雙洞市政原位擴建隧道硬巖段擴挖方案比選研究

歐陽垂禮

(中鐵四局集團第五工程有限公司,江西九江 332000)

隨著社會經濟的快速發展，交通量實現了巨大的增長，公路隧道向長度更大、斷面更大的方向發展。隧道原位擴建是在既有隧道的基礎上，拆除原有的隧道襯砌結構，實現隧道斷面的擴大。

早期修建的隧道早已不能滿足日益增長的交通量的需求[1]，而受迫于地質條件、施工環境及城市既有建筑物的布置情況等，國內出現了越來越多的隧道原位擴建工程。擴建工程相較于新建工程，施工過程中力學行為的變化更加復雜[2]，目前國內尚無統一的理論依據，缺乏足夠的施工經驗，因此專家學者主要通過現場監測、模型試驗以及數值模擬對擴建施工過程中不同結構的力學行為進行研究。劉泉聲[3]進行大量的現場監測，通過分析數據得出了圍巖位移、錨桿軸力、二襯接觸壓力的分布特性及其變化規律。雷明林[4]對現場監控量測數據進行分析研究，得到了渝州擴建隧道在實際狀態的圍巖位移、應力特征及結構受力情況，并且與數值模擬結果相比較，提出了有效的工程措施。黃倫海[5]通過相似模擬試驗，對不同的開挖方案所引起的圍巖變形以及圍巖應力進行比較，論證了先進行既有隧道的拆除再進行擴挖施工工序的優越性。林嗣雄[6]利用有限元方法比較分析了不同工法下圍巖壓力、支護彎矩以及洞身收斂在施工過程中的變化規律，并且對不同工法進行了比選研究。

本文以福建馬尾隧道原位擴建工程為依托，建立三維有限元仿真模型，對硬巖段隧道的施工開挖方法進行優化研究，重點關注圍巖變形、圍巖應力、支護應力的發展過程，進而選擇合適的施工方案，并通過現場監測的數據進行安全性評判，本文的研究結論以期為類似工程提供一定的參考價值。

1 工程概況

既有馬尾隧道位于福州市福馬路東端，貫穿馬限山，為雙洞四車道隧道。兩洞成分離式設計，其南北兩洞長度均為970 m，兩洞凈距為22.16 m。北洞最大埋深116.9 m，最小埋深0.7 m；隧道南洞最大埋深126.58 m，最小埋深0.6 m。

工程地質方面，洞身主要通過中風化、微風化凝灰熔巖，圍巖等級綜合判定如下：隧道北洞IV級圍巖305 m，III級圍巖465 m，II級圍巖200 m；隧道南洞V級圍巖176 m，IV級圍巖144 m，III級圍巖450 m，II級圍巖200 m。

由于既有隧道交通量增長所造成的擁堵現狀以及長時間運營造成的滲漏水、襯砌開裂、路面裂損等病害問題，擬對隧道進行原位拓寬改造，改造后，隧道由原設計的單洞兩車道拓寬為單洞四車道加一人行道。其擴建內輪廓見圖1。

2 擴挖方案

由地勘資料可知，馬尾隧道中南北兩洞III級圍巖分別為465 m和450 m，整體占比是最高的，施工的過程中的施工工法的選擇將極大的影響整個施工工期，也將對既有隧道的安全性造成一定的影響。根據該工程設計情況，圍巖等級為III級時采用分部臺階法擴挖方案(圖2)。

2.1 分部臺階法施工主要步驟

(1)拆除上臺階左上既有隧道襯砌，開挖上臺階左側；

(2)施工上臺階左側初支；

(3)拆除上臺階右側既有隧道襯砌，開挖上臺階右側；

(4)施工上臺階右側初支；

(5)開挖下臺階左側，拆除下臺階左既有隧道路面及村砌；

(6)施工下臺階左側初期支護；

(7)開挖下臺階右側；

(8)施工下臺階右側初期支護；

(9)開挖下臺階預留核心土部分，拆除既有隱道路面及村砌；

(10)全斷面鋪設防水層，施作二襯。初期支護采用噴、錨、網支護，噴射混凝土采用早強濕噴C25噴射混凝土，厚度為22 cm；鋼支撐采用I16工字鋼，系統錨桿采用φ22水泥砂漿錨桿，長度為4.0 m，環向間距1.2 m，縱向間距1.2 m，梅花形布置；二次襯砌采用C30模筑鋼筋混凝土。

