对于路桥工程中改扩建隧道的研究

对于路桥工程中改扩建隧道的研究

摘要：随着我国经济建设的迅速发展，交通隧道的建设也迅猛增长，对公路桥梁隧道日交通量的要求也越来越高。在一些经济发达地区，双向四车道乃至双向六车道桥梁隧道已不能适应交通量日益增长的需求，在原有隧道基础上改建或新建成为双向八车道隧道的建设显得尤为迫切。

关键词隧道 扩建 原位扩建

1 概述

由双洞双向四车道改建为双向八车道隧道主要有以下三种方案：①一是在原有隧道旁新建两个两车道隧道形成四洞双向八车道隧道；②二是在原有隧道旁新建一个两车道隧道，另一个隧道原位扩建成四车道大断面隧道，形成三洞双向八车道隧道；③三是把原有两车道隧道原位扩建成两个四车道隧道，形成双洞双向八车道大断面隧道。

在原隧道旁新增隧道和小净距隧道类似，施工工艺相对简单，目前施工经验也相对成熟；但在原有隧道基础上原位扩建成大断面隧道在国内外都非常少见，可参考的资料极少。查阅国内外相关文献资料，目前原位扩挖隧道的类似工程主要有日本天王山隧道扩挖——老旧隧道扩挖、日本大藏隧道扩挖[1]以及关村坝隧道扩建喇叭口工程[2][3]等。因此，对隧道原位扩建是一个新的课题，需要研究和解决的方面很多，很有必要开展这方面的研究工作。

2 隧道原位扩建形式

受改建路线的，根据扩建隧道与原隧道的位置关系，单洞原位扩建可以归纳为以下三种形式：一是单侧扩建（见下图1），即原隧道的一侧边与扩建隧道重合；二是两侧扩建（见下图2），即原隧道在扩建隧道的中间，但底边与原隧道重合；三是周围扩建，即原隧道在扩建隧道的内部，边缘与扩建隧道均不重合（见下图3）。

图1 单侧扩建形式

图2 两侧扩建形式

图3 周围扩建形式

上述三种隧道原位扩建形式虽然都能达到扩大隧道断面的目的，但是不同的形式对围岩的扰动或稳定性影响是不同的，其施工工序也不同，都有其优缺点。本文以某隧道为例[4]，采用数值计算手段，分析三种不同扩建形式下围岩的稳定性情况，从而提出合理的扩建形式。

3 工程概况

该隧道为双洞四车道分离式隧道，左右洞均位于直线段内，长度均为582m。隧道纵坡均为-2.0%，进出口均为仰斜式洞门，洞内采用电光照明和机械通风，隧道防水采取以排为主，防排结合的综合措施。隧道结构按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌。原隧道建筑内轮廓见下图4。

图4 原某隧道内轮廓图（单位：cm）

受扩建路线的影响，某隧道其中一个隧道需要原位扩建，原位扩建后隧道为四车道大断面隧道，四车道大断面隧道内轮廓如下图5[5]。

图5 扩建后隧道内轮廓图（单位：cm）

扩建隧道采用复合式衬砌结构。根据设计资料和地勘资料，IV、V级围岩、支护结构物理力学参数如下表1。

4 计算方案

4.1计算软件

本次计算采用MIDAS软件。MIDAS/GTS是包含了岩土和隧道工程领域最近发展技术的专业程序，具有应力分析、渗流分析等多种分析功能，提供了包括静力分析、施工阶段分析等的强大功能。程序提供了Mohr-Coulmb模型、Drucker-Prager模型等可供用户选择的各种本构模型。MIDAS/GTS提供了面向任务的用户界面，可以对复杂的几何模型进行可视化的直观建模。在后处理中，它能以表格、图形、图表形式自动输出简洁实用的计算书。MIDAS/GTS软件以其使用方便、功能强大、运算准确快速而在岩土隧道工程领域迅速发展。

4.2计算方案

根据前述隧道原位扩建方案和某隧道情况，本文对某隧道采用单侧扩建、两侧扩建和周围扩建三种形式采用有限元进行计算，分析三种扩建形式下IV级和V级围岩条件下围岩、应力、屈服情况，从而为某选取合理的扩建形式提供依据。

