擴(kuò)建小凈距公路隧道施工力學(xué)分析

疏義廣，蔣樹屏，雷明林

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400047;2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，已建成的高速公路由于交通量的驟增而漸漸趨于飽和，為了滿足當(dāng)前的交通需求，高速公路的擴(kuò)建已經(jīng)成為緩解交通的一大重要手段，如沈陽—大連高速公路、北京—上海高速(江蘇段)、泉州—廈門高速公路等［1］。而高速公路上隧道的改建、擴(kuò)建工程也在快速地進(jìn)行著，擴(kuò)建之后的隧道基本上都是大斷面，進(jìn)而出現(xiàn)了許多大跨度小凈距隧道，且存在著隧道邊施工邊通車的現(xiàn)象。圍巖的應(yīng)力場在原隧道開挖過程中已受到多次擾動(dòng)，而擴(kuò)建大斷面隧道的開挖將對圍巖進(jìn)行再次擾動(dòng)，圍巖多次擾動(dòng)的疊加［2－3］，使其強(qiáng)度變低、完整性和自穩(wěn)能力變差［4］，這對擴(kuò)建隧道的施工將造成很大的困難。小凈距隧道也成了近幾年隧道工程中研究的熱點(diǎn)之一，研究內(nèi)容主要涉及不同情況下的合理凈距［5－8］。

以渝州隧道為工程背景，通過二維有限元模型對不同凈距下擴(kuò)挖隧道的圍巖、錨桿以及初期支護(hù)的力學(xué)特征進(jìn)行了分析，以期為以后相似工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

渝州隧道是重慶市機(jī)場路拓寬改造工程的一部分，隧道現(xiàn)為雙洞4車道，平面成喇叭型布置，進(jìn)口段兩隧道結(jié)構(gòu)間巖石凈距約7.8 m，出口段為15 m，由于現(xiàn)有隧道交通量已趨于飽和，故需對該隧道進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建時(shí)保持現(xiàn)有隧道平面走向及隧道間中央巖柱厚度不變，分別向兩側(cè)擴(kuò)挖，擴(kuò)挖后的隧道由原來的單洞2車道變?yōu)閱味?車道隧道。隧道橫剖面見圖1。

2 分析模型和參數(shù)

根據(jù)圣維南原理，對于隧道開挖后的應(yīng)力和應(yīng)變，僅在隧道周圍距洞室中心點(diǎn)3～5倍隧道開挖寬度的范圍內(nèi)存在影響，計(jì)算模型兩側(cè)取至3倍的開挖寬度，即兩側(cè)距洞室中心的距離為54 m，地表到洞頂?shù)木嚯x取20 m，下邊界到洞底的距離取25 m。約束條件為:模型左右兩側(cè)邊界施加水平方向約束，模型下邊界施加豎直方向約束，有限元計(jì)算模型見圖2。有限元分析采用平面應(yīng)變下的彈塑性本構(gòu)模型，噴射混凝土初期支護(hù)與錨桿簡化為線彈性材料，圍巖假定為各向同性的理想彈塑性材料，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，錨桿采用桿單元模擬，噴射混凝土初期支護(hù)采用梁單元模擬，有限元計(jì)算主要參數(shù)見表1。

圖1 隧道橫剖面Fig.1 Tunnel cross section

圖2 有限元模型Fig.2 The element model

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)Table 1 Mechanical properties of materials

有限元模擬過程中隧道的施工方法均采用上下臺階法，先依次開挖、支護(hù)右洞(先行洞)，然后開挖、支護(hù)左洞(后行洞)，分別按凈距 4，6，9，12，18，24 m進(jìn)行有限元模擬與計(jì)算，以此來分析高速公路擴(kuò)建小凈距隧道(單洞2車道擴(kuò)建成單洞4車道)的施工力學(xué)效應(yīng)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 圍巖應(yīng)力與變形

圍巖的豎向位移見圖3。

圖3 圍巖豎向位移Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock

由圖3可以看出，擴(kuò)建小凈距隧道隨著凈距的增大，圍巖豎向位移逐漸減小，后行洞的開挖對先行洞的位移影響不大;先行洞左拱腰和后行洞右拱腰的圍巖豎向位移較其他拱腰位移大，即中夾巖柱的圍巖豎向位移較大。

