，两洞净距为22.16 m。北洞最大埋深116.9 m，最小埋深0.7 m；隧道南洞最大埋深126.58 m，最小埋深0.6 m。

工程地质方面，洞身主要通过中风化、微风化凝灰熔岩，围岩等级综合判定如下：隧道北洞IV级围岩305 m，III级围岩465 m，II级围岩200 m；隧道南洞V级围岩176 m，IV级围岩144 m，III级围岩450 m，II级围岩200 m。

由于既有隧道交通量增长所造成的拥堵现状以及长时间运营造成的渗漏水、衬砌开裂、路面裂损等病害问题，拟对隧道进行原位拓宽改造，改造后，隧道由原设计的单洞两车道拓宽为单洞四车道加一人行道。其扩建内轮廓见图1。

2 扩挖方案

由地勘资料可知，马尾隧道中南北两洞III级围岩分别为465 m和450 m，整体占比是最高的，施工的过程中的施工工法的选择将极大的影响整个施工工期，也将对既有隧道的安全性造成一定的影响。根据该工程设计情况，围岩等级为III级时采用分部台阶法扩挖方案(图2)。

2.1 分部台阶法施工主要步骤

(1)拆除上台阶左上既有隧道衬砌，开挖上台阶左侧；

(2)施工上台阶左侧初支；

(3)拆除上台阶右侧既有隧道衬砌，开挖上台阶右侧；

(4)施工上台阶右侧初支；

(5)开挖下台阶左侧，拆除下台阶左既有隧道路面及村砌；

(6)施工下台阶左侧初期支护；

(7)开挖下台阶右侧；

(8)施工下台阶右侧初期支护；

(9)开挖下台阶预留核心土部分，拆除既有隐道路面及村砌；

(10)全断面铺设防水层，施作二衬。初期支护采用喷、锚、网支护，喷射混凝土采用早强湿喷C25喷射混凝土，厚度为22 cm；钢支撑采用I16工字钢，系统锚杆采用φ22水泥砂浆锚杆，长度为4.0 m，环向间距1.2 m，纵向间距1.2 m，梅花形布置；二次衬砌采用C30模筑钢筋混凝土。

图1 马尾隧道原位扩建示意

图2 分部台阶法开挖示意

分部台阶法将上半断面和下半断面各分成多部分开挖成型，适用于有足够的施工空间和施工速度，上部开挖支护后，下部施工较安全，但上、下部同时作业互有干扰。

为了加快施工速度，减少开挖干扰，可优化为上、下台阶法，相比较于分部台阶法是将隧道分为上半断面和下半断面分2次开挖成型，因此缩短了施工工期，但是依旧存在变形控制较差，上、下台阶相互干扰的问题。上、下台阶法施工工序图见图3。

图3 上、下台阶法开挖示意

2.2 上、下台阶法施工步骤

(1)拆除上台阶上既有隧道衬砌，开挖上台阶；

(2)施工上台阶初支；

(3)拆除下台阶右侧既有隧道路面及衬砌，开挖下台阶左侧；

(4)施工下台阶左右侧初期支护；

(5)全断面铺设防水层，施工二衬。

支护方式与支护参数与分部台阶法相同。

3 数值模拟分析

传统的荷载结构法难以反映土体和结构的相互作用，而地层结构法充分考虑了地下结构与周围地层的相互作用，结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形。

3.1 建立模型

根据初步设计文件，总体施工顺序为首先在保持南洞通行条件下 进行北洞原位扩建，后将交通迁改至北洞后再进行南洞原位扩建。本文重点介绍北洞隧道原位扩建过程。

根据圣维南原理，几何模型长度取左右3～5倍洞泾，X方向共计200 m；下边界取3～5倍隧道净高，上边界取至地表高度，Z方向共计120 m；Y方向取至模型前后25 m，Y方向共计50 m。模型示意图见图4。

(a)局部模型

(b)整体模型图4 几何模型示意

岩体模拟时采用摩尔库伦模型模拟。初期支护模拟时采用弹性模型模拟。边界条件为模型左右边界约束水平位移，底部施加竖向约束。

3.2 围岩与支护材料参数

材料参数方面主要根据实际支护材料以及参数计算模拟过程中的本构参数。根据设计文件，初期支护手段采用喷、锚、网支护，喷射混凝土采用早强湿喷C25喷射混凝土，厚度为22 cm；钢支撑采用I16工字钢，系统锚杆采用φ22 mm水泥砂浆锚杆，长度为4.0 m，环向间距1.2 m，纵向间距1.2 m，梅花型布置；二次衬砌采用C35模筑钢筋混凝土。根据据以上数据，本构参数取值见表1。

