隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案研究

趙虎生

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引言

我國(guó)作為山地較多的國(guó)家，同時(shí)也是目前公路隧道修建最多的地方。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和解決城鄉(xiāng)貧富差距，目前國(guó)家急需提高公路的運(yùn)輸能力，尤其是低等級(jí)的國(guó)省干道和縣鄉(xiāng)公路，因此就需要對(duì)國(guó)省干道和縣鄉(xiāng)公路進(jìn)行大量的改擴(kuò)建，來(lái)提高公路等級(jí)和公路的服務(wù)水平，以達(dá)到更好服務(wù)社會(huì)功能[1]。但是由于地形、地質(zhì)條件的限制，以及公路線性標(biāo)準(zhǔn)的提高，不免對(duì)現(xiàn)有隧道存在改建或擴(kuò)建的需要，改建隧道按照新修考慮，本論文主要針對(duì)隧道擴(kuò)建的支護(hù)襯砌和開挖工序進(jìn)行研究，結(jié)合山西省長(zhǎng)治至省界的省道河路線(S324)三級(jí)路改建二級(jí)路工程的大條山隧道為依托，從合理拱軸線的角度出發(fā)，確定隧道擴(kuò)建的合理斷面形式，再根據(jù)現(xiàn)有隧道的不同拱跨和拱高來(lái)確定隧道的支護(hù)襯砌和合理的擴(kuò)挖施工步序，通過(guò)結(jié)合有限元分析，證明是一種可行的辦法。它適用于類似山西省太行山地區(qū)堅(jiān)硬巖石地質(zhì)的隧道擴(kuò)建，為今后隧道的改擴(kuò)建施工設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 隧道設(shè)計(jì)主要標(biāo)準(zhǔn)

1.1 設(shè)計(jì)交通量及行車方式

2011年設(shè)計(jì)交通量為14 778輛/日，高峰小時(shí)交通量采用日交通量的10%，雙向雙車道。

1.2 設(shè)計(jì)行車速度

隧道幾何線形與凈空設(shè)計(jì)采用行車速度80 km/h。

1.3 隧道建筑限界

二車道（1.0+9.0+1.0）m，凈寬 11.0 m，凈高 5 m。

1.4 設(shè)計(jì)荷載

公路Ⅰ級(jí)。

1.5 衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

阻滯段的平均CO設(shè)計(jì)濃度取250 ppm；煙霧設(shè)計(jì)濃度0.007 0 m-1。

1.6 地震基本烈度

Ⅶ度。

2 現(xiàn)有隧道工程介紹

2.1 隧道部分

該項(xiàng)目中現(xiàn)有隧道一座，始建于20世紀(jì)80年代，局限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)條件以及施工水平等因素限制，隧道凈寬僅為7.0 m，限高4.0 m，且沒有其他附屬設(shè)施建設(shè)，服務(wù)水平較低，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在二級(jí)公路服務(wù)水平和通行能力。因此項(xiàng)目改建時(shí)，對(duì)該隧道進(jìn)行了擴(kuò)建，擴(kuò)建后隧道凈寬為11.0 m，限高5.0 m，襯砌為復(fù)合式襯砌。擴(kuò)建前后內(nèi)輪廓見圖1。

2.2 地質(zhì)部分

隧址區(qū)位于太岳山脈基巖低山區(qū)之太行山大峽谷區(qū)內(nèi)，隧道洞體處在河谷內(nèi)河曲部位，左側(cè)為峪口河河谷，右側(cè)為基巖山脊、基巖中陡坡，隧道洞身山體陡峻，基巖出露較好，進(jìn)出口地形較陡。

洞體埋深0～45 m，頂板全部為基巖，洞室圍巖奧陶系中風(fēng)化石灰?guī)r，圍巖堅(jiān)硬為主，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊碎石狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖主要指標(biāo)Rc灰?guī)r=20～40 MPa，地下水不發(fā)育。根據(jù)原隧道開挖的邊仰坡和原隧道支護(hù)情況，結(jié)合隧道規(guī)范進(jìn)行劃分，初判定圍巖為Ⅲ級(jí)。

圖1 現(xiàn)有隧道與擴(kuò)建隧道內(nèi)輪廓和建筑限界對(duì)比圖

3 隧道擴(kuò)建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工方案

3.1 設(shè)計(jì)方案

洞身段襯砌均按新奧法原理設(shè)計(jì)[2]，推薦采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌。根據(jù)地層、地質(zhì)條件頂部采用加長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿對(duì)擴(kuò)建后的掌子面采取預(yù)加固措施，隨后以噴、錨、網(wǎng)、格柵鋼架等構(gòu)成初期支護(hù)，二次襯砌采用鋼筋混凝土或素混凝土。襯砌后空隙部分，除隧道頂部其余均應(yīng)用同級(jí)混凝土泵送回填密實(shí)。各類圍巖隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖2。

表1 各級(jí)圍巖隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)

圖2 擴(kuò)建隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 施工方案

首先對(duì)現(xiàn)有隧道采用砧木支護(hù)20 m范圍的拱頂進(jìn)行錨桿注漿，然后對(duì)原隧道的拱角進(jìn)行開挖，緊跟施做護(hù)拱，最后按正常隧道施工。該隧道為改擴(kuò)建隧道，開挖時(shí)如有較大范圍的坍塌[3]，應(yīng)提前做好原洞體的支撐。

施工時(shí)一定要做好隧道的監(jiān)控量測(cè)[4]，隨時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，并防止隧道變形塌方。

