软弱围岩连拱隧道原位扩建围岩变形及结构响应分析

■吴启勇

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

随着经济的不断发展，我国公路交通运输量也逐年增加，加上部分隧道建成时间久远、病害严重，针对既有隧道的改扩建工程提上了研究发展的议程[1-2]。隧道改扩建大致包括原位扩建[3]、小净距扩建[4]和双联拱扩建[5]。针对这3 种隧道扩建方式，学者们开展了大量研究。靳晓光等[6]以某小净距偏压隧道为例，研究了开挖顺序对隧道围岩稳定性和支护措施优化的影响；欧敏[7]通过现场监测、有限元仿真等方法，对特大断面、浅埋、偏压隧道双侧壁不同工法下的围岩、衬砌、临时支撑等施工力学问题进行了研究；武建强[8]依托某高速公路隧道扩建工程，对其合理扩建方式、施工工艺及其力学特性等问题进行了研究；李有凯[9]以某高速公路隧道工程为依托，开展偏压浅埋小净距隧道事故风险评估；黄金山[10]结合现场试验和有限元分析等方法，对特大断面隧道在浅埋、偏压、采用CRD 工法开挖时围岩与支护结构的施工力学问题进行了研究。杨成忠等[11]以江西某隧道工程为依托，分析了在围岩节理裂隙发育、岩体完整性差、存在地下水情况下偏压隧道开挖的围岩稳定性问题。林从谋等[12-13]依据大帽山隧道CD法扩建现场实测结果，建立了隧道施工过程三维有限元模型进行开挖模拟，结果表明数值和变形规律基本吻合，并提出了锚杆支护参数优化建议。

综上所述，目前针对分离式隧道、单洞隧道和小净距隧道扩建方面学者们研究较多，而对于双连拱隧道的原位扩建研究较少。连拱隧道由于隧道间距小、断面跨度大，改扩建工程对围岩、既有隧道结构或新建隧道结构以及中隔墙造成的扰动相较于分离式隧道或单洞隧道、小净距隧道更为严重，施工难度更大。鉴于此，本研究以福建新琼连拱隧道改扩建为工程背景，通过对国内连拱隧道原位扩建的施工工法进行分析，结合数值模拟对隧道采用CD法扩建施工过程中围岩变形和支护结构受力进行了研究，并分析了采用不同加固措施的加固效果。

1 工程概况

随着福建泉南高速的开通，位于该高速永春段的新琼隧道成为重点控制工程。新琼隧道原设计为双连拱隧道，全长140 m。隧道区属丘陵地貌，地形起伏变化，下缓上陡，附近新构造运动不强烈，未见影响场地稳定的活动性断裂。根据地勘资料，隧址区自上而下主要地层为残积砂质粘性土、全风化花岗闪长岩和砂土状强风化花岗闪长岩。

由于新琼隧道建成时间较为久远，左右线均出现不同程度的衬砌裂缝，并且主要集中在隧道两侧边墙和拱顶位置，严重部位甚至出现掉块，钢筋外露等，严重影响了隧道结构的正常运营。且考虑到高速公路扩建的需求，现拟将新琼隧道进行原位扩建。

2 原位扩建隧道施工工法选择

由于既有隧道衬砌的存在，原位扩建隧道难以直接使用单一的工法[14-15]，设计时往往选择偏于保守的工法。通过国内隧道扩建情况进行调研统计，常见的原位扩建典型施工工法见表1。

表1 原位扩建隧道施工工法

由表1 可知，对于“2 扩3”隧道，由于扩挖断面有限，在施工条件允许的情况下往往采用台阶法等便于施工的工法。对于“2 扩4”隧道，IV、V 级软弱围岩段以CD 法、CRD 法的改进工法为主。根据相关意见，并吸取国内相似工程（罗汉山八车道连拱隧道、泉厦高速大帽山隧道）的成功经验，最终决定采用CD 法对新琼隧道进行原位扩建施工，鉴于地形偏压情况，拟考虑先行扩建左洞，保通右洞。

