雙洞市政原位擴(kuò)建隧道硬巖段擴(kuò)挖方案比選研究

歐陽(yáng)垂禮

(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司,江西九江 332000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量實(shí)現(xiàn)了巨大的增長(zhǎng)，公路隧道向長(zhǎng)度更大、斷面更大的方向發(fā)展。隧道原位擴(kuò)建是在既有隧道的基礎(chǔ)上，拆除原有的隧道襯砌結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)隧道斷面的擴(kuò)大。

早期修建的隧道早已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的交通量的需求[1]，而受迫于地質(zhì)條件、施工環(huán)境及城市既有建筑物的布置情況等，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了越來(lái)越多的隧道原位擴(kuò)建工程。擴(kuò)建工程相較于新建工程，施工過(guò)程中力學(xué)行為的變化更加復(fù)雜[2]，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的理論依據(jù)，缺乏足夠的施工經(jīng)驗(yàn)，因此專(zhuān)家學(xué)者主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬對(duì)擴(kuò)建施工過(guò)程中不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行研究。劉泉聲[3]進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出了圍巖位移、錨桿軸力、二襯接觸壓力的分布特性及其變化規(guī)律。雷明林[4]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得到了渝州擴(kuò)建隧道在實(shí)際狀態(tài)的圍巖位移、應(yīng)力特征及結(jié)構(gòu)受力情況，并且與數(shù)值模擬結(jié)果相比較，提出了有效的工程措施。黃倫海[5]通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，對(duì)不同的開(kāi)挖方案所引起的圍巖變形以及圍巖應(yīng)力進(jìn)行比較，論證了先進(jìn)行既有隧道的拆除再進(jìn)行擴(kuò)挖施工工序的優(yōu)越性。林嗣雄[6]利用有限元方法比較分析了不同工法下圍巖壓力、支護(hù)彎矩以及洞身收斂在施工過(guò)程中的變化規(guī)律，并且對(duì)不同工法進(jìn)行了比選研究。

本文以福建馬尾隧道原位擴(kuò)建工程為依托，建立三維有限元仿真模型，對(duì)硬巖段隧道的施工開(kāi)挖方法進(jìn)行優(yōu)化研究，重點(diǎn)關(guān)注圍巖變形、圍巖應(yīng)力、支護(hù)應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程，進(jìn)而選擇合適的施工方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性評(píng)判，本文的研究結(jié)論以期為類(lèi)似工程提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

既有馬尾隧道位于福州市福馬路東端，貫穿馬限山，為雙洞四車(chē)道隧道。兩洞成分離式設(shè)計(jì)，其南北兩洞長(zhǎng)度均為970 m，兩洞凈距為22.16 m。北洞最大埋深116.9 m，最小埋深0.7 m；隧道南洞最大埋深126.58 m，最小埋深0.6 m。

工程地質(zhì)方面，洞身主要通過(guò)中風(fēng)化、微風(fēng)化凝灰熔巖，圍巖等級(jí)綜合判定如下：隧道北洞IV級(jí)圍巖305 m，III級(jí)圍巖465 m，II級(jí)圍巖200 m；隧道南洞V級(jí)圍巖176 m，IV級(jí)圍巖144 m，III級(jí)圍巖450 m，II級(jí)圍巖200 m。

由于既有隧道交通量增長(zhǎng)所造成的擁堵現(xiàn)狀以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)造成的滲漏水、襯砌開(kāi)裂、路面裂損等病害問(wèn)題，擬對(duì)隧道進(jìn)行原位拓寬改造，改造后，隧道由原設(shè)計(jì)的單洞兩車(chē)道拓寬為單洞四車(chē)道加一人行道。其擴(kuò)建內(nèi)輪廓見(jiàn)圖1。

2 擴(kuò)挖方案

由地勘資料可知，馬尾隧道中南北兩洞III級(jí)圍巖分別為465 m和450 m，整體占比是最高的，施工的過(guò)程中的施工工法的選擇將極大的影響整個(gè)施工工期，也將對(duì)既有隧道的安全性造成一定的影響。根據(jù)該工程設(shè)計(jì)情況，圍巖等級(jí)為III級(jí)時(shí)采用分部臺(tái)階法擴(kuò)挖方案(圖2)。

