既有后祠隧道改擴(kuò)建預(yù)加固方案及安全性分析

林禮華

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建福州 350004)

目前我國大多數(shù)城市都存在人口密集、交通運(yùn)輸量大、用地緊張等現(xiàn)象，因此現(xiàn)有的高速公路已無法滿足迅速增長的交通量的需求，新建高速公路或者對既有高速公路改擴(kuò)建己是勢在必行[1]。

目前，國內(nèi)外隧道改擴(kuò)建工程已有一些成功的案例，國內(nèi)的如羊石隧道[2]、關(guān)村壩隧道[3]；國外的有瑞士的普費(fèi)倫隧道[4]、美國的Rockport隧道[5]以及日本的天王山隧道[6]和大藏隧道[7]等。彭念[8]運(yùn)用解析法分析了原位擴(kuò)建隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變特性；林從謀[9]等針對大帽山原位擴(kuò)建隧道，提出了適用于隧道原位擴(kuò)建施工產(chǎn)生的地表沉降的簡便預(yù)測函數(shù)關(guān)系式。但對既有隧道二襯背后存在空洞(或松散體)情況，進(jìn)行防塌方預(yù)加固施工安全影響的研究較少。

本文以福建漳龍高速公路后祠隧道工程為依托，為防止后祠隧道右洞(二擴(kuò)四)開挖時(shí)，既有隧道二襯背后空洞(或松散體)缺陷對施工安全造成較大威脅，通過建立三維有限元模型，研究隧道原位擴(kuò)建過程二襯背后空洞(或松散體)缺陷對施工安全的影響，并給出防塌方預(yù)加固設(shè)計(jì)。

1 工程概況

后祠隧道位于龍巖市適中鎮(zhèn)上鄭村與后祠村之間，為雙洞分離式隧道，襯砌斷面為曲墻式三心圓拱，隧道結(jié)構(gòu)按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌，隧道跨度12 m，全長992 m。

為改善漳龍高速運(yùn)營條件，減少傷亡，將后祠隧道擴(kuò)建成3洞9車道隧道，擴(kuò)建方案如下：右洞(上行線)進(jìn)行原位擴(kuò)建，由原來的2車道拓寬成4車道；左洞利用為下行線，2車道，然后在左洞的外側(cè)新建1隧道(下行線)，受互通交通轉(zhuǎn)換等影響，確定需新建3車道隧道。見圖1。

圖1 后祠隧道混合關(guān)系

該隧道為博平嶺山脈的中部，隧道區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌，隧址區(qū)地表上覆第四系殘坡積層(Qel-dl)；下臥燕山早期侵入花崗巖(γ52)及其風(fēng)化層，局部見閃長玢巖、花崗斑巖巖脈侵入。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探結(jié)果，隧道洞身圍巖的級別以Ⅳ級為主，隧道洞身的節(jié)理裂隙密集帶及構(gòu)造破碎帶圍巖的級別以Ⅴ～Ⅳ級為主。

2 既有隧道拱頂塌方處理

由于后祠隧道右線(二擴(kuò)四)既有隧道病害情況嚴(yán)重，對利用洞后祠隧道右線進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)右線里程樁號YK131+205和樁號YK130+859附近均存在塌方空洞，如圖2、圖3所示。

圖2 拱頂虛渣

圖3 既有隧道塌方段

對大于3 m的空洞進(jìn)行分層泵送混凝土，分層厚度不大于1.5 m。且對既有隧道在預(yù)加固注漿、泵送混凝土施工工況下的二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，具體處理措施如下：

(1)施工過程堅(jiān)持“先撐后固”的原則，先施工臨時(shí)鋼支撐，臨時(shí)鋼支撐與既有隧道二襯之間采用楔形塊頂緊。

(2)對影響深度大于1 m的空洞進(jìn)行C20泵送混凝土分層填充(分層厚度不大于1.5 m)，填充厚度距擴(kuò)建洞初支輪廓線外大于3 m；對影響深度大于1 m的不密實(shí)洞，由于不密實(shí)洞內(nèi)存在松散填充物，采用注水泥漿液進(jìn)行加固(水灰比0.5∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa)。

(3)對于空洞/不密實(shí)洞位于V級圍巖段落，若空洞影響深度大于3 m，空洞段落前后5 m范圍采用KZ5-2襯砌支護(hù)形式。對于空洞/不密實(shí)洞位于IV級圍巖段落，若左拱腰、拱頂、右拱腰均存在影響深度大于3 m的空洞，空洞段落前后5 m范圍采用KZ5-1襯砌支護(hù)形式。

