隧道原位擴(kuò)容穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

王國(guó)科

（浙江佳途勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，浙江 麗水 323000）

隨著交通運(yùn)輸需求的迅速增長(zhǎng)，新建公路、隧道都在向著多車道、大通行量發(fā)展。既有公路隧道已經(jīng)不能滿足逐漸增長(zhǎng)的通行需求，需對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)容以滿足通行量的需求。目前關(guān)于隧道的擴(kuò)容方式主要有單側(cè)擴(kuò)容、雙側(cè)擴(kuò)容、周圍擴(kuò)容和小凈距擴(kuò)容四種方式。

針對(duì)隧道擴(kuò)容穩(wěn)定性的研究，已經(jīng)有學(xué)者取得了大量研究結(jié)果。徐子良等[1]采用FLAC3D分別對(duì)既有淺埋隧道單側(cè)擴(kuò)容與均勻擴(kuò)容兩種方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析了兩種方式下隧道原位擴(kuò)容引起的圍巖變形量。結(jié)果表明，在圍巖處于穩(wěn)定級(jí)別時(shí)，隧道原位擴(kuò)容方式對(duì)圍巖變形影響較??；張斌等[2]采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，探測(cè)不良地質(zhì)區(qū)域，采用鉆孔驗(yàn)證和鉆孔釋壓，解決了隧道擴(kuò)容過(guò)程中的涌水問(wèn)題，為其他工程實(shí)踐提供了一定參考；陳楓等[3]基于某隧道原位擴(kuò)容工程，根據(jù)圍巖穩(wěn)定等級(jí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的開挖方案，提出了一種高效安全的小凈距隧道原位擴(kuò)容施工方法；歐陽(yáng)垂禮[4]分別對(duì)分部臺(tái)階法和上下臺(tái)階法兩種擴(kuò)容施工方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析了兩種方法下圍巖應(yīng)力及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)果表明，上下臺(tái)階法更滿足隧道結(jié)構(gòu)安全要求，且施工效率更高；吳超凡[5]基于某雙連拱隧道原位擴(kuò)容工程實(shí)例，評(píng)估了隧道擴(kuò)容施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并提出相應(yīng)控制措施，保障了施工安全；賴勇等[6]針對(duì)變形CRD法、層層剝皮法和三臺(tái)階法三種擴(kuò)容方式進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析了其圍巖穩(wěn)定性變化，結(jié)果表明，三種開挖方法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響并無(wú)較大差異。

文章以浙江省麗水市塔下隧道原位擴(kuò)容為工程背景，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)該隧道擴(kuò)容后的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了其擴(kuò)容方式的合理性，研究結(jié)果可為類似工程實(shí)例提供參考。

1 塔下隧道工程概況

塔下隧道位于浙江省麗水市盆地東南部，地貌分區(qū)屬浙南中山區(qū)，屬低山坡麓地貌單元。隧道沿線地面標(biāo)高介于47～115m，最大高差約68.0m。山坡自然坡角多介于20～40°，局部達(dá)60～70°。山坡有松樹、喬木等生長(zhǎng)，植物層下多為殘坡積土及強(qiáng)風(fēng)化巖，基巖出露較多。隧道穿越低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，隧道沿線地表水主要為雨季降水，地表徑流條件較好，多數(shù)以地表徑流的形式從溝谷中流到附近的平原水系中，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，地表水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均有微腐蝕，環(huán)境作用等級(jí)為T3。

2 數(shù)值模擬過(guò)程

2.1 基本計(jì)算假定

數(shù)值模擬的分析過(guò)程是建立在一定假設(shè)條件下的。在基于假設(shè)條件的前提下，才能進(jìn)行下一步的計(jì)算分析工作。具體假設(shè)條件如下：（1）假定圍巖為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；（2）假定巖體中的隧道可以簡(jiǎn)化為具有一定深度的無(wú)限體中孔洞問(wèn)題；（3）僅將巖體的自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力時(shí)，不考慮巖體的構(gòu)造應(yīng)力等其他應(yīng)力。

2.2 模型的建立

在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，一般認(rèn)為隧道在一個(gè)無(wú)限延伸的空間內(nèi)。但是在建立數(shù)值模擬時(shí)，是無(wú)法模擬這種無(wú)限延伸的空間的，任何模型都必須有一個(gè)邊界。為了避免邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，需將邊界設(shè)立在距離隧道足夠遠(yuǎn)的地方，并在邊界上設(shè)置一定的應(yīng)力，以模擬隧道的受力狀態(tài)[7]。

文章的計(jì)算模型如圖1所示。根據(jù)塔下隧道實(shí)際工況，模型的尺寸為橫向尺寸，隧道寬度取16m，下邊界距隧道中心8m，模型左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界為地表自由面。

圖1 計(jì)算模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)比分析

（1）圍巖位移特征。塔下隧道擴(kuò)容所采用的方式為單側(cè)擴(kuò)容。因此，文章在建立的數(shù)值模擬計(jì)算模型上采取了同樣的擴(kuò)容方式和現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方式進(jìn)行模擬分析。在對(duì)圍巖位移的變形特征進(jìn)行分析時(shí)，根據(jù)塔下隧道擴(kuò)容實(shí)際支護(hù)情況，模擬了開挖后不進(jìn)行支護(hù)、及時(shí)支護(hù)和滯后支護(hù)的隧道圍巖位移特征。圍巖位移如圖2所示。