2.1 分部臺(tái)階法施工主要步驟

(1)拆除上臺(tái)階左上既有隧道襯砌，開(kāi)挖上臺(tái)階左側(cè)；

(2)施工上臺(tái)階左側(cè)初支；

(3)拆除上臺(tái)階右側(cè)既有隧道襯砌，開(kāi)挖上臺(tái)階右側(cè)；

(4)施工上臺(tái)階右側(cè)初支；

(5)開(kāi)挖下臺(tái)階左側(cè)，拆除下臺(tái)階左既有隧道路面及村砌；

(6)施工下臺(tái)階左側(cè)初期支護(hù)；

(7)開(kāi)挖下臺(tái)階右側(cè)；

(8)施工下臺(tái)階右側(cè)初期支護(hù)；

(9)開(kāi)挖下臺(tái)階預(yù)留核心土部分，拆除既有隱道路面及村砌；

(10)全斷面鋪設(shè)防水層，施作二襯。初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)支護(hù)，噴射混凝土采用早強(qiáng)濕噴C25噴射混凝土，厚度為22 cm；鋼支撐采用I16工字鋼，系統(tǒng)錨桿采用φ22水泥砂漿錨桿，長(zhǎng)度為4.0 m，環(huán)向間距1.2 m，縱向間距1.2 m，梅花形布置；二次襯砌采用C30模筑鋼筋混凝土。

圖1 馬尾隧道原位擴(kuò)建示意

圖2 分部臺(tái)階法開(kāi)挖示意

分部臺(tái)階法將上半斷面和下半斷面各分成多部分開(kāi)挖成型，適用于有足夠的施工空間和施工速度，上部開(kāi)挖支護(hù)后，下部施工較安全，但上、下部同時(shí)作業(yè)互有干擾。

為了加快施工速度，減少開(kāi)挖干擾，可優(yōu)化為上、下臺(tái)階法，相比較于分部臺(tái)階法是將隧道分為上半斷面和下半斷面分2次開(kāi)挖成型，因此縮短了施工工期，但是依舊存在變形控制較差，上、下臺(tái)階相互干擾的問(wèn)題。上、下臺(tái)階法施工工序圖見(jiàn)圖3。

圖3 上、下臺(tái)階法開(kāi)挖示意

2.2 上、下臺(tái)階法施工步驟

(1)拆除上臺(tái)階上既有隧道襯砌，開(kāi)挖上臺(tái)階；

(2)施工上臺(tái)階初支；

(3)拆除下臺(tái)階右側(cè)既有隧道路面及襯砌，開(kāi)挖下臺(tái)階左側(cè)；

(4)施工下臺(tái)階左右側(cè)初期支護(hù)；

(5)全斷面鋪設(shè)防水層，施工二襯。

支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)與分部臺(tái)階法相同。

3 數(shù)值模擬分析

傳統(tǒng)的荷載結(jié)構(gòu)法難以反映土體和結(jié)構(gòu)的相互作用，而地層結(jié)構(gòu)法充分考慮了地下結(jié)構(gòu)與周?chē)貙拥南嗷プ饔?，結(jié)合具體的施工過(guò)程可以充分模擬地下結(jié)構(gòu)以及周?chē)貙釉诿恳粋€(gè)施工工況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及周?chē)貙拥淖冃巍?/p>

3.1 建立模型

根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件，總體施工順序?yàn)槭紫仍诒３帜隙赐ㄐ袟l件下 進(jìn)行北洞原位擴(kuò)建，后將交通遷改至北洞后再進(jìn)行南洞原位擴(kuò)建。本文重點(diǎn)介紹北洞隧道原位擴(kuò)建過(guò)程。

根據(jù)圣維南原理，幾何模型長(zhǎng)度取左右3～5倍洞涇，X方向共計(jì)200 m；下邊界取3～5倍隧道凈高，上邊界取至地表高度，Z方向共計(jì)120 m；Y方向取至模型前后25 m，Y方向共計(jì)50 m。模型示意圖見(jiàn)圖4。

(a)局部模型

(b)整體模型圖4 幾何模型示意

巖體模擬時(shí)采用摩爾庫(kù)倫模型模擬。初期支護(hù)模擬時(shí)采用彈性模型模擬。邊界條件為模型左右邊界約束水平位移，底部施加豎向約束。

3.2 圍巖與支護(hù)材料參數(shù)