3 計(jì)算工況

根據(jù)《高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)細(xì)則》[10]10.3.7條，單側(cè)擴(kuò)挖應(yīng)考慮圍巖偏壓對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。通過單側(cè)擴(kuò)挖單洞四車道開挖計(jì)算特征點(diǎn)的位移結(jié)果與常規(guī)單洞四車道開挖計(jì)算特征點(diǎn)的位移結(jié)果的比值βi來近似考慮圍巖偏壓對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，即：

Fi=βi×fi

(Fi-修正后的圍巖壓力;βi-圍巖壓力修正系數(shù)；fi-由規(guī)范求得的圍巖壓力)

本次計(jì)算的荷載工況，主要有以下2種，分別為(1)V級圍巖既有隧道塌方段(YK130+859)計(jì)算(KZ5-2型襯砌)；(2)IV級圍巖既有隧道塌方段(YK131+205)計(jì)算(KZ5-1型襯砌)。

4 圍巖壓力修正系數(shù)βi的計(jì)算

4.1 三維有限元模型

通過有限元軟件MIDAS /GTS NX，建立三維有限元模型。初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)均采取C25噴射混凝土，有限元計(jì)算模型的水平方向取隧道左右側(cè)各65 m，約等于3倍的隧道開挖寬度；豎直方向，下面取45 m，等于隧道3倍的開挖高度[11]，上表面至洞頂距離分為2種情況:V級圍巖深埋段計(jì)算模型，上表面距離洞頂80 m；IV級圍巖深埋段計(jì)算模型，上表面距離洞頂22.5 m，見圖4。

圖4 V(IV)級圍巖深埋段計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及設(shè)計(jì)資料，計(jì)算模型中的圍巖參數(shù)見表1，支護(hù)力學(xué)參數(shù)見表2。

4.2 圍巖壓力修正系數(shù)βi計(jì)算結(jié)果

修正系數(shù)βi的計(jì)算特征點(diǎn)選取左側(cè)拱腰中部節(jié)點(diǎn)，單側(cè)擴(kuò)挖單洞四車道開挖計(jì)算步驟如下(擴(kuò)挖方案如圖5所示)。

表2 支護(hù)力學(xué)參數(shù)表

圖5 開挖方案

既有隧道開挖(挖去A、B)→既有隧道回填至拱腰(回填B)→左上導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去C)→左下導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去B、D)→右上導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去E)→右下導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去F)→臨時(shí)支撐拆除。

常規(guī)單洞四車道按CRD法開挖計(jì)算步驟見圖6。

圖6 常規(guī)開挖方案

施工步由A至E依次為：地應(yīng)力計(jì)算→左上導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去A、C)→左下導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去B、D)→右上導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去E)→右下導(dǎo)坑開挖與支護(hù)(挖去F)→臨時(shí)支撐拆除。

圍巖壓力修正系數(shù)βi計(jì)算結(jié)果：V級圍巖深埋段為2.07，IV級圍巖深埋段為1.45。

5 既有隧道塌方段計(jì)算

5.1 計(jì)算荷載(工況一)

V級圍巖老洞塌方段計(jì)算(KZ5-2型襯砌)?？斩炊挝挥赩級深埋段，埋深67.20 m，開挖跨度為Bt=20.534m，開挖高度Ht=11.838 m，隧頂圍巖重度采用土層加權(quán)平均重度γ=18.5 kN/m3，計(jì)算摩擦角φc=45°。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=46.23 MPa；原設(shè)計(jì)荷載根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[12]深埋段單洞隧道圍巖壓力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得，并考慮圍巖壓力修正系數(shù)βi=2.07；初支承擔(dān)圍巖壓力比例取值為55 %。

既有隧道塌方空腔按最大高度為10 m，空洞上部采用C20泵送混凝土填充3 m厚，其產(chǎn)生的附加荷載q1=24kN/m2×3m=72kN/m，下部松散體采用注水泥漿液加固，塌方松散體采用的附加荷載q2按普氏理論來近似考慮，其中：

Bt=10m；φc=30°；

Bm=Bt+Ht×tan(45-φc/2)×2=10+10×tan(45-φc/2)×2=21.55m；

fkp=Rc/10=46.23/10=4.623；

Hh=Bm/2/fkp=2.33m；

(Bt：既有隧道開挖跨度；Bm：隧道平衡拱跨度；fkp：普氏堅(jiān)硬系數(shù)；Hh：自然平衡拱高度)

