對(duì)于路橋工程中改擴(kuò)建隧道的研究

趙東峰

摘要：路橋隧道工程中改擴(kuò)建依然存在很多的不足之處，相關(guān)單位和部門要加強(qiáng)對(duì)于改擴(kuò)建的研究，提高防水措施的質(zhì)量?

關(guān)鍵詞：路橋工程；改擴(kuò)建；隧道研究

1 概述

一般來講，要想將雙向四車道的隧道變成八車道，可以采用下面幾種方式：方案一：在原隧道兩側(cè)分別各自創(chuàng)建一個(gè)新隧道，由之間的雙洞四車道變成四洞八車道；方案二：將其中一個(gè)原隧道一側(cè)創(chuàng)建新的能夠雙向容納兩臺(tái)車輛的隧道，另外一側(cè)變成大斷面隧道，同之前一樣能夠雙向容納四臺(tái)車輛，兩者形成新的三洞雙向八車道；方案三：將兩個(gè)隧道都變成大斷面隧道，都能夠雙向容納四輛車，進(jìn)而形成新的雙向八車道。上述幾個(gè)方案中，新建隧道原理簡單，工藝簡潔，在實(shí)際工程中的應(yīng)用非常多，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也較為豐富，例如本公司實(shí)施的項(xiàng)目杭金衢高速擴(kuò)建工程就引用了該原理，為了維持原隧道的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的施工過程中，需要針對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的振速實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，該數(shù)值要維持在低于10cm/s的范圍內(nèi)，以此來維持原隧道在施工過程中的原有結(jié)構(gòu)，防止出現(xiàn)坍塌等現(xiàn)象。但是對(duì)原隧道進(jìn)行大斷面擴(kuò)建的相關(guān)技術(shù)就非常少，這種方案在實(shí)際工程的例子也不多，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，日本曾經(jīng)運(yùn)用過此方案進(jìn)行隧道改建，具體項(xiàng)目就是天王山隧道等。由此可見，隧道原位擴(kuò)建的相關(guān)研究甚少，對(duì)此進(jìn)行研究能夠很好的解決當(dāng)前隧道施工面臨的些許問題，對(duì)新課題的研究非常有必要?

2 隧道原位擴(kuò)建形式

受路線限制等多方因素的影響之下，從擴(kuò)建前后隧道所處的位置，可以對(duì)單洞擴(kuò)建進(jìn)行以下的總結(jié)，此類工程擴(kuò)建方式主要分為下面幾種方案：方案一：單側(cè)擴(kuò)建，主要是行用施工方以隧道的一側(cè)為基準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)建，新建的隧道與原隧道的一側(cè)邊界能夠重合；方案二：雙側(cè)擴(kuò)建，主要是形容施工方以隧道的中線為基準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)建，新建的隧道與原隧道的中線能夠重合、底邊也能夠重合；方案三：周邊擴(kuò)建，主要是形容在原隧道周圍同時(shí)施工改建，新建的隧道無論是在中線、邊緣還是在底部都不會(huì)與原隧道產(chǎn)生重合的現(xiàn)象。

三種方案都能夠達(dá)到原位擴(kuò)建的目標(biāo)，但是不同方案采取的不同施工方式會(huì)對(duì)隧道周邊巖石的穩(wěn)定性造成不同的影響，并且相互對(duì)比之下，各自有各自的特色，并且也分別具有缺點(diǎn)。本文通過介紹某隧道，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方式，對(duì)三種方案實(shí)施過程中對(duì)周邊巖石穩(wěn)定性造成的不同影響進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與研究，從而提出合理的擴(kuò)建形式?

3 工程概況

工程中的隧道為雙洞四車道，隧道雙洞都處于直線段，雙側(cè)隧道的長度都是582米。縱坡-2.0%，隧道進(jìn)口采取仰斜式門，隧道出口與之相同，隧道內(nèi)部通風(fēng)通過機(jī)械來實(shí)現(xiàn)，隧道內(nèi)部的給排水設(shè)計(jì)主要是采用防排結(jié)合的模式。該隧道結(jié)構(gòu)遵循新奧法原理?

該隧道并不需要雙洞擴(kuò)建，只需要擴(kuò)建其中之一，采用原位擴(kuò)建之后形成新的四車道大斷面。綜合地勘資料之后，將隧道圍巖的參數(shù)列成下列表格：

4 計(jì)算方案

4.1 計(jì)算軟件

本次設(shè)計(jì)采用的計(jì)算軟件為MIDAS，該軟件在隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，能夠提供近幾年該領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，以及具體程序，能夠自主進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算、隧道滲流計(jì)算等等，除去這些基本的功能，該軟件還可以自主完成靜力計(jì)算等功能。軟件中設(shè)置了Mohr-Coulmb等模型結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的模擬計(jì)算過程中可以選擇符合工程特色的本構(gòu)模型。該軟件的用戶界面能夠明確列出任務(wù)菜單，通過分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行直觀地模型構(gòu)建。而經(jīng)過該軟件處理之后，該軟件能夠向用戶提供直觀地圖形、表格等輸出數(shù)據(jù)，還能夠自動(dòng)形成簡易模式的計(jì)算書。該軟件具有多種功能、應(yīng)用便捷、計(jì)算快速，因此在隧道領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，發(fā)展也相對(duì)迅速。

4.2 計(jì)算方案

通過對(duì)某隧道的擴(kuò)建方案模擬來分析不同方案下IV級(jí)和V級(jí)圍巖表現(xiàn)出來的特性，模擬方案選取三種：即單側(cè)擴(kuò)建方案?兩側(cè)擴(kuò)建方案以及周圍擴(kuò)建方案，而選取的圍巖特性包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力受力情況、結(jié)構(gòu)屈服現(xiàn)狀等，經(jīng)過方案對(duì)比之后，選擇合適的方案?

