對于路橋工程中改擴建隧道的研究

趙東峰

摘要：路橋隧道工程中改擴建依然存在很多的不足之處，相關單位和部門要加強對于改擴建的研究，提高防水措施的質量?

關鍵詞：路橋工程；改擴建；隧道研究

1 概述

一般來講，要想將雙向四車道的隧道變成八車道，可以采用下面幾種方式：方案一：在原隧道兩側分別各自創建一個新隧道，由之間的雙洞四車道變成四洞八車道；方案二：將其中一個原隧道一側創建新的能夠雙向容納兩臺車輛的隧道，另外一側變成大斷面隧道，同之前一樣能夠雙向容納四臺車輛，兩者形成新的三洞雙向八車道；方案三：將兩個隧道都變成大斷面隧道，都能夠雙向容納四輛車，進而形成新的雙向八車道。上述幾個方案中，新建隧道原理簡單，工藝簡潔，在實際工程中的應用非常多，相關經驗也較為豐富，例如本公司實施的項目杭金衢高速擴建工程就引用了該原理，為了維持原隧道的結構，在實際的施工過程中，需要針對二襯結構的振速實施實時監控，該數值要維持在低于10cm/s的范圍內，以此來維持原隧道在施工過程中的原有結構，防止出現坍塌等現象。但是對原隧道進行大斷面擴建的相關技術就非常少，這種方案在實際工程的例子也不多，據相關文獻可知，日本曾經運用過此方案進行隧道改建，具體項目就是天王山隧道等。由此可見，隧道原位擴建的相關研究甚少，對此進行研究能夠很好的解決當前隧道施工面臨的些許問題，對新課題的研究非常有必要?

2 隧道原位擴建形式

受路線限制等多方因素的影響之下，從擴建前后隧道所處的位置，可以對單洞擴建進行以下的總結，此類工程擴建方式主要分為下面幾種方案：方案一：單側擴建，主要是行用施工方以隧道的一側為基準進行擴建，新建的隧道與原隧道的一側邊界能夠重合；方案二：雙側擴建，主要是形容施工方以隧道的中線為基準進行擴建，新建的隧道與原隧道的中線能夠重合、底邊也能夠重合；方案三：周邊擴建，主要是形容在原隧道周圍同時施工改建，新建的隧道無論是在中線、邊緣還是在底部都不會與原隧道產生重合的現象。

三種方案都能夠達到原位擴建的目標，但是不同方案采取的不同施工方式會對隧道周邊巖石的穩定性造成不同的影響，并且相互對比之下，各自有各自的特色，并且也分別具有缺點。本文通過介紹某隧道，應用數值計算的方式，對三種方案實施過程中對周邊巖石穩定性造成的不同影響進行了詳細的闡述與研究，從而提出合理的擴建形式?

3 工程概況

工程中的隧道為雙洞四車道，隧道雙洞都處于直線段，雙側隧道的長度都是582米。縱坡-2.0%，隧道進口采取仰斜式門，隧道出口與之相同，隧道內部通風通過機械來實現，隧道內部的給排水設計主要是采用防排結合的模式。該隧道結構遵循新奧法原理?

該隧道并不需要雙洞擴建，只需要擴建其中之一，采用原位擴建之后形成新的四車道大斷面。綜合地勘資料之后，將隧道圍巖的參數列成下列表格：

4 計算方案

4.1 計算軟件

本次設計采用的計算軟件為MIDAS，該軟件在隧道工程領域的應用非常廣泛，能夠提供近幾年該領域的相關技術，以及具體程序，能夠自主進行結構應力計算、隧道滲流計算等等，除去這些基本的功能，該軟件還可以自主完成靜力計算等功能。軟件中設置了Mohr-Coulmb等模型結構，在實際的模擬計算過程中可以選擇符合工程特色的本構模型。該軟件的用戶界面能夠明確列出任務菜單，通過分析復雜的結構組成，進而對其進行直觀地模型構建。而經過該軟件處理之后，該軟件能夠向用戶提供直觀地圖形、表格等輸出數據，還能夠自動形成簡易模式的計算書。該軟件具有多種功能、應用便捷、計算快速，因此在隧道領域的應用非常廣泛，發展也相對迅速。

4.2 計算方案

通過對某隧道的擴建方案模擬來分析不同方案下IV級和V級圍巖表現出來的特性，模擬方案選取三種：即單側擴建方案?兩側擴建方案以及周圍擴建方案，而選取的圍巖特性包括結構應力受力情況、結構屈服現狀等，經過方案對比之后，選擇合適的方案?