施工工序：先施工護(hù)拱，待護(hù)拱穩(wěn)定后，再施工其他部分。開挖導(dǎo)坑上半斷面，上導(dǎo)坑拱部初期支護(hù)，開挖導(dǎo)坑下半斷面，下導(dǎo)坑邊墻初期支護(hù)，下導(dǎo)坑仰拱部初期支護(hù)。完成隧道開挖及初期支護(hù)后，立即進(jìn)行仰拱二次襯砌混凝土澆注。

4 隧道擴(kuò)建結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算軟件

因巖土分析更加注重施工階段和材料的不確定性，由此計(jì)算當(dāng)中決定巖土的物理狀態(tài)格外的重要。在巖土分析中應(yīng)盡量使用實(shí)體單元真實(shí)模擬圍巖的狀態(tài)、盡量地接近模擬巖土的非線性特點(diǎn)以及地基應(yīng)力狀態(tài)(自應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力)、并且盡量真實(shí)地模擬施工階段開挖過(guò)程，這樣才會(huì)得到比較真實(shí)的結(jié)果，這些特點(diǎn)較一般的結(jié)構(gòu)分析存有差異。

本次大條山隧道擴(kuò)建有限元數(shù)據(jù)模擬采用能真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)條件和施工過(guò)程，并提供更多的材料模型和邊界條件，讓在做巖土分析時(shí)有更多選擇的MIDAS軟件。

4.2 計(jì)算方案

根據(jù)隧道原位擴(kuò)建方案，就單側(cè)擴(kuò)建方案進(jìn)行有限元計(jì)算，分析拱肩以下周邊擴(kuò)建、原隧道拱頂部位回填條件下擴(kuò)建隧道周邊收斂、拱頂下沉及底鼓情況，從而為大條山隧道既定的擴(kuò)建形式提供依據(jù)。

4.3 計(jì)算模型

為大條山隧道既定的擴(kuò)建形式的有限元網(wǎng)格劃分，采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行計(jì)算。大條山隧道擴(kuò)建劃分有限元網(wǎng)格情況見圖3，擴(kuò)建隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 二位有限元網(wǎng)格圖

4.4 計(jì)算過(guò)程控制

通過(guò)分施工步進(jìn)行計(jì)算數(shù)值模擬，將整個(gè)隧道的施工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，具體過(guò)程如下。

a）第一步 模擬原隧道通車運(yùn)營(yíng)多年后位移狀態(tài)。

b）第二步 模擬擴(kuò)建后隧道開挖、支護(hù)且拱頂回填時(shí)位移狀態(tài)。

c）第三步 模擬擴(kuò)建后隧道支護(hù)硬化后位移狀態(tài)。

?

d）第四步 模擬擴(kuò)建后隧道施工結(jié)束后最終位移狀態(tài)。

4.5 計(jì)算結(jié)果分析

隧道自開挖至擴(kuò)建完成后，既定擴(kuò)建形式的隧道圍巖位移（包括周邊收斂和拱頂下沉）對(duì)比分析結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 原隧道通車運(yùn)營(yíng)多年后周邊收斂及拱頂下沉

圖5 施工結(jié)束后最終周邊收斂及拱頂下沉

經(jīng)對(duì)隧道不同施工階段進(jìn)行模擬，記錄了不同過(guò)程中隧道的拱頂、仰拱底及兩側(cè)拱腰的標(biāo)志點(diǎn)位移變化情況,計(jì)算得出不同施工階段周邊收斂及拱頂下沉值見表3，洞周最終的相對(duì)收斂變形量為:η水平=12/11 000=0.109%;η垂直=17/9 350=0.183%。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，水平方向及垂直方向的相對(duì)收斂變形量均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，同時(shí)小于文獻(xiàn)中預(yù)留變形量的規(guī)定值，因此隧道擴(kuò)建方案安全可行。

表3 不同施工階段周邊收斂及拱頂下沉值

5 施工過(guò)程中的測(cè)量數(shù)據(jù)處理及分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)采集，根據(jù)大條山隧道一斷面周邊收斂的量測(cè)結(jié)果做回歸擬合，圖6為該斷面周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置圖，圖7為實(shí)測(cè)曲線。

圖6 橫斷面周邊收斂觀測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 周邊收斂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理

從擬合結(jié)果可知，該斷面周邊收斂值沒有異常波動(dòng)或拐點(diǎn)，施做二襯時(shí)的初襯周邊收斂已經(jīng)達(dá)到預(yù)計(jì)總變形量的95%以上，其變化已經(jīng)穩(wěn)定。

6 結(jié)論

a）改擴(kuò)建隧道與新建隧道的主要不同在于既有隧道支護(hù)的拆除與利用。舊結(jié)構(gòu)的拆除對(duì)圍巖產(chǎn)生新的擾動(dòng)，因此需要制定嚴(yán)格拆除工序，盡量減少施工工程中對(duì)圍巖的干擾，保證安全。但同時(shí)也可以通過(guò)采取合理的措施，利用既有隧道支護(hù)來(lái)減少對(duì)圍巖大面積的擾動(dòng)，控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展空間。

b）該項(xiàng)目隧道改擴(kuò)建工程通過(guò)有限元分析，得出開挖隧道時(shí)松動(dòng)圈變化為：橫向變形與新建隧道影響基本一致，豎向變形比新建隧道影響小。

c）通過(guò)對(duì)監(jiān)控量測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集分析，進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬分析的精確性。總結(jié)出現(xiàn)行有限元分析來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工的必要性，為今后類似的工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。