既有单线隧道扩建方案优化及施工力学行为分析

2022-09-30周绍文周勇狄贾艳领

西部交通科技 2022年6期

周绍文，周勇狄，贾艳领

(1.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007；2.广西新发展交通集团有限公司，广西南宁 530029)

0 引言

交通量快速增长导致早年修建的道路通行能力日益不足，旧路改扩建是解决上述问题的有效方法。隧道作为道路的控制性工程，对其进行改扩建显得尤为迫切，如日本天王山隧道、大藏隧道、意大利Nazzano隧道、泉厦高速公路大帽山隧道、重庆市机场路渝州隧道扩建工程等[1-3]。范宏柱[4]依托重庆市轨道交通1号线的小什字车站隧道，利用理论分析、数值计算及现场施工验证相结合的方法，分析研究了既有人防浅埋隧道扩挖为大断面地铁车站的施工方法。来弘鹏等[5]针对既有隧道不同服役状态，利用模型试验研究存在不同类型病害隧道扩建过程中的力学特征。黄伦海等[6]结合福厦高速公路“四改八”工程，采用模型试验和数值模拟相结合的方法，研究四车道隧道扩建为八车道隧道最优的开挖方案。刘泉声等[7]结合依托工程，通过数值模拟分析不同开挖方案下隧道改扩建中围岩的力学响应，为隧道开挖提供了合理的方案。

综上所述，目前对于隧道改扩建的研究已取得了较大进展，这些成果有效地指导了既有隧道的改扩建。但目前对于浅埋隧道改扩建的研究仍不足，浅埋隧道的围岩压力和支衬受力均与深埋隧道不同，在改扩建过程中力学行为变化更为敏感。本文依托荆垭隧道开展浅埋隧道改扩建方案优化研究，并对所选方案的施工力学行为进行分析，研究结果可为荆垭隧道改扩建设计、施工提供依据，也可为今后类似工程的实施和理论研究提供参考和借鉴。

1 工程概况

原荆垭隧道位于G321国道桂林市阳朔县境内，建成于20世纪90年代，长120 m，全宽9 m，为单洞双向双车道的二级公路隧道，是连接桂林市区与阳朔县的重要通道。随着经济的发展，交通量增长迅速，隧道路段通行能力日益不足，节假日期间更是通行缓慢、拥堵严重。隧道进出口段植被较发育，覆盖层较薄，基岩为泥盆系灰岩，岩体较完整；洞身段均为微风化灰岩，完整性较好，为Ⅱ级围岩。根据阳朔县的规划部署，荆垭隧道入口段按40 m大道建设，即双向四车道+两条非机动车道+两条人行道。由于既有隧道地处垭口，埋深浅，最大埋深约27 m，两侧山峰高耸，同时，路线两侧房屋密集，建设用地非常有限，因此，荆垭隧道改扩建的方案设计面临巨大的挑战。

2 既有单线隧道改扩建方案优化

在充分分析既有隧道地形、地貌、地质以及竣工资料的基础上，结合国内外隧道改扩建现状以及规划建设要求，对荆垭隧道改扩建提出了双连拱隧道方案、单洞六车道隧道方案、路堑方案以及明挖回填方案等四种设计方案。单洞六车道隧道方案受地形影响，跨度大、埋深浅、受力极其复杂，尚未有可借鉴的研究成果和工程经验，风险极大。综合分析比较其余方案得出，路堑方案和明挖回填方案受地形地质条件的控制，大规模爆破对隧道两端路侧房屋影响较大，严重破坏既有环境，影响阳朔县旅游风景名胜区的形象。而双连拱隧道方案因地制宜，利用既有隧道作为中导洞，下挖中隔墙基础后浇筑中隔墙，两侧扩建，能有效降低设计及施工风险，且有利于环境保护，优势显著，故推荐双连拱隧道方案。主要方案综合比选分析如表1所示。

表1 隧道改扩建方案比选分析表

采用该双连拱隧道方案扩建后，隧道最大开挖宽度达34.446 m(如图1所示)，较现有双向六车道的双连拱隧道略宽，且根据现有对相似跨度隧道的受力性能研究，结构受力较好，安全可行。

图1 改扩建隧道断面形式图(cm)

3 双连拱隧道改扩建施工力学行为分析

既有隧道围岩处于稳定状态，扩建为双连拱隧道需先下挖中隔墙基础，拆除原有隧道支护结构，然后两侧扩挖，隧道围岩要经历复杂的变化过程，不同的扩建施工方法对围岩造成的扰动不同，合理准确地模拟隧道不同扩建方法的施工力学行为可为隧道安全施工提供指导。本文采用数值模拟方法系统研究台阶法、侧壁导坑法与逐层开挖法的施工力学演化规律，以期为隧道改扩建施工提供保障。

3.1 模拟工况

不同施工方法对围岩稳定性产生不同的影响，选择合理的施工方法对隧道改扩建施工安全具有重要意义。为此，对台阶法、侧壁导坑法、逐层开挖法开展研究，三种施工方法分别如图2～4所示。