3 隧道结构安全分析

结合相关经验和规范，初步拟定扩建隧道处置采用双层初支，总厚50 cm 的C25 喷射混凝土，配HW200 型钢和钢格栅；二次衬砌采用70 cm 厚的C30 钢筋混凝土。为探究CD 法扩建施工过程中隧道结构的安全，采用荷载—结构法和地层—结构法对各施工关键步骤的初支和二衬进行受力安全分析。由于新琼隧道暗埋段均为超浅埋段，故选取埋深最大位置断面进行计算分析。计算断面处于Ⅴ级围岩中，扩建后埋深29 m，隧道净宽44.62 m，净高14.93 m，地面横坡约为15°。其中强风化灰岩容重取20 kN/m3。各施工步所对应的扩挖阶段见表2。

表2 各施工步所对应的扩挖阶段

计算结果表明，采用双层初支时，安全系数最小值为1.73，位于左洞两侧拱腰和右洞右拱脚位置，均满足规范《公路隧道设计规范》（JTG 3307.1-2018）要求的1.53。

而对二衬进行受力安全分析时发现，当拆除左洞拱顶衬砌，开挖上台阶时（施工步2），右洞二衬受力较大，最大拉应力为1576.76 kN/m2，出现在右拱腰位置；最大剪应力为4200.16 kN/m2，出现在拱底左侧附近。并且右洞拱底出现轻微隆起，隆起值达到6.1 mm，拱顶沉降和拱腰处水平位移最大值分别为13.6 mm 和4.5 mm（图1）。因此，为保障左洞扩建期间右洞的安全通行要求，设计拟考虑采用波纹钢板全断面加固右洞。

图1 施工步2 所对应的衬砌受力

此外，连拱隧道原位扩建时中隔墙的稳定性也是影响结构安全的关键，从图2 可知，在隧道扩建过程中，中隔墙也出现了明显的变形。因此，在施工过程中需对中隔墙进行加固，拟定的加固措施如下：（1）中墙与相邻左洞、右洞衬砌采用对拉锚杆连接成整体，提高中墙稳定性。（2）开挖前先采用C15片石回填至隧道拱腰，以抵抗开挖时产生的偏压荷载，确保中墙稳定。（3）中隔墙底部采用树根桩加固，提高中墙基底土层承载力和中墙稳定性，其中树根桩采用直径108 mm、长10 m 的注浆钢花管，纵向间距80 cm。同时，由于新琼隧道全线位于V 级软弱围岩，跨度大，为避免拱脚出现明显下沉，减少左右两侧拱脚的不均匀沉降，保证施工安全，上台阶落地型钢接头钢板增加纵向连通的槽钢、钢拱架拱脚两侧增设刚度更大的斜撑、提高锁脚钢管刚度和连接面积，减小沉降。在每榀钢拱架两侧设置2 根L=6 m 的锁脚ϕ108 钢管桩（微桩）加固拱脚。钢管内注入细石混凝土，并和拱架焊接。以左洞为例开挖支护断面见图3。

图2 施工步2 所对应的围岩变形

图3 左洞开挖支护示意图

4 加固效果数值模拟分析

4.1 模型概况及参数选取

鉴于地形偏压情况，拟考虑先行扩建左洞，保通右洞。采用MIDAS/GTS 建立了三维有限元模型，模型中共包括3 层土，残积砂质粘性土、全风化花岗，砂土状强风化花岗闪长岩。隧道埋深为29 m，完全处于砂土状强风化花岗闪长岩中。围岩采用摩尔—库伦本构模型，初支、二衬以及锚杆结构为弹性体。模型中土体和二衬为实体单元，而初支和中隔墙采用板单元模拟，锚杆为植入式桁架单元。并对模型做适当假设：洞室周围岩体的变形不考虑受水文地质的影响，并且认为其为各向同性。将隧道洞室的围岩视为理想的弹塑性介质。由圣维南原理[16]，隧道洞室的施工对围岩的扰动范围有限，通常由于隧道施工导致洞室周围岩体在各个方向上应力重分布的距离为：洞室直径的3～5 倍长度内。因此，计算模型沿X 轴方向宽度取200 m，沿Y 轴方向向上取至地表，向下距隧道底部取68 m，隧道位于本地质模型中央部位。模型整体及扩挖隧道见图4。

