既有后祠隧道改擴建預加固方案及安全性分析

林禮華

(福建省交通規劃設計院有限公司，福建福州 350004)

目前我國大多數城市都存在人口密集、交通運輸量大、用地緊張等現象，因此現有的高速公路已無法滿足迅速增長的交通量的需求，新建高速公路或者對既有高速公路改擴建己是勢在必行[1]。

目前，國內外隧道改擴建工程已有一些成功的案例，國內的如羊石隧道[2]、關村壩隧道[3]；國外的有瑞士的普費倫隧道[4]、美國的Rockport隧道[5]以及日本的天王山隧道[6]和大藏隧道[7]等。彭念[8]運用解析法分析了原位擴建隧道圍巖的應力應變特性；林從謀[9]等針對大帽山原位擴建隧道，提出了適用于隧道原位擴建施工產生的地表沉降的簡便預測函數關系式。但對既有隧道二襯背后存在空洞(或松散體)情況，進行防塌方預加固施工安全影響的研究較少。

本文以福建漳龍高速公路后祠隧道工程為依托，為防止后祠隧道右洞(二擴四)開挖時，既有隧道二襯背后空洞(或松散體)缺陷對施工安全造成較大威脅，通過建立三維有限元模型，研究隧道原位擴建過程二襯背后空洞(或松散體)缺陷對施工安全的影響，并給出防塌方預加固設計。

1 工程概況

后祠隧道位于龍巖市適中鎮上鄭村與后祠村之間，為雙洞分離式隧道，襯砌斷面為曲墻式三心圓拱，隧道結構按新奧法原理進行設計，采用復合式襯砌，隧道跨度12 m，全長992 m。

為改善漳龍高速運營條件，減少傷亡，將后祠隧道擴建成3洞9車道隧道，擴建方案如下：右洞(上行線)進行原位擴建，由原來的2車道拓寬成4車道；左洞利用為下行線，2車道，然后在左洞的外側新建1隧道(下行線)，受互通交通轉換等影響，確定需新建3車道隧道。見圖1。

圖1 后祠隧道混合關系

該隧道為博平嶺山脈的中部，隧道區屬構造-剝蝕低山地貌，隧址區地表上覆第四系殘坡積層(Qel-dl)；下臥燕山早期侵入花崗巖(γ52)及其風化層，局部見閃長玢巖、花崗斑巖巖脈侵入。根據地質調繪及鉆探結果，隧道洞身圍巖的級別以Ⅳ級為主，隧道洞身的節理裂隙密集帶及構造破碎帶圍巖的級別以Ⅴ～Ⅳ級為主。

2 既有隧道拱頂塌方處理

由于后祠隧道右線(二擴四)既有隧道病害情況嚴重，對利用洞后祠隧道右線進行檢測后發現右線里程樁號YK131+205和樁號YK130+859附近均存在塌方空洞，如圖2、圖3所示。

圖2 拱頂虛渣

圖3 既有隧道塌方段

對大于3 m的空洞進行分層泵送混凝土，分層厚度不大于1.5 m。且對既有隧道在預加固注漿、泵送混凝土施工工況下的二襯結構進行驗算，具體處理措施如下：

(1)施工過程堅持“先撐后固”的原則，先施工臨時鋼支撐，臨時鋼支撐與既有隧道二襯之間采用楔形塊頂緊。

(2)對影響深度大于1 m的空洞進行C20泵送混凝土分層填充(分層厚度不大于1.5 m)，填充厚度距擴建洞初支輪廓線外大于3 m；對影響深度大于1 m的不密實洞，由于不密實洞內存在松散填充物，采用注水泥漿液進行加固(水灰比0.5∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa)。

(3)對于空洞/不密實洞位于V級圍巖段落，若空洞影響深度大于3 m，空洞段落前后5 m范圍采用KZ5-2襯砌支護形式。對于空洞/不密實洞位于IV級圍巖段落，若左拱腰、拱頂、右拱腰均存在影響深度大于3 m的空洞，空洞段落前后5 m范圍采用KZ5-1襯砌支護形式。