3.2 计算模型及参数

利用有限元软件ANSYS建立平面模型，如下页图5所示。双连拱隧道中隔墙、初期支护、二次衬砌、围岩以及山体均采用PLANE42单元，系统锚杆采用LINK1单元模拟；中隔墙、初期支护以及二次衬砌采用弹性模型，围岩和山体采用弹塑性模型；各材料物理力学参数依据地质勘探报告和设计资料选取，如下页表2所示。隧道施工过程中围岩荷载释放率按6∶3∶1分配，即围岩承担自身荷载的60%，剩余的30%和10%分别作用在初期支护和二次衬砌上。隧道拱顶下沉、周边收敛位移通过设置的测点来进行监测，结构受力特征通过应力云图读取。

①开挖支护既有隧道；②修建中隔墙；③开挖右洞上台阶；④右洞上台阶支护；⑤开挖右洞下台阶；⑥右洞下台阶初期支护；⑦施作右洞二次衬砌；⑧开挖左洞上台阶；⑨左洞上台阶支护；⑩开挖左洞下台阶；左洞下台阶支护；施作左洞二次衬砌

①开挖支护既有隧道；②修建中隔墙；③开挖右洞侧壁导坑；④右洞单侧壁导坑支护；⑤开挖右洞上台阶；⑥右洞上台阶初期支护；⑦右洞下台阶开挖；⑧施作右洞二次衬砌；⑨开挖左洞侧壁导坑；⑩左洞单侧壁导坑支护；开挖左洞上台阶；左洞上台阶初期支护；左洞下台阶开挖；施作左洞二次衬砌

①开挖支护既有隧道；②修建中隔墙；③开挖右洞第一层；④右洞第一层支护；⑤开挖右洞第二层；⑥右洞第二层支护；⑦开挖右洞第三层；⑧右洞第三层支护；⑨施作右洞二次衬砌；⑩开挖左洞第一层；左洞第一层支护；开挖左洞第二层；左洞第二层支护；开挖左洞第三层；左洞第三层支护；施作左洞二次衬砌

表2 各材料主要物理力学参数表

图5 隧道有限元整体模型图

3.3 计算结果分析

3.3.1 位移分析

不同施工方法下隧道拱顶下沉值与周边收敛监测值如表3所示。由表3可知，三种工法引起的位移值均较小，拱顶下沉量均在1 mm左右，仰拱隆起均在0.8 mm左右，周边收敛值相对差异较大，但其绝对值均≤0.3 mm，后行洞(左洞)拱顶沉降均大于先行洞(右洞)。这是由于隧道扩建过程中左右洞掌子面存在一定的进尺差，左右洞围岩应力路径不尽相同，导致围岩最终变形存在差异。台阶法、侧壁导坑法、逐层开挖法施工所引起的位移值均很小，均能安全施工；而台阶法引起的拱顶沉降最小，施工步骤少、周期短、费用低，应优先选用。

表3 不同施工方法下拱顶下沉值与周边收敛值监测结果表(mm)

3.3.2 应力分析

3.3.2.1 围岩应力分析

如图6～8所示：三种工法均对围岩产生不同程度的扰动，隧道拱顶围岩出现松动下沉，仰拱发生隆起。台阶法对围岩扰动范围最大，侧壁导坑法次之，逐层开挖法最小。不同施工方法第三主应力最大值(分别为4.03 MPa、5.21 MPa、4.15 MPa)均出现在隧道拱腰位置，这是因为在上部荷载作用下，隧道向洞外变形，拱腰位置对围岩产生了挤压作用。

(a)第一主应力

3.3.2.2 二次衬砌应力分析

从不同工法的二次衬砌应力云图(图9～11)可看出：第一、第三主应力云图均较为复杂，这是由于隧道扩建过程中先行洞衬砌受到施工多次扰动的影响，受力情况较后行洞复杂，导致左右洞衬砌受力极不均匀。对比图9～11第一主应力云图发现，其最大值基本都出现在隧道仰拱位置，最小值出现在隧道靠近中隔墙的拱脚拱腰处；第三主应力则相反，最大值出现在隧道靠近中隔墙的拱脚拱腰处。

(a)第一主应力

3.3.2.3 中隔墙应力分析

如图12～14所示，由中隔墙第一主应力云图可知，台阶法施工中隔墙第一主应力云图近似对称，因左右洞掌子面开挖进尺差异，第一主应力右侧数值稍大于左侧，在中隔墙最下端墙脚处取得最大值。侧壁导坑法和逐层开挖法施工时，在中隔墙上中部出现较大的拉应力区，而在中隔墙左下部出现较大的压应力区，这是因为左右洞开挖顺序的差异导致中隔墙受到一定的水平剪力作用。

对比第三主应力云图发现，台阶法、侧壁导坑法、逐层开挖法施工中隔墙主体基本均处于受压区，第三主应力最大值均出现在隧道拱腰附近的中隔墙，分别为3.6 MPa、5.4 MPa、4.1 MPa。三种工法均表明中隔墙底部左侧压应力大于右侧，中隔墙受到向后行洞一侧的偏压，其中逐层开挖法偏压最为严重，但均未超过混凝土的极限抗压强度。