图4 有限元模型及扩挖隧道示意图

围岩与支护结构的参数见表3。其中，初支和中隔墙中钢拱架的弹性模量采用等效刚度法，按式（1）折算给混凝土。左洞开挖时右洞加固所采用的钢波纹板等效为矩形截面的钢板。

表3 围岩与支护结构的参数

式中：E 为混凝土计算后弹性模量；E0为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架的截面积；Sc为混凝土截面积；Eg为钢拱架的弹性模量。

4.2 施工过程模拟

根据隧道施工方案，在纵向上，共选取25 m 长度范围，隧道施工步距设置10 步，每步长2.5 m。由于左右洞的施工步骤基本一致，只是左洞施工时比右洞增加了设置树根桩与钢波纹板2 步，因此以左洞为例，数值模型的开挖步骤见图5。

图5 隧道扩建施工模拟步骤（以左洞扩建为例）

4.3 计算结果分析

4.3.1 围岩变形分析

由图6 可知，施工结束后围岩的变形均在限值范围内，即采用的综合加固措施可有效控制围岩的变形。围岩最大沉降出现左线隧道拱顶，最大值为35.06 mm；拱底最大隆起值为16.6 mm，出现在左线隧道拱底。最大水平位移出现在右线隧道拱腰位置附近，最大值达到23.47 mm，且中隔墙和隧道拱脚位置处均没有产生较大变形。

图6 扩建施工结束后围岩变形云图

为进一步分析围岩的变形规律，选取埋深最大位置（K16+600）作为特征断面，同时将左右线拱顶作为变形特征点，绘制其位移随施工步变化曲线，见图7。

图7 特征断面拱顶沉降变化图

由图7 可知，左右线围岩变形呈现出不同的变化规律。左线隧道扩建过程中，在其右侧上台阶开挖时，YK16+600 断面就出现了较小的变形，说明在V 级软弱围岩中进行扩建开挖对周围岩体会产生较大的扰动。当施工步为5（左洞开挖至ZK16+592.5）时，此时拱顶沉降开始减小，随后拱顶出现隆起，主要是由隧道偏压引起。当左线隧道土体开挖完成后临空面面积增大，由于受偏压影响，右线隧道土体产生向左倾覆的趋势，导致左线隧道拱顶出现隆起。当施工步为8 时（左洞开挖至典型断面ZK16+600），在随后10 个施工步骤内，特征点围岩竖向位移迅速增大，施工步为18 时（左洞施工结束），沉降值达到24.74 mm，此时左线隧道已经扩挖施工完毕。随后在右线隧道扩建施工过程中，同样受土体偏压的影响，围岩变形速率开始下降，并出现小幅度的隆起，最终变形稳定在22.24 mm。

分析右线隧道扩建施工时特征点拱顶沉降的位移时态曲线可以得出，左线施工对右线隧道围岩变形并没有产生较大影响，左线施工完成后，YK16+600 断面拱顶沉降最大值为5 mm。说明在左线扩建前，对右线隧道采用钢波纹管加固，可以有效控制左线扩建施工对右线隧道的影响。随后右线隧道进行扩建施工时，同样也受地层偏压的影响，拱顶沉降的变化规律与左线类似。