4.3 計(jì)算模型

對(duì)某隧道采用單側(cè)擴(kuò)建方案?兩側(cè)擴(kuò)建方案以及周圍擴(kuò)建方案三種方案的有限元網(wǎng)格劃分，運(yùn)用平面應(yīng)變單元計(jì)算手段。

4.4 計(jì)算過程控制

運(yùn)用軟件創(chuàng)建隧道改建模型，并根據(jù)施工的不同階段進(jìn)行不同的計(jì)算。主要計(jì)算如下：擴(kuò)建形式一：施工步1：初始應(yīng)力狀態(tài)模擬；施工步2：左側(cè)導(dǎo)洞投入施工；施工步3：為左側(cè)導(dǎo)坑創(chuàng)建支護(hù)，并著手右側(cè)上臺(tái)階的相關(guān)施工；施工步4：為右側(cè)導(dǎo)坑創(chuàng)建支護(hù)，并著手右側(cè)下臺(tái)階的相關(guān)施工；施工步5：二次襯砌?擴(kuò)建形式二?三：施工步1：初始應(yīng)力狀態(tài)模擬；施工步2：著手右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階的施工、構(gòu)建支護(hù)，并且將上臺(tái)階的原洞二村移除，施工步3：著手右側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階的施工、構(gòu)建支護(hù)，并且將下臺(tái)階的原洞二村移除，施工步4：著手左側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階的施工、構(gòu)建支護(hù)，并且將上臺(tái)階的原洞二村移除，施工步5：著手左側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階的施工、構(gòu)建支護(hù)，并且將下臺(tái)階的原洞二村移除，施工步6：隧道二次襯砌?

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 位移分析

5.4.1 V 級(jí)圍巖

完成開挖工作之后，對(duì)三種方案下V級(jí)圍巖的位移進(jìn)行分析。繪制不同方案對(duì)應(yīng)的位移豎向變化曲線。

通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，三種方案開挖施工后，分別產(chǎn)生最大拱頂下沉位移為8毫米、5毫米、以及 5毫米，最大水平位移為 5毫米、3毫米以及 3毫米。其中，單側(cè)擴(kuò)建施工方案產(chǎn)生的位移最大，分布范圍也最集中。由此可見，不同方案施工下，V 級(jí)圍巖的穩(wěn)定性基本不變?

5.4.2 IV 級(jí)圍巖

完成開挖工作之后，對(duì)三種方案下IV級(jí)圍巖的位移進(jìn)行分析。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，三種方案開挖施工后，分別產(chǎn)生最大拱頂下沉位移為7毫米、6毫米以及 6毫米，最大水平位移為 2毫米、2毫米以及2毫米。其中，單側(cè)擴(kuò)建施工方案產(chǎn)生的位移最大，分布范圍也最集中。由此可見，不同方案施工下，IV級(jí)圍巖的穩(wěn)定性也基本不變?

5.2 應(yīng)力分析

5.2.1 V 級(jí)圍巖

完成開挖工作之后，對(duì)三種方案下V級(jí)圍巖的應(yīng)力進(jìn)行分析?

通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，三種方案開挖施工后，分別產(chǎn)生最大主應(yīng)力（σ1 ）為 ：-0.954～ 0.098MPa?-1.016～ 0.087MPa 和-0.575～ 0.118MPa； 最小主應(yīng)力（σ3）分別為：-2.639～ -0.075MPa? -2.251～ -0.175MPa 和-1.970～ -0.147MPa；圍巖最大 壓剪應(yīng)力（Sxy）分別為：-0.481～ 0.475MPa?-0.776～ 0.516MPa 和-0.779～ 0.331MPa?可見，綜合圍巖的受拉影響，單側(cè)施工要高于雙側(cè)施工，而周邊施工又好于單側(cè)施工，綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，周邊施工的受拉影響更加大，且施工復(fù)雜?因此， 方案一優(yōu)于其它兩個(gè)方案?

5.2.2 IV 級(jí)圍巖

通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，三種方案開挖施工后，分別產(chǎn)生最大主應(yīng)力（σ1 ）為：-1.166～ 0.305MPa?-1.372～ 0.408MPa 和-1.383～ 0.212MPa；最小主應(yīng)力（σ3）分別為：-6.769～ -0.508MPa ? -6.225～ -0.518MPa 和 -6.214～ -0.517MPa；圍巖最大剪應(yīng)力（Sxy）分別為：-2.168～ 2.408MPa?-2.570～ 1.522MPa 和-2.549～ 1.494MPa? 可見，綜合圍巖的受拉影響，單側(cè)施工要高于雙側(cè)施工，而周邊施工又好于單側(cè)施工，Sxy 顯示單側(cè)施工效果最不好，但是該方案的受拉影響更小，且程序簡單。由此可見，該方案更具優(yōu)化性。

6 結(jié)論

由于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速繁榮，交通運(yùn)輸行業(yè)也異常興盛，隧道建設(shè)的需求日益增加，數(shù)量也逐年上漲。由于城市發(fā)展程度存在差異，當(dāng)前的雙向四車道已經(jīng)無法滿足發(fā)達(dá)城市的需求，只有擴(kuò)建隧道，提供更多的車道才能夠符合當(dāng)前的交通需求，因此對(duì)此課題進(jìn)行研究非常有必要。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中交三公局第一工程有限公司）