隧道原位扩容稳定性数值模拟分析

2020-12-11王国科

工程技术研究 2020年20期

王国科

（浙江佳途勘测设计有限公司，浙江丽水 323000）

随着交通运输需求的迅速增长，新建公路、隧道都在向着多车道、大通行量发展。既有公路隧道已经不能满足逐渐增长的通行需求，需对其进行扩容以满足通行量的需求。目前关于隧道的扩容方式主要有单侧扩容、双侧扩容、周围扩容和小净距扩容四种方式。

针对隧道扩容稳定性的研究，已经有学者取得了大量研究结果。徐子良等[1]采用FLAC3D分别对既有浅埋隧道单侧扩容与均匀扩容两种方式进行了数值模拟，对比分析了两种方式下隧道原位扩容引起的围岩变形量。结果表明，在围岩处于稳定级别时，隧道原位扩容方式对围岩变形影响较小；张斌等[2]采用超前地质预报技术，探测不良地质区域，采用钻孔验证和钻孔释压，解决了隧道扩容过程中的涌水问题，为其他工程实践提供了一定参考；陈枫等[3]基于某隧道原位扩容工程，根据围岩稳定等级设计了相应的开挖方案，提出了一种高效安全的小净距隧道原位扩容施工方法；欧阳垂礼[4]分别对分部台阶法和上下台阶法两种扩容施工方法进行了数值模拟，对比分析了两种方法下围岩应力及支护结构稳定性，结果表明，上下台阶法更满足隧道结构安全要求，且施工效率更高；吴超凡[5]基于某双连拱隧道原位扩容工程实例，评估了隧道扩容施工过程中的安全风险等级，并提出相应控制措施，保障了施工安全；赖勇等[6]针对变形CRD法、层层剥皮法和三台阶法三种扩容方式进行数值模拟，对比分析了其围岩稳定性变化，结果表明，三种开挖方法对隧道围岩稳定性的影响并无较大差异。

文章以浙江省丽水市塔下隧道原位扩容为工程背景，对其进行了数值模拟，并对该隧道扩容后的稳定性进行了分析，验证了其扩容方式的合理性，研究结果可为类似工程实例提供参考。

1 塔下隧道工程概况

塔下隧道位于浙江省丽水市盆地东南部，地貌分区属浙南中山区，属低山坡麓地貌单元。隧道沿线地面标高介于47～115m，最大高差约68.0m。山坡自然坡角多介于20～40°，局部达60～70°。山坡有松树、乔木等生长，植物层下多为残坡积土及强风化岩，基岩出露较多。隧道穿越低山丘陵区，地形起伏较大，隧道沿线地表水主要为雨季降水，地表径流条件较好，多数以地表径流的形式从沟谷中流到附近的平原水系中，根据当地经验，地表水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋均有微腐蚀，环境作用等级为T3。

2 数值模拟过程

2.1 基本计算假定

数值模拟的分析过程是建立在一定假设条件下的。在基于假设条件的前提下，才能进行下一步的计算分析工作。具体假设条件如下：（1）假定围岩为均质的、各向同性的连续介质；（2）假定岩体中的隧道可以简化为具有一定深度的无限体中孔洞问题；（3）仅将岩体的自重应力作为初始应力时，不考虑岩体的构造应力等其他应力。

2.2 模型的建立

在进行理论计算时，一般认为隧道在一个无限延伸的空间内。但是在建立数值模拟时，是无法模拟这种无限延伸的空间的，任何模型都必须有一个边界。为了避免边界对模拟结果的影响，需将边界设立在距离隧道足够远的地方，并在边界上设置一定的应力，以模拟隧道的受力状态[7]。

文章的计算模型如图1所示。根据塔下隧道实际工况，模型的尺寸为横向尺寸，隧道宽度取16m，下边界距隧道中心8m，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。

图1 计算模型

2.3 数值模拟结果及对比分析

（1）围岩位移特征。塔下隧道扩容所采用的方式为单侧扩容。因此，文章在建立的数值模拟计算模型上采取了同样的扩容方式和现场支护方式进行模拟分析。在对围岩位移的变形特征进行分析时，根据塔下隧道扩容实际支护情况，模拟了开挖后不进行支护、及时支护和滞后支护的隧道围岩位移特征。围岩位移如图2所示。

图2 围岩位移云图

从图2中可以看出，原有隧道在扩挖时，隧道顶、底部分别有明显下沉和鼓起，围岩稳定性显著降低。在隧道扩容开挖后，隧道四周围岩位移相对较大，表明隧道四周的围岩已经遭到了很大程度的破坏，已经失去了原有的承载能力。在垂直方向上，扩建隧道的拱顶部位移最大，且最大位置与原拱顶位置重合；在水平方向上，隧道扩挖侧的水平位移最大，最大水平位移同样出现在原隧道发生位移的最大位置，这是由于原隧道在修建时，围岩已经遭到了损伤和破坏，在隧道扩容施工过程中，对围岩造成了二次扰动，围岩性质急剧降低，导致发生较大的位移。根据数值模拟结果，与滞后支护相比，在及时进行支护后，围岩位移与应力特征有了很大改善，这一结果与塔下隧道采用的及时支护的支护效果较为符合。在原位扩建隧道施工时，在原隧道施工已造成的围岩扰动的范围内，特别是对于已失去塑性的围岩，应加强施工措施，保证施工的安全。

（2）围岩应力特征。根据塔下隧道扩容实际支护情况，模拟了开挖后不进行支护、及时支护和滞后支护的隧道应力特征。围岩应力如图3所示。

图3 围岩应力云图

从图3中可以看出，从所受的最大主应力云图来看，压应力最小的位置位于隧道拱顶处，从拱顶到两边边墙的范围内，压应力逐渐增大。在拱脚外侧区域，出现了明显的应力集中现象。从应力分布方向来看，隧道围岩水平方向最大拉应力分布在拱顶处，最大压应力分布在拱脚处。竖直方向最大压应力出现在拱脚外侧上方，竖直方向最大拉应力出现在拱顶处。因此在隧道施工过程中，应特别关注拱顶和拱脚的应力状态，并采取必要的支护措施加强这两处的支护。

（3）隧道衬砌应力特征。根据塔下隧道扩容实际支护情况，模拟了开挖后及时支护初次衬砌、二次衬砌结构的应力特征以及滞后支护衬砌结构的应力特征。衬砌应力如图4所示。

图4 衬砌应力云图

从图4中可以看出，隧道衬砌结构明显承受了来自围岩的应力，且不同位置的应力状态不尽相同，这表明衬砌结构在维持围岩稳定性方面起到了积极作用。在衬砌结构中，水平方向的应力主要表现为拉应力，竖直方向的应力主要表现为压应力，说明隧道在扩容后，来自顶部的围岩压力要远大于隧道两侧方向的围岩压力。此外，水平应力最大值出现在拱腰位置，竖向应力出现在拱部位置；水平应力和竖向应力均出现在原隧道上方位置，说明此处围岩应力较大。在扩容隧道的使用过程中，应定时监测隧道拱顶及拱腰的压力变化，防止隧道发生垮塌。