4.3.2 支护结构受力分析

为分析加固措施对隧道支护结构的影响，建立不采取任何额外加固措施的工况，对2 种工况下隧道支护结构受力进行对比分析。连拱隧道加固前后初期支护上应力分布状态，见图8～9。无加固措施时，隧道扩建时初支最大拉应力为2.6 MPa，最大压应力为4.24 MPa，拉应力主要集中在隧道拱肩与拱脚位置处，压应力主要集中在隧道拱顶与拱底位置处。加固后初支最大拉应力为2.26 MPa，最大压应力为3.75 MPa，初支所受应力约减小了12%左右，且加固前后拉应力与压应力的分布变化不大，说明所采用的加固措施可有效减小初支所受应力，但对对应力的分布影响不大。

图8 无加固措施下隧道初期支护应力分布云图

图9 综合加固措施下隧道初期支护应力分布云图

4.3.3 加固效果分析

为进一步探究加固措施对连拱隧道变形的控制效果，结合无加固措施工况，以及仅采用波纹钢板加固措施、仅采用树根桩加固措施和仅采用锁脚锚杆加固措施3 种工况，进行对比分析，具体工况见表4。分析工况中，除加固措施不同外，隧道支护参数相同。

表4 施工工况

（1）波纹钢板加固分析

选取YK16+600 作为特征断面，分析有无波纹钢板加固时，2 种工况下右线隧道拱顶位移的变化规律。图10 为不同加固工况下，右线隧道拱顶在左线隧道扩建施工过程拱顶竖向位移的变化规律。未加固工况下，在拆除左洞拱顶衬砌，开挖上台阶过程中，右线隧道拱顶沉降迅速增大，达到6.0 mm，左线隧道扩建施工完成后，拱顶位移最终稳定在12.57 mm，可见左线扩建施工对右线隧道围岩稳定性产生较大的影响。在仅采取波纹钢板加固措施后，右线隧道拱顶沉降位移显著减小，左线扩建施工完成后YK16+600 断面拱顶沉降最大值减小至约8.12 mm 左右，同比减小35.4%。

图10 特征断面拱顶位移随左线扩建施工变化图

2 种工况下右线隧道变形及加固效果见图11、12 和表5。由表5 可知，在左线扩建施工完成后，采取波纹钢板加固的右线隧道拱顶最大沉降为11.49 mm，拱腰处最大水平位移为15 mm；未采取加固措施的右线隧道拱顶最大沉降为15.87 mm，拱腰处最大水平位移为16.64 mm。由此可见，提前对右线隧道采取波纹钢板加固可有效减少左线隧道扩建施工对右线隧道围岩的扰动，具有良好的加固效果。左线隧道扩建施工对右线隧道水平位移影响较大，波纹钢板的加固效果主要体现在隧道竖向位移。

图11 左线扩建施工完成后右线隧道竖向位移云图

图12 左线扩建施工完成后右线隧道水平位移云图

表5 两种加固措施下右线隧道位移

（2）树根桩加固分析

为探究树根桩对中隔墙的加固效果，分析有无树根桩加固时，2 种工况下中隔墙的受力及变形规律。左右线隧道扩建施工完成后中隔墙最终的变形及受力见图13～15。由图可知，未采取加固措施时，施工结束后，中隔墙最大竖向位移为25.18 mm，并且最终状态下中隔墙在水平方向上产生偏左位移，最大值达到8.96 mm，分析其原因可能为隧道所处的偏压地理环境，加上隧道运营时间久远，隧道围岩被雨水侵蚀出现不同程度劣化所导致的。另外从中隔墙应力云图可以看出，施工完成后，中隔墙主要以受压应力为主，但在进口端4 个角承受较大的拉应力，最大值达到5612.58 kN/m2，容易产生拉裂破坏。当采取树根桩加固后，中隔墙的最大竖向位移减小至12.47 mm，最大水平位移减小至5.56 mm，Z 轴方向所受最大拉应力减小至3994.14 kN/m2，同比分布减小57.7%、37.94%和28.84%。