圍巖的豎向應(yīng)力見圖4。由圖4可以看出，先行洞的左拱腳和后行洞的右拱腳圍巖豎向應(yīng)力較大，在凈距為9 m(1/2跨度B)時(shí)，先行洞左拱腳的豎向應(yīng)力是右拱腳的2倍左右;在凈距為4～9 m時(shí)，隧道內(nèi)側(cè)應(yīng)力明顯大于隧道外側(cè)，即中夾巖柱的應(yīng)力相對較大，且隨著凈距的增大而減小，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱腳，拱頂應(yīng)力為最小;在凈距為12 m時(shí)，兩洞的圍巖應(yīng)力基本相等。

圖4 圍巖豎向應(yīng)力Fig.4 Vertical stress of surrounding rock

3.2 中夾巖柱受力特性

由分析可知，隧道內(nèi)側(cè)的圍巖是應(yīng)力變化最大的部位，也是應(yīng)力最集中的部位，小凈距隧道施工關(guān)鍵在于中隔墻的加固處理。中夾巖柱的塑性應(yīng)變見圖5。

圖5 不同凈距下圍巖等效塑性應(yīng)變云圖Fig.5 Contour map of the equivalent plastic strain of surrounding rock with different clear distances

由圖5可以看出，塑性應(yīng)變主要發(fā)生在中夾巖柱和拱腳區(qū)域，隨著隧道凈距的增大，中夾巖柱的塑性區(qū)逐漸減小，在凈距大于9 m時(shí)，中夾巖柱幾乎未發(fā)生塑性應(yīng)變。故在隧道設(shè)計(jì)中需對隧道內(nèi)側(cè)拱腰和內(nèi)側(cè)拱腳圍巖進(jìn)行加固處理，以減小該部位的變形，達(dá)到降低圍巖應(yīng)力集中的目的，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)受力特性

3.3.1 錨桿軸力

計(jì)算分析結(jié)果見圖6。

圖6 錨桿軸力Fig.6 Bolt axial force

由圖6可以看出，擴(kuò)挖小凈距隧道先行洞周邊的錨桿軸力均大于后行洞周邊相同部位的錨桿軸力，先行洞的錨桿軸力隨凈距的增大明顯減小;后行洞各部位的錨桿軸力隨凈距的增大變化不大;而隧道外側(cè)錨桿的軸力約為內(nèi)側(cè)錨桿軸力的4～5倍，中夾巖柱錨桿軸力反而較之拱腰、拱頂錨桿軸力小。這是由于原有隧道在擴(kuò)挖過程中充當(dāng)導(dǎo)洞的作用，使中墻所在區(qū)域的圍巖應(yīng)力得到大部分的釋放。

3.3.2 初襯內(nèi)力

初襯內(nèi)力見圖7、圖8。

圖7 不同凈距下初襯彎矩Fig.7 Bending moment of initial supporting-lining with different clear distances

圖8 不同凈距下初襯軸力Fig.8 Axial force of initial supporting-lining with different clear distances

由圖7、圖8可以看出，擴(kuò)挖小凈距隧道的初襯軸力和彎矩都隨著凈距的增大而減小，且先行洞初襯混凝土軸力要明顯大于后行洞，在中夾巖處表現(xiàn)的尤為明顯，在凈距大于4m時(shí)，隧道外側(cè)初襯軸力要大于內(nèi)側(cè)，初襯拱腳處的彎矩要遠(yuǎn)大于其他部位的彎矩，故在設(shè)計(jì)時(shí)需對拱腳處做加強(qiáng)處理。

4 結(jié)語

1)小凈距隧道的施工，會導(dǎo)致中夾巖柱出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但是對拱頂及隧道外側(cè)圍巖影響不大，隨著凈距的增大，擴(kuò)挖小凈距隧道后行洞圍巖應(yīng)力逐漸大于先行洞。

2)擴(kuò)建小凈距隧道的塑性區(qū)域主要發(fā)生在內(nèi)側(cè)拱腳，在設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行加固處理，當(dāng)凈距大于1/2 B時(shí)，中夾巖柱受力狀態(tài)受凈距的影響很小。

3)后行洞的施工對中夾巖柱和先行洞右側(cè)拱腰的錨桿受力有影響，對其他部位的影響較小，且隧道外側(cè)錨桿的軸力約為內(nèi)側(cè)錨桿軸力的4～5倍。

4)隧道拱腳至拱腰部位的初襯內(nèi)力較大，特別是先行洞左側(cè)拱腳，在設(shè)計(jì)時(shí)需加固。

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