3 計算工況

根據《高速公路改擴建設計細則》[10]10.3.7條，單側擴挖應考慮圍巖偏壓對支護結構的影響。通過單側擴挖單洞四車道開挖計算特征點的位移結果與常規單洞四車道開挖計算特征點的位移結果的比值βi來近似考慮圍巖偏壓對支護結構的影響，即：

Fi=βi×fi

(Fi-修正后的圍巖壓力;βi-圍巖壓力修正系數；fi-由規范求得的圍巖壓力)

本次計算的荷載工況，主要有以下2種，分別為(1)V級圍巖既有隧道塌方段(YK130+859)計算(KZ5-2型襯砌)；(2)IV級圍巖既有隧道塌方段(YK131+205)計算(KZ5-1型襯砌)。

4 圍巖壓力修正系數βi的計算

4.1 三維有限元模型

通過有限元軟件MIDAS /GTS NX，建立三維有限元模型。初期支護和臨時支護均采取C25噴射混凝土，有限元計算模型的水平方向取隧道左右側各65 m，約等于3倍的隧道開挖寬度；豎直方向，下面取45 m，等于隧道3倍的開挖高度[11]，上表面至洞頂距離分為2種情況:V級圍巖深埋段計算模型，上表面距離洞頂80 m；IV級圍巖深埋段計算模型，上表面距離洞頂22.5 m，見圖4。

圖4 V(IV)級圍巖深埋段計算模型

根據地質勘查報告及設計資料，計算模型中的圍巖參數見表1，支護力學參數見表2。

4.2 圍巖壓力修正系數βi計算結果

修正系數βi的計算特征點選取左側拱腰中部節點，單側擴挖單洞四車道開挖計算步驟如下(擴挖方案如圖5所示)。

表2 支護力學參數表

圖5 開挖方案

既有隧道開挖(挖去A、B)→既有隧道回填至拱腰(回填B)→左上導坑開挖與支護(挖去C)→左下導坑開挖與支護(挖去B、D)→右上導坑開挖與支護(挖去E)→右下導坑開挖與支護(挖去F)→臨時支撐拆除。

常規單洞四車道按CRD法開挖計算步驟見圖6。

圖6 常規開挖方案

施工步由A至E依次為：地應力計算→左上導坑開挖與支護(挖去A、C)→左下導坑開挖與支護(挖去B、D)→右上導坑開挖與支護(挖去E)→右下導坑開挖與支護(挖去F)→臨時支撐拆除。

圍巖壓力修正系數βi計算結果：V級圍巖深埋段為2.07，IV級圍巖深埋段為1.45。

5 既有隧道塌方段計算

5.1 計算荷載(工況一)

V級圍巖老洞塌方段計算(KZ5-2型襯砌)。空洞段位于V級深埋段，埋深67.20 m，開挖跨度為Bt=20.534m，開挖高度Ht=11.838 m，隧頂圍巖重度采用土層加權平均重度γ=18.5 kN/m3，計算摩擦角φc=45°。根據地質報告，圍巖單軸飽和抗壓強度Rc=46.23 MPa；原設計荷載根據《公路隧道設計細則》[12]深埋段單洞隧道圍巖壓力經驗公式計算所得，并考慮圍巖壓力修正系數βi=2.07；初支承擔圍巖壓力比例取值為55 %。

既有隧道塌方空腔按最大高度為10 m，空洞上部采用C20泵送混凝土填充3 m厚，其產生的附加荷載q1=24kN/m2×3m=72kN/m，下部松散體采用注水泥漿液加固，塌方松散體采用的附加荷載q2按普氏理論來近似考慮，其中：

Bt=10m；φc=30°；

Bm=Bt+Ht×tan(45-φc/2)×2=10+10×tan(45-φc/2)×2=21.55m；

fkp=Rc/10=46.23/10=4.623；

Hh=Bm/2/fkp=2.33m；

(Bt：既有隧道開挖跨度；Bm：隧道平衡拱跨度；fkp：普氏堅硬系數；Hh：自然平衡拱高度)