4.3 計算模型

對某隧道采用單側擴建方案?兩側擴建方案以及周圍擴建方案三種方案的有限元網格劃分，運用平面應變單元計算手段。

4.4 計算過程控制

運用軟件創建隧道改建模型，并根據施工的不同階段進行不同的計算。主要計算如下：擴建形式一：施工步1：初始應力狀態模擬；施工步2：左側導洞投入施工；施工步3：為左側導坑創建支護，并著手右側上臺階的相關施工；施工步4：為右側導坑創建支護，并著手右側下臺階的相關施工；施工步5：二次襯砌?擴建形式二?三：施工步1：初始應力狀態模擬；施工步2：著手右側導洞上臺階的施工、構建支護，并且將上臺階的原洞二村移除，施工步3：著手右側導洞下臺階的施工、構建支護，并且將下臺階的原洞二村移除，施工步4：著手左側導洞上臺階的施工、構建支護，并且將上臺階的原洞二村移除，施工步5：著手左側導洞下臺階的施工、構建支護，并且將下臺階的原洞二村移除，施工步6：隧道二次襯砌?

5 計算結果及分析

5.1 位移分析

5.4.1 V 級圍巖

完成開挖工作之后，對三種方案下V級圍巖的位移進行分析。繪制不同方案對應的位移豎向變化曲線。

通過計算可以發現，三種方案開挖施工后，分別產生最大拱頂下沉位移為8毫米、5毫米、以及 5毫米，最大水平位移為 5毫米、3毫米以及 3毫米。其中，單側擴建施工方案產生的位移最大，分布范圍也最集中。由此可見，不同方案施工下，V 級圍巖的穩定性基本不變?

5.4.2 IV 級圍巖

完成開挖工作之后，對三種方案下IV級圍巖的位移進行分析。通過計算可以發現，三種方案開挖施工后，分別產生最大拱頂下沉位移為7毫米、6毫米以及 6毫米，最大水平位移為 2毫米、2毫米以及2毫米。其中，單側擴建施工方案產生的位移最大，分布范圍也最集中。由此可見，不同方案施工下，IV級圍巖的穩定性也基本不變?

5.2 應力分析

5.2.1 V 級圍巖

完成開挖工作之后，對三種方案下V級圍巖的應力進行分析?

通過計算可以發現，三種方案開挖施工后，分別產生最大主應力（σ1 ）為 ：-0.954～ 0.098MPa?-1.016～ 0.087MPa 和-0.575～ 0.118MPa； 最小主應力（σ3）分別為：-2.639～ -0.075MPa? -2.251～ -0.175MPa 和-1.970～ -0.147MPa；圍巖最大 壓剪應力（Sxy）分別為：-0.481～ 0.475MPa?-0.776～ 0.516MPa 和-0.779～ 0.331MPa?可見，綜合圍巖的受拉影響，單側施工要高于雙側施工，而周邊施工又好于單側施工，綜合對比發現，周邊施工的受拉影響更加大，且施工復雜?因此， 方案一優于其它兩個方案?

5.2.2 IV 級圍巖

通過計算可以發現，三種方案開挖施工后，分別產生最大主應力（σ1 ）為：-1.166～ 0.305MPa?-1.372～ 0.408MPa 和-1.383～ 0.212MPa；最小主應力（σ3）分別為：-6.769～ -0.508MPa ? -6.225～ -0.518MPa 和 -6.214～ -0.517MPa；圍巖最大剪應力（Sxy）分別為：-2.168～ 2.408MPa?-2.570～ 1.522MPa 和-2.549～ 1.494MPa? 可見，綜合圍巖的受拉影響，單側施工要高于雙側施工，而周邊施工又好于單側施工，Sxy 顯示單側施工效果最不好，但是該方案的受拉影響更小，且程序簡單。由此可見，該方案更具優化性。

6 結論

由于國內經濟迅速繁榮，交通運輸行業也異常興盛，隧道建設的需求日益增加，數量也逐年上漲。由于城市發展程度存在差異，當前的雙向四車道已經無法滿足發達城市的需求，只有擴建隧道，提供更多的車道才能夠符合當前的交通需求，因此對此課題進行研究非常有必要。

參考文獻

[1]莫子琛. 對于路橋工程中改擴建隧道的研究[J]. 城市建設理論研究：電子版， 2011（34）.

[2]陳新棟. 既有隧道改擴建為雙連拱隧道的受力與變形規律研究[D].

[3]張安琪. 隧道下穿既有地鐵結構受力特征及變形規律分析[D]. 2016.

（作者單位：中交三公局第一工程有限公司）