山嶺隧道擴挖穩定性及支護參數優化分析

作者簡介：楊 健（1990—），工程師，主要從事公路橋梁設計工作。

摘要：文章以某山嶺公路隧道為研究對象，采用數值模擬的方法研究隧道擴挖的穩定性，并重點對相關支護參數影響規律進行了分析，得到以下結論：現場監測結果和數值模擬結果曲線吻合度較高，且在隧道擴挖穩定之后二者曲線基本趨于重合，說明了該數值模擬方法的正確性；通過增大錨桿長度和減小錨桿縱向間距可以減小單根錨桿所承受的最大軸向拉力，減小擴挖隧道的變形，從而增大隧道穩定性；增大噴射混凝土厚度可以減小擴挖隧道的變形，增大隧道穩定性；建議該工程錨桿長度、環向間距、噴射混凝土厚度分別優化為3.5 m、1.0 m和25 cm。

關鍵詞：山嶺隧道；擴挖工程；支護參數；數值模擬

中圖分類號：U457⁺.6

0 引言

近年來，隨著國內交通網絡的不斷發展，越來越多的老舊山嶺隧道已經不能滿足通行的需求，需要進行擴挖改建工程，在擴挖過程中保持隧道整體安全穩定以及合理優化隧道擴挖支護參數都是至關重要的。國內學者對隧道擴挖工程已有了相關研究：王培、胡秋芳^[1-2]對隧道改擴建的難點進行了分析，并提出了隧道擴挖質量和安全控制的方法；歐予月^[3]以某隧道擴建為研究對象，通過數值模擬和現場監測發現，CD法開挖具有工期長、工序復雜和穩定性差等缺點；向武松^[4]采用數值模擬軟件對某隧道擴挖進行了研究分析，結果表明臺階法優于全斷面法，且開挖支護初期拱腰、拱腳和拱底安全性較差；倪迪、蔡云澤等^[5-6]以某隧道擴挖為研究背景，采用數值模擬軟件對臺階法和雙側壁導坑法進行了對比研究，結果表明該隧道采用雙側壁導坑擴挖方法更為合理。本文以山區隧道擴挖工程為分析案例，基于有限元軟件模擬的方法研究了山區隧道擴挖中的穩定性，并重點對相關支護參數影響規律進行了探討，研究結論可為隧道擴挖工程提供參考。

1 工程概況

我國西部地區某馬蹄形隧道全長約97.60 m，山坡自然坡度為9°～17°，隧道圍巖主要以Ⅳ級圍巖為主，整體穩定性較差。既有隧道的埋深在18～32 m，最大凈寬和凈高分別為7.8 m和3.9 m。因既有隧道凈空尺寸已經不能滿足實際需要，需要進行擴挖改建，擴挖后隧道斷面的最大凈寬和凈高分別為9.2 m和5.0 m。擴挖隧道采用錨桿、鋼筋網、鋼拱架和噴射混凝土聯合支護方式，錨桿設計長度為4.0 m，直徑為22 mm，環向間距為0.8 m。鋼支撐和鋼筋網分別Ⅰ22a和?8 mm光圓鋼筋，噴射混凝土厚度取30 cm，強度等級取C30。

2 數值建模

數值模擬因其具有強大的模擬能力，在工程中得到廣泛應用。利用有限元軟件Midas GTS進行建模分析，圖1所示為隧道模型圖。已知擴挖前隧道的最大凈高和凈寬為3.9 m和7.8 m，隧道擴挖之后的最大凈高和凈寬分別為5.0 m和9.2 m。為了提高計算速度同時保證模型的可靠性，隧道數值模型長、寬和高依次取120 m、50 m和100 m。在模擬過程中，模型整體采用摩爾-庫侖本構模型，并將隧道上部邊界設置為自由面，其余邊界設置為位移和邊界約束。擴挖隧道的支護形式為“鋼筋網+鋼拱架+噴射混凝土+錨桿”，其中初支噴漿厚度為30 cm，強度等級取C30，錨桿直徑為22mm，長度為4.0 m。為了簡化計算，將鋼筋網和鋼拱架支護的彈性模量折算到混凝土上面。

3 數值結果分析

3.1 數值模擬結果驗證分析

在經過長年的正常營運后，既有隧道變形基本處于穩定的狀態，如圖2（a）所示。在隧道擴挖之前，需要對既有隧道進行位移清零，之后在隧道擴挖過程中同時施做錨桿和噴射混凝土。圖2（b）給出了擴挖之后的隧道豎向位移云圖，由圖可知，隧道最大沉降發生在拱頂處，最大隆起發生在拱底處。