表1 围岩支护材料参数

3.3 计算工况

前文可知，本次模拟采用分部台阶法和上、下台阶法两种扩挖方法，因此本次模拟采用两种工况。两种工况施工过程中开挖示意图见图5。

(a)分部台阶法

(b)上、下台阶法图5 计算工况

3.4 数值模拟计算与结果分析

3.4.1 围岩变形

图6、图7分别为分部台阶法和上、下台阶法两种工法开挖完成后拱顶、右边墙处的围岩变形对比图。

(a)分部台阶法

(b)上、下台阶法图6 两种工法拱顶处围岩位移

从图中可知看出，从变形规律上看，在上台阶开挖和施作初期支护的过程中，两种方法围岩位移变化的趋势是比较一致的。而在下台阶开挖的过程中，设计的分部台阶法的围岩位移出现了一次突变；从最终变形量来看，上、下台阶法施作初期支护后围岩变形的持续时间比设计的分部台阶法时间长。上、下台阶法和设计的分部台阶法最终拱顶处围岩位移分别为5.5 mm和4.5 mm。

(a)分部台阶法

(b)上、下台阶法图7 两种工法右边墙处围岩位移

因此在只考虑围岩的位移变化时，由于设计的分部台阶法围岩位移值要比上下台阶法小，但是差异较小。

3.4.2 围岩应力

图8、图9为分别为分部台阶法和上、下台阶法两种工法开挖完成后拱顶竖向应力、右边墙水平应力。

(a)分部台阶法

(b)上、下台阶法图8 两种工法拱顶处竖向应力变化情况

从图8、图9中可以看出，在上台阶的开挖过程中，两种方法的水平应力和竖向应力的发展趋势是比较相似的。而在开挖下台阶时，由于设计的分部台阶法对下台阶进行了三次开挖，导致出现了一次突变。从最终应力值来看，上、下台阶法围岩的应力值减小速度比设计的分部台阶法快。上、下台阶法围岩应力的最终值也比设计的分部台阶法小。

3.4.3 支护应力

3.4.3.1 初期支护

图10～图13分别为分部台阶法和上、下台阶法两种工法开挖完成后初期支护竖向应力和水平应力云图。

(a)分部台阶法

(b)上、下台阶法图9 两种工法右边墙处水平应力变化情况

图10 设计分部台阶法初期支护竖向应力

图11 上、下台阶法初期支护竖向应力

图12 分部台阶法初期支护水平应力

图13 上下台阶法初期支护水平应力

应力变化特点是：从初期支护最大竖向应力和水平应力的情况来看，都没超过初期支护材料的抗压强度，结构都是安全的；从局部位置应力情况来看，拱顶位置受到的水平应力较大，而竖向应力较小，边墙及拱脚处则是竖向应力较大，水平应力较大。

3.4.3.2 二次衬砌

图14～图17分别为分部台阶法和上、下台阶法两种工法开挖完成后二次衬砌竖向应力和水平应力云图。

图14 分部台阶法二次衬砌竖向应力

图15 上、下台阶法二次衬砌竖向应力

图16 分部台阶法二次衬砌水平应力

图17 上、下台阶法二次衬砌水平应力

应力变化特点是：对比初期支护应力云图来看，在施作二次衬砌后，两种工法的竖向应力和水平应力均大幅减小，且都小于二次衬砌的设计抗压强度，结构是安全的。

4 现场应用效果分析

根据计算的结论，现场拟将分部台阶法优化为上、下台阶法。从2018年9月～2019年3月之间，对北洞扩挖施工过程进行全过程监控量测。分析采用了上、下台阶法的目标断面K2+283的初期支护的内力变化情况以及安全性。

4.1 初期支护混凝土内力

根据现场实测数据，经过处理之后得到初支混凝土应力变化随着掌子面距离的变化情况(图18)。

图18 混凝土应力变化

从初期支护混凝土上的应力来看，最大的数值为1.2 MPa(压应力)，远未达到喷射混凝土的极限强度，且有较大的安全冗余。

4.2 初期支护钢拱架内力

从开挖后便开始进行钢架内力的监测，转换为轴力和弯矩的数值，如图19、图20所示。

图19 钢架轴力

从图19中可以看出，随着开挖支护的进行，钢架整体上是受压的，数值在开挖后10 d就基本达到稳定，弯矩的数值较小，5 d后就已经稳定，经过最大应力值为115 MPa，远小于钢架材料的屈服强度235 MPa，结构的安全性是满足要求的。

由此可见上、下台阶法在马尾隧道硬岩段扩挖施工中是可行的。

5 结论

以福建福州市马尾原位扩建隧道项目依托，介绍了分部台阶法和上、下台阶法的原位扩挖方案，并通过数值模拟对比分析了两种施工方法，并对现场实际施工的支护结构内力进行了监测。得到如下的研究结论。

(1)从围岩变形方面看，由于分部台阶法将上、下台阶分多部分开挖，支护时机较为及时，因此围岩位移值要比上、下台阶法小，但是总体对比相差不大。

(2)从应力方面来看，上、下台阶法在施工过程中对围岩应力的影响要小于分部台阶法，而两种工法初期支护和二次衬砌的应力大小差别不大。

(3)现场采用上、下台阶法施工后，支护结构内力结果表明隧道的安全性是满足要求的，马尾隧道扩建施工采用上、下台阶法是可行的。