4.3计算模型

下图6为某隧道三种不同扩建形式的有限元网格划分，采用平面应变单元进行计算。

（a）扩建方案一有限元模型

（b）扩建方案二有限元模型

（c）扩建方案三有限元模型

图6有限元计算模型

4.4计算过程控制

数值计算模拟整个隧道的施工过程，分施工步进行计算。具体过程如下：

扩建形式一：

施工步1：初始应力状态模拟；

施工步2：开挖左侧导洞（包括拆除原洞二衬）；

施工步3：隧道左侧导坑初期支护、临时支护和开挖右侧导坑上台阶；

施工步4：右侧导坑上台阶初期支护、临时支护、开挖右侧导坑下台阶，右侧导坑下台阶初期支护；

施工步5：隧道二次衬砌。

扩建形式二、三：

施工步1：初始应力状态模拟；

施工步2：开挖右侧导洞上台阶（包括拆除右侧导洞上台阶原洞二衬）、右侧导洞上台阶初期支护；

施工步3：开挖右侧导洞下台阶（包括拆除右侧导洞下台阶原洞二衬）、右侧导洞下台阶初期支护；

施工步4：开挖左侧导洞上台阶（包括拆除右侧导洞上台阶原洞二衬）、左侧导洞上台阶初期支护；

施工步5：开挖左侧导洞下台阶（包括拆除左侧导洞下台阶原洞二衬）、左侧导洞下台阶初期支护；

施工步6：隧道二次衬砌。

5 计算结果及分析

5.1位移分析

5.4.1 V级围岩

隧道开挖完成后V级围岩下三种扩建形式的隧道围岩位移对比分析结果如图7所示。三种形式拱顶的竖向位移随施工步的变化过程曲线如图8所示。

(a)方案一

(b)方案二 ©方案三

图7 开挖完成后围岩竖向位移(单位：m)

图8 V级围岩拱顶下沉位移曲线

由计算结果可以看出，三个方案拱顶的最大下沉位移分别为8mm、5mm和5mm，最大水平位移分别为5mm、3mm和3mm。方案一位移最大，但从云图可以看出，方案一最大位移分布范围最小。因此，V级围岩下三种方案位移对围岩稳定性影响基本相同。

4.4.2 IV级围岩

同样，IV级围岩下三个方案拱顶的最大下沉位移分别为7mm、6mm和6mm，最大水平位移分别为2mm、2mm和2mm。方案一位移最大，但从云图可以看出，方案一最大位移分布范围最小。因此，IV级围岩下三种方案位移对围岩稳定性影响也基本相同。

4.2应力分析

4.2.1 V级围岩

隧道开挖完成后（未作二衬）三个方案的隧道围岩最大主应力结果如图9所示。

(a)方案一

(b)方案二 ©方案三

图9 最大主应力（单位：kPa）

从计算结果可以看出，隧道开挖完成后三个方案围岩的最大主应力（σ1）分别为：-0.9~ 0.098MPa、-1.016~ 0.087MPa和-0.575~ 0.118MPa；最小主应力（σ3）分别为：-2.639~ -0.075MPa、-2.251~ -0.175MPa和-1.970~ -0.147MPa；围岩最大压剪应力（Sxy）分别为：-0.481~ 0.475MPa、-0.776~ 0.516MPa和-0.779~ 0.331MPa。可见，考虑围岩受拉破坏时，方案一好于方案二，方案三好于方案一，但方案三的受拉影响范围较大，且施工复杂。因此，方案一优于其它两个方

案。

4.2.2 IV级围岩

从计算结果可以看出，IV级围岩下隧道开挖完成后三个方案IV级围岩的最大主应力（σ1）分别为：-1.166~ 0.305MPa、-1.372~ 0.408MPa和-1.383~ 0.212MPa；最小主应力（σ3）分别为：-6.769~ -0.508MPa、-6.225~ -0.518MPa和-6.214~ -0.517MPa；围岩最大剪应力（Sxy）分别为：-2.168~ 2.408MPa、-2.570~ 1.522MPa和-2.9~ 1.494MPa。可见，考虑围岩受拉破坏时，σ1显示方案一好于方案二，方案三好于方案一，Sxy显示方案一最差，但方案一的受拉影响范围较小，且施工方便。因此，方案一优于其它两个方案。

参考文献：

[1]中交第一公路工程局有限公司.JTG F60—2009隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。