材料參數(shù)方面主要根據(jù)實(shí)際支護(hù)材料以及參數(shù)計(jì)算模擬過(guò)程中的本構(gòu)參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，初期支護(hù)手段采用噴、錨、網(wǎng)支護(hù)，噴射混凝土采用早強(qiáng)濕噴C25噴射混凝土，厚度為22 cm；鋼支撐采用I16工字鋼，系統(tǒng)錨桿采用φ22 mm水泥砂漿錨桿，長(zhǎng)度為4.0 m，環(huán)向間距1.2 m，縱向間距1.2 m，梅花型布置；二次襯砌采用C35模筑鋼筋混凝土。根據(jù)據(jù)以上數(shù)據(jù)，本構(gòu)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 圍巖支護(hù)材料參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

前文可知，本次模擬采用分部臺(tái)階法和上、下臺(tái)階法兩種擴(kuò)挖方法，因此本次模擬采用兩種工況。兩種工況施工過(guò)程中開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖5。

(a)分部臺(tái)階法

(b)上、下臺(tái)階法圖5 計(jì)算工況

3.4 數(shù)值模擬計(jì)算與結(jié)果分析

3.4.1 圍巖變形

圖6、圖7分別為分部臺(tái)階法和上、下臺(tái)階法兩種工法開(kāi)挖完成后拱頂、右邊墻處的圍巖變形對(duì)比圖。

(a)分部臺(tái)階法

(b)上、下臺(tái)階法圖6 兩種工法拱頂處圍巖位移

從圖中可知看出，從變形規(guī)律上看，在上臺(tái)階開(kāi)挖和施作初期支護(hù)的過(guò)程中，兩種方法圍巖位移變化的趨勢(shì)是比較一致的。而在下臺(tái)階開(kāi)挖的過(guò)程中，設(shè)計(jì)的分部臺(tái)階法的圍巖位移出現(xiàn)了一次突變；從最終變形量來(lái)看，上、下臺(tái)階法施作初期支護(hù)后圍巖變形的持續(xù)時(shí)間比設(shè)計(jì)的分部臺(tái)階法時(shí)間長(zhǎng)。上、下臺(tái)階法和設(shè)計(jì)的分部臺(tái)階法最終拱頂處圍巖位移分別為5.5 mm和4.5 mm。

(a)分部臺(tái)階法

(b)上、下臺(tái)階法圖7 兩種工法右邊墻處圍巖位移

因此在只考慮圍巖的位移變化時(shí)，由于設(shè)計(jì)的分部臺(tái)階法圍巖位移值要比上下臺(tái)階法小，但是差異較小。

3.4.2 圍巖應(yīng)力

圖8、圖9為分別為分部臺(tái)階法和上、下臺(tái)階法兩種工法開(kāi)挖完成后拱頂豎向應(yīng)力、右邊墻水平應(yīng)力。

(a)分部臺(tái)階法

(b)上、下臺(tái)階法圖8 兩種工法拱頂處豎向應(yīng)力變化情況

從圖8、圖9中可以看出，在上臺(tái)階的開(kāi)挖過(guò)程中，兩種方法的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)是比較相似的。而在開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)，由于設(shè)計(jì)的分部臺(tái)階法對(duì)下臺(tái)階進(jìn)行了三次開(kāi)挖，導(dǎo)致出現(xiàn)了一次突變。從最終應(yīng)力值來(lái)看，上、下臺(tái)階法圍巖的應(yīng)力值減小速度比設(shè)計(jì)的分部臺(tái)階法快。上、下臺(tái)階法圍巖應(yīng)力的最終值也比設(shè)計(jì)的分部臺(tái)階法小。

3.4.3 支護(hù)應(yīng)力

3.4.3.1 初期支護(hù)

圖10～圖13分別為分部臺(tái)階法和上、下臺(tái)階法兩種工法開(kāi)挖完成后初期支護(hù)豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力云圖。