圖1 馬尾隧道原位擴建示意

圖2 分部臺階法開挖示意

分部臺階法將上半斷面和下半斷面各分成多部分開挖成型，適用于有足夠的施工空間和施工速度，上部開挖支護后，下部施工較安全，但上、下部同時作業互有干擾。

為了加快施工速度，減少開挖干擾，可優化為上、下臺階法，相比較于分部臺階法是將隧道分為上半斷面和下半斷面分2次開挖成型，因此縮短了施工工期，但是依舊存在變形控制較差，上、下臺階相互干擾的問題。上、下臺階法施工工序圖見圖3。

圖3 上、下臺階法開挖示意

2.2 上、下臺階法施工步驟

(1)拆除上臺階上既有隧道襯砌，開挖上臺階；

(2)施工上臺階初支；

(3)拆除下臺階右側既有隧道路面及襯砌，開挖下臺階左側；

(4)施工下臺階左右側初期支護；

(5)全斷面鋪設防水層，施工二襯。

支護方式與支護參數與分部臺階法相同。

3 數值模擬分析

傳統的荷載結構法難以反映土體和結構的相互作用，而地層結構法充分考慮了地下結構與周圍地層的相互作用，結合具體的施工過程可以充分模擬地下結構以及周圍地層在每一個施工工況的結構內力以及周圍地層的變形。

3.1 建立模型

根據初步設計文件，總體施工順序為首先在保持南洞通行條件下 進行北洞原位擴建，后將交通遷改至北洞后再進行南洞原位擴建。本文重點介紹北洞隧道原位擴建過程。

根據圣維南原理，幾何模型長度取左右3～5倍洞涇，X方向共計200 m；下邊界取3～5倍隧道凈高，上邊界取至地表高度，Z方向共計120 m；Y方向取至模型前后25 m，Y方向共計50 m。模型示意圖見圖4。

(a)局部模型

(b)整體模型圖4 幾何模型示意

巖體模擬時采用摩爾庫倫模型模擬。初期支護模擬時采用彈性模型模擬。邊界條件為模型左右邊界約束水平位移，底部施加豎向約束。

3.2 圍巖與支護材料參數

材料參數方面主要根據實際支護材料以及參數計算模擬過程中的本構參數。根據設計文件，初期支護手段采用噴、錨、網支護，噴射混凝土采用早強濕噴C25噴射混凝土，厚度為22 cm；鋼支撐采用I16工字鋼，系統錨桿采用φ22 mm水泥砂漿錨桿，長度為4.0 m，環向間距1.2 m，縱向間距1.2 m，梅花型布置；二次襯砌采用C35模筑鋼筋混凝土。根據據以上數據，本構參數取值見表1。

表1 圍巖支護材料參數

3.3 計算工況

前文可知，本次模擬采用分部臺階法和上、下臺階法兩種擴挖方法，因此本次模擬采用兩種工況。兩種工況施工過程中開挖示意圖見圖5。

(a)分部臺階法

(b)上、下臺階法圖5 計算工況

3.4 數值模擬計算與結果分析

3.4.1 圍巖變形

圖6、圖7分別為分部臺階法和上、下臺階法兩種工法開挖完成后拱頂、右邊墻處的圍巖變形對比圖。

(a)分部臺階法

(b)上、下臺階法圖6 兩種工法拱頂處圍巖位移

從圖中可知看出，從變形規律上看，在上臺階開挖和施作初期支護的過程中，兩種方法圍巖位移變化的趨勢是比較一致的。而在下臺階開挖的過程中，設計的分部臺階法的圍巖位移出現了一次突變；從最終變形量來看，上、下臺階法施作初期支護后圍巖變形的持續時間比設計的分部臺階法時間長。上、下臺階法和設計的分部臺階法最終拱頂處圍巖位移分別為5.5 mm和4.5 mm。