總的附加荷載

q=72kN/m+2.33×20kN/m=118.6kN/m，取值120 kN/m。

塌腔范圍內的圍巖壓力，按IV級圍巖B=10.3m深埋隧道計算拱頂壓力，最終的圍巖壓力見圖7。

圖7 最終圍巖壓力

圍巖及KZ5-2襯砌結構力學參數見表3、表4。

表3 圍巖計算物理、力學參數

表4 KZ5-2支護力學參數

5.2 計算荷載(工況二)

IV級圍巖左拱腰、拱頂、右拱腰均大于3 m的空洞/IV級圍巖老洞塌方段計算(KZ5-1型襯砌)。空洞段位于IV級深埋段，開挖跨度Bt=20.334m，開挖高度Ht=11.713m，隧頂圍巖重度采用土層加權平均重度γ=18.5kN/m3，計算摩擦角φc=55°。根據地質報告，圍巖單軸飽和抗壓強度Rc=46.23MPa；原設計荷載根據《公路隧道設計細則》[12]淺埋段單洞隧道圍巖壓力經驗公式計算所得，并考慮圍巖壓力修正系數βi=1.45；初支承擔圍巖壓力比例取值為70 %。

空腔按最大高度為6 m，空洞上部采用C20泵送混凝土填充3 m厚，其產生的附加荷載q1=24kN/m2×3m=72kN/m，下部松散體采用注水泥漿液加固，塌方松散體采用的附加荷載q2按普氏理論來近似考慮，其計算方法與工況一中所述一致。塌腔范圍內的圍巖壓力按IV級圍巖，B=8m深埋隧道計算拱頂壓力，最終的圍巖壓力見圖8。

圖8 最終圍巖壓力

圍巖及KZ5-1襯砌結構力學參數見下表。

表5 圍巖計算物理、力學參數表

表6 KZ5-1支護力學參數表

5.3 計算模型

本次計算基于荷載-結構法對初支進行數值模擬計算。采用梁單位模擬襯砌結構，圍巖對襯砌結構的作用采用彈性連接(只受壓)單元模擬[13]，共劃分114個單元。

圖9 計算模型

5.4 計算結果

工況一：支護結構應力云圖如圖 10、圖11 所示，內力計算結果如表7所示。

圖10 軸力(工況一)

圖11 彎矩(工況一)

單元號軸力/kN彎矩/(kN·m)安全系數位置12814.0455.81.519右拱腳82202.0537.61.132左拱腳871858.0161.63.489拱頂732068.0200.42.983右拱腰1021671.044.15.082左拱腰112193.088.61.200左拱腳462177.0553.41.271右拱腳

由計算結果可知，V級圍巖既有隧道塌方段，除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數均大于《公路隧道設計規范》[14]表9.2.4-2規定值1.53(1.7×0.9)。故采用KZ5-2型襯砌形式是安全的。

工況二：支護結構應力云圖如圖 12、圖13所示，內力計算結果如表8所示。

圖12 軸力圖(工況二)

圖13 彎矩圖(工況二)

由計算結果可知。IV級既有隧道塌方段，除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數均大于《公路隧道設計規范》[14]表9.2.4-2規定值1.53(1.7×0.9)。故采用KZ5-1型襯砌形式是安全的。

表8 初支內力及安全系數驗算

6 結論

由以上2種工況計算結果得到以下結論：

(1)V級圍巖既有隧道塌方段除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數均大于《公路隧道設計規范》規定值1.53(1.7×0.9)，采用KZ5-2型襯砌形式安全。

(2)IV級既有隧道塌方段除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數均大于《公路隧道設計規范》規定值1.53(1.7×0.9)，采用KZ5-1型襯砌形式安全。

(3)鑒于既有隧道二襯表現裂縫較多，且拱頂及左右拱腰二襯厚度普遍欠厚嚴重，應先設臨時支護后再進行加固，并且在預加固過程對既有隧道二襯及臨時鋼支撐的應力與位移監測，根據監測結果，調整方案。