(a)分部臺(tái)階法

(b)上、下臺(tái)階法圖9 兩種工法右邊墻處水平應(yīng)力變化情況

圖10 設(shè)計(jì)分部臺(tái)階法初期支護(hù)豎向應(yīng)力

圖11 上、下臺(tái)階法初期支護(hù)豎向應(yīng)力

圖12 分部臺(tái)階法初期支護(hù)水平應(yīng)力

圖13 上下臺(tái)階法初期支護(hù)水平應(yīng)力

應(yīng)力變化特點(diǎn)是：從初期支護(hù)最大豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力的情況來(lái)看，都沒(méi)超過(guò)初期支護(hù)材料的抗壓強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)都是安全的；從局部位置應(yīng)力情況來(lái)看，拱頂位置受到的水平應(yīng)力較大，而豎向應(yīng)力較小，邊墻及拱腳處則是豎向應(yīng)力較大，水平應(yīng)力較大。

3.4.3.2 二次襯砌

圖14～圖17分別為分部臺(tái)階法和上、下臺(tái)階法兩種工法開(kāi)挖完成后二次襯砌豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力云圖。

圖14 分部臺(tái)階法二次襯砌豎向應(yīng)力

圖15 上、下臺(tái)階法二次襯砌豎向應(yīng)力

圖16 分部臺(tái)階法二次襯砌水平應(yīng)力

圖17 上、下臺(tái)階法二次襯砌水平應(yīng)力

應(yīng)力變化特點(diǎn)是：對(duì)比初期支護(hù)應(yīng)力云圖來(lái)看，在施作二次襯砌后，兩種工法的豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力均大幅減小，且都小于二次襯砌的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)是安全的。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

根據(jù)計(jì)算的結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)擬將分部臺(tái)階法優(yōu)化為上、下臺(tái)階法。從2018年9月～2019年3月之間，對(duì)北洞擴(kuò)挖施工過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控量測(cè)。分析采用了上、下臺(tái)階法的目標(biāo)斷面K2+283的初期支護(hù)的內(nèi)力變化情況以及安全性。

4.1 初期支護(hù)混凝土內(nèi)力

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理之后得到初支混凝土應(yīng)力變化隨著掌子面距離的變化情況(圖18)。

圖18 混凝土應(yīng)力變化

從初期支護(hù)混凝土上的應(yīng)力來(lái)看，最大的數(shù)值為1.2 MPa(壓應(yīng)力)，遠(yuǎn)未達(dá)到噴射混凝土的極限強(qiáng)度，且有較大的安全冗余。

4.2 初期支護(hù)鋼拱架內(nèi)力

從開(kāi)挖后便開(kāi)始進(jìn)行鋼架內(nèi)力的監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)換為軸力和彎矩的數(shù)值，如圖19、圖20所示。

圖19 鋼架軸力

從圖19中可以看出，隨著開(kāi)挖支護(hù)的進(jìn)行，鋼架整體上是受壓的，數(shù)值在開(kāi)挖后10 d就基本達(dá)到穩(wěn)定，彎矩的數(shù)值較小，5 d后就已經(jīng)穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)最大應(yīng)力值為115 MPa，遠(yuǎn)小于鋼架材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，結(jié)構(gòu)的安全性是滿(mǎn)足要求的。

由此可見(jiàn)上、下臺(tái)階法在馬尾隧道硬巖段擴(kuò)挖施工中是可行的。

5 結(jié)論

以福建福州市馬尾原位擴(kuò)建隧道項(xiàng)目依托，介紹了分部臺(tái)階法和上、下臺(tái)階法的原位擴(kuò)挖方案，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了兩種施工方法，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。得到如下的研究結(jié)論。

(1)從圍巖變形方面看，由于分部臺(tái)階法將上、下臺(tái)階分多部分開(kāi)挖，支護(hù)時(shí)機(jī)較為及時(shí)，因此圍巖位移值要比上、下臺(tái)階法小，但是總體對(duì)比相差不大。

(2)從應(yīng)力方面來(lái)看，上、下臺(tái)階法在施工過(guò)程中對(duì)圍巖應(yīng)力的影響要小于分部臺(tái)階法，而兩種工法初期支護(hù)和二次襯砌的應(yīng)力大小差別不大。

(3)現(xiàn)場(chǎng)采用上、下臺(tái)階法施工后，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果表明隧道的安全性是滿(mǎn)足要求的，馬尾隧道擴(kuò)建施工采用上、下臺(tái)階法是可行的。