圖2 圍巖位移云圖

從圖2中可以看出，原有隧道在擴(kuò)挖時(shí)，隧道頂、底部分別有明顯下沉和鼓起，圍巖穩(wěn)定性顯著降低。在隧道擴(kuò)容開挖后，隧道四周圍巖位移相對(duì)較大，表明隧道四周的圍巖已經(jīng)遭到了很大程度的破壞，已經(jīng)失去了原有的承載能力。在垂直方向上，擴(kuò)建隧道的拱頂部位移最大，且最大位置與原拱頂位置重合；在水平方向上，隧道擴(kuò)挖側(cè)的水平位移最大，最大水平位移同樣出現(xiàn)在原隧道發(fā)生位移的最大位置，這是由于原隧道在修建時(shí)，圍巖已經(jīng)遭到了損傷和破壞，在隧道擴(kuò)容施工過(guò)程中，對(duì)圍巖造成了二次擾動(dòng)，圍巖性質(zhì)急劇降低，導(dǎo)致發(fā)生較大的位移。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，與滯后支護(hù)相比，在及時(shí)進(jìn)行支護(hù)后，圍巖位移與應(yīng)力特征有了很大改善，這一結(jié)果與塔下隧道采用的及時(shí)支護(hù)的支護(hù)效果較為符合。在原位擴(kuò)建隧道施工時(shí)，在原隧道施工已造成的圍巖擾動(dòng)的范圍內(nèi)，特別是對(duì)于已失去塑性的圍巖，應(yīng)加強(qiáng)施工措施，保證施工的安全。

（2）圍巖應(yīng)力特征。根據(jù)塔下隧道擴(kuò)容實(shí)際支護(hù)情況，模擬了開挖后不進(jìn)行支護(hù)、及時(shí)支護(hù)和滯后支護(hù)的隧道應(yīng)力特征。圍巖應(yīng)力如圖3所示。

圖3 圍巖應(yīng)力云圖

從圖3中可以看出，從所受的最大主應(yīng)力云圖來(lái)看，壓應(yīng)力最小的位置位于隧道拱頂處，從拱頂?shù)絻蛇呥厜Φ姆秶鷥?nèi)，壓應(yīng)力逐漸增大。在拱腳外側(cè)區(qū)域，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。從應(yīng)力分布方向來(lái)看，隧道圍巖水平方向最大拉應(yīng)力分布在拱頂處，最大壓應(yīng)力分布在拱腳處。豎直方向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳外側(cè)上方，豎直方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處。因此在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)特別關(guān)注拱頂和拱腳的應(yīng)力狀態(tài)，并采取必要的支護(hù)措施加強(qiáng)這兩處的支護(hù)。

（3）隧道襯砌應(yīng)力特征。根據(jù)塔下隧道擴(kuò)容實(shí)際支護(hù)情況，模擬了開挖后及時(shí)支護(hù)初次襯砌、二次襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征以及滯后支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征。襯砌應(yīng)力如圖4所示。

圖4 襯砌應(yīng)力云圖

從圖4中可以看出，隧道襯砌結(jié)構(gòu)明顯承受了來(lái)自圍巖的應(yīng)力，且不同位置的應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，這表明襯砌結(jié)構(gòu)在維持圍巖穩(wěn)定性方面起到了積極作用。在襯砌結(jié)構(gòu)中，水平方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，豎直方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，說(shuō)明隧道在擴(kuò)容后，來(lái)自頂部的圍巖壓力要遠(yuǎn)大于隧道兩側(cè)方向的圍巖壓力。此外，水平應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱腰位置，豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱部位置；水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力均出現(xiàn)在原隧道上方位置，說(shuō)明此處圍巖應(yīng)力較大。在擴(kuò)容隧道的使用過(guò)程中，應(yīng)定時(shí)監(jiān)測(cè)隧道拱頂及拱腰的壓力變化，防止隧道發(fā)生垮塌。

3 結(jié)論

（1）隧道擴(kuò)挖后，圍巖在隧道拱頂產(chǎn)生下沉，而在隧道底部上拱。在進(jìn)行擴(kuò)建隧道時(shí)，只進(jìn)行起拱線以上的擴(kuò)挖，而原路面及原仰拱部分不進(jìn)行擴(kuò)挖有利于保持圍巖的穩(wěn)定。

（2）從應(yīng)力分布方向來(lái)看，隧道圍巖水平方向最大拉應(yīng)力分布在拱頂處，最大壓應(yīng)力分布在拱腳處。豎直方向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳外側(cè)上方，豎直方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處。針對(duì)拱頂和拱腳位置，有必要采取局部加強(qiáng)支護(hù)措施。

（3）隧道襯砌結(jié)構(gòu)中水平方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，豎直方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力；水平應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱腰位置，豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱部位置（都為原隧道上方位置）。在擴(kuò)容隧道中應(yīng)定時(shí)監(jiān)測(cè)隧道拱頂及拱腰的壓力變化并做好預(yù)警。