图13 隧道扩建施工结束后中隔墙竖向位移云图

图14 隧道扩建施工结束后中隔墙水平位移云图

图15 隧道扩建施工结束后中隔墙Z 轴方向应力云图

为直观反映树根桩对中隔墙的加固效果，取开挖距离为10 m （K16+597.5）、15 m （K16+602.5）和20 m（K16+607.5）3 个监测断面，每个监测断面取沉降变形的最大值作为研究对象，2 种工况下各断面沉降变形最大值和水平位移最大值见表6。由表6可知，采取树根桩加固措施后，3 个监测断面沉降最大值平均减小51.59%；水平位移最大值平均减小47.2%，由此可见，采用树根桩对中隔墙加固效果显著。

表6 典型断面处中隔墙位移最大值（单位：mm）

（3）锁脚锚杆加固分析

为分析锁脚锚杆加固措施的处置效果，选取无加固措施、仅采取锁脚锚杆加固和综合加固措施3 种工况，对比分析3 种工况下扩建施工完成后左右线隧道拱脚沉降最大值的变化规律及其加固效果，各工况下拱脚沉降最大值见表7。由表7 可知，在仅采取锁脚锚杆加固措施后，左线隧道拱脚沉降最大值减小至3.12 mm，右线隧道拱脚位移减小至约3.04 mm，同比分别减小了32.61%和36.13%，拱脚处变形得到了很大的改善；表明锁脚锚杆对拱脚处土体的变形起到了很好的抑制作用。当采取综合加固措施时，左线隧道拱脚沉降最大值减小至2.65 mm，右线隧道拱脚位移减小至约2.36 mm，同比分别减小了42.76%和50.42%，加固效果进一步提升。因此，在连拱隧道改扩建施工过程中不仅需要对拱脚进行加固，同时也应该注重对中隔墙和相邻隧道的加固。

表7 各工况下拱脚沉降最大值及其加固效果

5 结论

本研究以福建新琼连拱隧道改扩建为工程背景，结合数值模拟对隧道采用CD 法扩建施工过程中围岩变形和支护结构受力进行研究，并对比分析了不同加固措施的加固效果，得到以下结论：（1）对国内隧道原位扩建的施工工法进行统计分析，从新琼隧道自身特殊工况出发并吸取国内相似工程的成功经验，选用CD 法对新琼隧道进行原位扩建施工。（2）当拆除左洞拱顶衬砌，开挖上台阶时（施工步2），为右洞二衬最不利工况。为保障左洞扩建期间右洞的安全通行要求，提出采用波纹钢板全断面加固右洞。同时结合连拱隧道受力特性和隧道所处的地理环境，对中隔墙采用树根桩加固，拱脚采用锁脚锚杆加固等加固措施。（3）采用CD 法进行原位扩建并结合波纹钢板、树根桩及锁脚锚杆等加固措施后，有效减小了施工过程中围岩变形和支护结构受力。扩建施工结束后，围岩沉降最大值35.06 mm，出现在左线隧道拱顶；水平位移最大值23.47 mm，出现在右线隧道拱腰位置附近。并且与未采取加固措施相比，初支所受应力约减小12%左右，加固效果明显。（4）波纹钢板加固措施对控制右线隧道围岩变形有较为明显的效果，与未加固工况相比，左线扩建施工结束后，拱顶沉降和水平位移同比分别减小27.6%和10.93%。由于隧道所处的偏压地理环境，施工完成后，中隔墙产生较大变形，并且在进口端4 个角承受较大的拉应力。当采取树根桩加固后，中隔墙的最大竖向位移、最大水平位移和Z 轴方向所受最大拉应力同比分布减小57.7%、37.94%和28.84%。在仅采取锁脚锚杆加固措施后，左线隧道拱脚沉降最大值减小至3.12 mm，右线隧道拱脚位移减小至约3.04 mm，同比分别减小了32.61%和36.13%，拱脚处变形得到了很大的改善。