為了驗證數值模型的可行性與建模過程中的正確性，通過現場監測和數值模擬得到了隧道擴挖之后的隧道拱頂沉降和周邊收斂位移，如圖3所示。由圖可知，現場監測結果和數值模擬結果曲線吻合度較高，且在隧道擴挖穩定之后二者曲線基本趨于重合，說明了本文數值模擬方法的正確性。

3.2 參數影響分析

為了對隧道擴挖的相關支護參數進行優化，本節主要對錨桿長度、錨桿環向間距以及噴射混凝土厚度變化影響規律進行分析。

3.2.1 錨桿長度及環向間距

取錨桿長度為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m和4.0 m，錨桿環向間距D為0.8 m、1.0 m和1.2 m進行分析，如下頁圖4所示，給出了隧道拱頂沉降和周邊收斂位移隨錨桿長度變化曲線。由圖4（a）可知，隨著錨桿長度的增大，隧道拱頂沉降逐漸減小，且拱頂沉降減小趨勢逐漸減緩，對于相同錨桿長度時，錨桿環向間距越小，隧道的拱頂沉降越小。由圖4（b）可知，隨著錨桿長度的增大，隧道周邊收斂位移逐漸減小，且周邊收斂位移減小趨勢逐漸減緩，對于相同錨桿長度時，錨桿環向間距越小，隧道的周邊收斂位移越小。

綜上可知，通過增大錨桿長度和減小錨桿環向間距可以減小擴挖隧道的變形，從而提高隧道穩定性，從節約成本和降低施工難度出發，推薦在工程中采用3.5 m錨桿。

圖5展示了錨桿長度和環向間距變化對錨桿最大軸力的影響曲線。由圖可知，隨著錨桿長度的增大，錨桿最大軸力減小，且對于相同錨桿長度時，錨桿環向間距越小，錨桿軸力越小，說明通過增大錨桿長度和減小錨桿縱向間距可以減小單根錨桿所承受的最大軸向拉力。工程中從節約成本和縮短工期角度出發，推薦采用1.0 m錨桿環向間距。

3.2.2 噴射混凝土厚度

取噴射混凝土厚度為10 cm、15 cm、20 cm、25 cm和30 cm進行分析，如圖7所示，給出了隧道拱頂沉降和周邊收斂位移隨噴射混凝土厚度變化曲線。由圖6（a）可知，隨著噴射混凝土厚度的增大，隧道拱頂沉降逐漸減小，相比于噴射混凝土厚度為10 cm時，噴射混凝土厚度取15 cm、20 cm、25 cm和30 cm時的隧道拱頂沉降分別減小了9.6%、17.0%、20.5%和23.0%。由圖6（b）可知，隨著噴射混凝土厚度的增大，隧道周邊收斂位移也逐漸減小，相比于噴射混凝土厚度為10 cm時，噴射混凝土厚度取15 cm、20 cm、25 cm和30 cm時的隧道周邊收斂位移分別減小了6.3%、11.2%、13.4%和14.7%。

綜上可知，通過增大噴射混凝土厚度可以減小擴挖隧道的變形，從而提升隧道穩定性。工程中從節約成本和降低施工難度出發，推薦采用噴射混凝土厚度為25 cm。

4 結語

本文以山區隧道擴挖工程為分析案例，基于有限元軟件模擬的方法研究了山區隧道擴挖中的穩定性，并重點對相關支護參數影響規律進行了探討分析，得到如下結論：

（1）將現場監測與數值模擬得到的結果進行對比，發現曲線吻合度很高，且在隧道擴挖穩定之后二者曲線基本趨于重合，說明了本文數值模擬方法的正確性。

（2）通過增大錨桿長度和減小錨桿縱向間距可以減小單根錨桿所承受的最大軸向拉力，減小擴挖隧道的變形，從而提升隧道穩定性。

（3）通過增大噴射混凝土厚度可以減小擴挖隧道的變形，從而提升隧道穩定性。

（4）針對該工程，建議錨桿長度、環向間距、噴射混凝土厚度分別優化為3.5 m、1.0 m和25 cm。

參考文獻：

[1]王 培.既有隧道擴挖及改建技術研究[J].交通世界，2017（9）：120-121.

[2]胡秋芳.城市地鐵工程隧道擴挖施工技術研究[J].工程技術研究，2022，7（19）：40-42.

[3]歐予月.區間隧道擴挖工法數值模擬對比研究[J].科學技術創新，2021（20）：137-138.

[4]向武松.不同擴挖工法對隧道初期支護安全性的影響分析[J].廣東公路交通，2022，48（5）：35-39.

[5]倪 迪，陳 明，康三月，等.Ⅳ級圍巖隧道鉆爆法擴挖方案比選[J].市政技術，2020，38（3）：119-123.

[6]蔡蕓澤.城市地鐵工程項目隧道擴挖施工技術分析[J].工程機械與維修，2021（6）：252-254.