總的附加荷載

q=72kN/m+2.33×20kN/m=118.6kN/m，取值120 kN/m。

塌腔范圍內(nèi)的圍巖壓力，按IV級圍巖B=10.3m深埋隧道計(jì)算拱頂壓力，最終的圍巖壓力見圖7。

圖7 最終圍巖壓力

圍巖及KZ5-2襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表3、表4。

表3 圍巖計(jì)算物理、力學(xué)參數(shù)

表4 KZ5-2支護(hù)力學(xué)參數(shù)

5.2 計(jì)算荷載(工況二)

IV級圍巖左拱腰、拱頂、右拱腰均大于3 m的空洞/IV級圍巖老洞塌方段計(jì)算(KZ5-1型襯砌)?？斩炊挝挥贗V級深埋段，開挖跨度Bt=20.334m，開挖高度Ht=11.713m，隧頂圍巖重度采用土層加權(quán)平均重度γ=18.5kN/m3，計(jì)算摩擦角φc=55°。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=46.23MPa；原設(shè)計(jì)荷載根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[12]淺埋段單洞隧道圍巖壓力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得，并考慮圍巖壓力修正系數(shù)βi=1.45；初支承擔(dān)圍巖壓力比例取值為70 %。

空腔按最大高度為6 m，空洞上部采用C20泵送混凝土填充3 m厚，其產(chǎn)生的附加荷載q1=24kN/m2×3m=72kN/m，下部松散體采用注水泥漿液加固，塌方松散體采用的附加荷載q2按普氏理論來近似考慮，其計(jì)算方法與工況一中所述一致。塌腔范圍內(nèi)的圍巖壓力按IV級圍巖，B=8m深埋隧道計(jì)算拱頂壓力，最終的圍巖壓力見圖8。

圖8 最終圍巖壓力

圍巖及KZ5-1襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見下表。

表5 圍巖計(jì)算物理、力學(xué)參數(shù)表

表6 KZ5-1支護(hù)力學(xué)參數(shù)表

5.3 計(jì)算模型

本次計(jì)算基于荷載-結(jié)構(gòu)法對初支進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。采用梁單位模擬襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖對襯砌結(jié)構(gòu)的作用采用彈性連接(只受壓)單元模擬[13]，共劃分114個(gè)單元。

圖9 計(jì)算模型

5.4 計(jì)算結(jié)果

工況一：支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖 10、圖11 所示，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表7所示。

圖10 軸力(工況一)

圖11 彎矩(工況一)

單元號軸力/kN彎矩/(kN·m)安全系數(shù)位置12814.0455.81.519右拱腳82202.0537.61.132左拱腳871858.0161.63.489拱頂732068.0200.42.983右拱腰1021671.044.15.082左拱腰112193.088.61.200左拱腳462177.0553.41.271右拱腳

由計(jì)算結(jié)果可知，V級圍巖既有隧道塌方段，除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數(shù)均大于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]表9.2.4-2規(guī)定值1.53(1.7×0.9)。故采用KZ5-2型襯砌形式是安全的。

工況二：支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖 12、圖13所示，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表8所示。

圖12 軸力圖(工況二)

圖13 彎矩圖(工況二)

由計(jì)算結(jié)果可知。IV級既有隧道塌方段，除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數(shù)均大于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]表9.2.4-2規(guī)定值1.53(1.7×0.9)。故采用KZ5-1型襯砌形式是安全的。

表8 初支內(nèi)力及安全系數(shù)驗(yàn)算

6 結(jié)論

由以上2種工況計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)V級圍巖既有隧道塌方段除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數(shù)均大于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值1.53(1.7×0.9)，采用KZ5-2型襯砌形式安全。

(2)IV級既有隧道塌方段除左右拱腳局部范圍外，其余單位安全系數(shù)均大于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值1.53(1.7×0.9)，采用KZ5-1型襯砌形式安全。

(3)鑒于既有隧道二襯表現(xiàn)裂縫較多，且拱頂及左右拱腰二襯厚度普遍欠厚嚴(yán)重，應(yīng)先設(shè)臨時(shí)支護(hù)后再進(jìn)行加固，并且在預(yù)加固過程對既有隧道二襯及臨時(shí)鋼支撐的應(yīng)力與位移監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整方案。