(a)分部臺階法

(b)上、下臺階法圖7 兩種工法右邊墻處圍巖位移

因此在只考慮圍巖的位移變化時，由于設計的分部臺階法圍巖位移值要比上下臺階法小，但是差異較小。

3.4.2 圍巖應力

圖8、圖9為分別為分部臺階法和上、下臺階法兩種工法開挖完成后拱頂豎向應力、右邊墻水平應力。

(a)分部臺階法

(b)上、下臺階法圖8 兩種工法拱頂處豎向應力變化情況

從圖8、圖9中可以看出，在上臺階的開挖過程中，兩種方法的水平應力和豎向應力的發展趨勢是比較相似的。而在開挖下臺階時，由于設計的分部臺階法對下臺階進行了三次開挖，導致出現了一次突變。從最終應力值來看，上、下臺階法圍巖的應力值減小速度比設計的分部臺階法快。上、下臺階法圍巖應力的最終值也比設計的分部臺階法小。

3.4.3 支護應力

3.4.3.1 初期支護

圖10～圖13分別為分部臺階法和上、下臺階法兩種工法開挖完成后初期支護豎向應力和水平應力云圖。

(a)分部臺階法

(b)上、下臺階法圖9 兩種工法右邊墻處水平應力變化情況

圖10 設計分部臺階法初期支護豎向應力

圖11 上、下臺階法初期支護豎向應力

圖12 分部臺階法初期支護水平應力

圖13 上下臺階法初期支護水平應力

應力變化特點是：從初期支護最大豎向應力和水平應力的情況來看，都沒超過初期支護材料的抗壓強度，結構都是安全的；從局部位置應力情況來看，拱頂位置受到的水平應力較大，而豎向應力較小，邊墻及拱腳處則是豎向應力較大，水平應力較大。

3.4.3.2 二次襯砌

圖14～圖17分別為分部臺階法和上、下臺階法兩種工法開挖完成后二次襯砌豎向應力和水平應力云圖。

圖14 分部臺階法二次襯砌豎向應力

圖15 上、下臺階法二次襯砌豎向應力

圖16 分部臺階法二次襯砌水平應力

圖17 上、下臺階法二次襯砌水平應力

應力變化特點是：對比初期支護應力云圖來看，在施作二次襯砌后，兩種工法的豎向應力和水平應力均大幅減小，且都小于二次襯砌的設計抗壓強度，結構是安全的。

4 現場應用效果分析

根據計算的結論，現場擬將分部臺階法優化為上、下臺階法。從2018年9月～2019年3月之間，對北洞擴挖施工過程進行全過程監控量測。分析采用了上、下臺階法的目標斷面K2+283的初期支護的內力變化情況以及安全性。

4.1 初期支護混凝土內力

根據現場實測數據，經過處理之后得到初支混凝土應力變化隨著掌子面距離的變化情況(圖18)。

圖18 混凝土應力變化

從初期支護混凝土上的應力來看，最大的數值為1.2 MPa(壓應力)，遠未達到噴射混凝土的極限強度，且有較大的安全冗余。

4.2 初期支護鋼拱架內力

從開挖后便開始進行鋼架內力的監測，轉換為軸力和彎矩的數值，如圖19、圖20所示。

圖19 鋼架軸力

從圖19中可以看出，隨著開挖支護的進行，鋼架整體上是受壓的，數值在開挖后10 d就基本達到穩定，彎矩的數值較小，5 d后就已經穩定，經過最大應力值為115 MPa，遠小于鋼架材料的屈服強度235 MPa，結構的安全性是滿足要求的。

由此可見上、下臺階法在馬尾隧道硬巖段擴挖施工中是可行的。

5 結論

以福建福州市馬尾原位擴建隧道項目依托，介紹了分部臺階法和上、下臺階法的原位擴挖方案，并通過數值模擬對比分析了兩種施工方法，并對現場實際施工的支護結構內力進行了監測。得到如下的研究結論。

(1)從圍巖變形方面看，由于分部臺階法將上、下臺階分多部分開挖，支護時機較為及時，因此圍巖位移值要比上、下臺階法小，但是總體對比相差不大。

(2)從應力方面來看，上、下臺階法在施工過程中對圍巖應力的影響要小于分部臺階法，而兩種工法初期支護和二次襯砌的應力大小差別不大。

(3)現場采用上、下臺階法施工后，支護結構內力結果表明隧道的安全性是滿足要求的，馬尾隧道擴建施工采用上、下臺階法是可行的。