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［摘要］以福建省南平市九峰山鐵路隧道原位擴建項目為工程背景，建立三維有限元模型，模擬地層偏壓條件下隧道擴建動態施工過程，通過三種擴挖方案的對比，研究不同擴挖方案下圍巖的穩定性及隧道初期支護和錨桿的內力結果。計算結果表明:地表沉降具有明顯的不對稱性，最大值發生在覆土較厚一側拱肩處;施工過程中隧道變形表現出明顯的動態性和空間效應:掌子面前方10m范圍及后方20m范圍為較大擾動區;隧道初支內力分布及錨桿受力呈現明顯的不對稱性，結構受力和錨桿內力較大位置主要位于埋深較深一側。通過不同施工方案計算結果的比較分析，確定采用左側擴挖方案有利于保證圍巖的穩定性、減小初支內力，確保施工安全，提高隧道擴建經濟性，建議在其他條件相同的情況下，隧道偏壓段采用向淺埋側擴挖的擴建方案。

［關鍵詞］偏壓隧道;原位擴建;數值模擬;圍巖穩定性;施工方案

0引言

伴隨著國民經濟的快速發展，城市道路交通的需求不斷激增，公路改擴建工程發展尤為迅猛。在城市公路改擴建項目中，既有隧道作為公路改擴建的控制工程，由于地形地質和施工條件的限制，經常需要在既有隧道的基礎上擴大凈空斷面以增加行車道。國內外已有成功的隧道原位擴建案例，且更多的隧道原位擴建項目即將開展，既有隧道改擴建課題的研究對指導后續隧道改擴建工程的建設具有重要的意義。目前針對公路隧道原位擴建的研究已取得了一些成果。唐穎對泉廈高速公路擴建工程中的大帽山隧道的超前支護、復合支護及施工方案的設計要點進行了分析;論述了隧道擴建的形式，分析了原位擴建的方法的優缺點和力學特征。朱根橋［6］等通過數值分析、監控量測和爆破監測等手段對擴建開挖對鄰近建筑物變形影響和擴建爆破作業對鄰近建構筑物影響等開展研究。林從謀等提出了適用于隧道原位擴建施工生產的地表沉降的簡便預測函數關系、結合現場監控量測及三維有限元分析手段研究CD工法開挖時軟弱圍巖的穩定性。孫興山等以后祠隧道擴建工程為工程背景，基于三維有限元模型，分析原位擴建隧道位移變化規律，提出了針對擴建隧道位移空間變化規律的公式。劉泉聲［12］等以后祠隧道工程為依托，對不同開挖方案下隧道新建及原位擴建過程中圍巖的力學響應進行研究，提出合理的開挖方案。以上研究對隧道原位擴建具有一定的指導作用，但針對地層偏壓狀態下鐵路隧道擴建為市政公路隧道時不同擴挖方案的對比研究較少。福建省南平市九峰山隧道擴建工程為既有單線鐵路隧道原位擴建為單向兩車道市政隧道工程，該隧道洞口段地質條件較差且處于明顯地層偏壓狀態中，工程條件特殊。本文基于九峰山隧道，建立三維數值模型，分析地層偏壓條件下隧道擴建工程中圍巖的位移響應規律和隧道結構的受力結果，同時對比不同擴建方案對結果的影響，確定出較為適合地層偏壓條件下隧道原位擴建的方案，以期為今后類似條件下隧道原位擴建工程提供參考。

1工程概況

九峰山鐵路隧道擴寬項目位于南平市延平區九峰路右側，外福鐵路九峰山段內側。原有九峰山鐵路隧道凈寬5.6m，全長155.7m。由于南平市九峰路道路改造工程，在原位基礎上將其改擴建為兩車道市政隧道。擴建后隧道跨度為12.3m。隧道洞身圍巖劃分為Ⅱ級，地層巖性主要為中風化凝灰質砂礫巖，圍巖節理裂隙稍微發育，結構面結合好，拱頂長期暴露時會發生小坍塌，側壁較為穩定。隧道進口、出口地段圍巖主要為碎裂狀強風化砂巖，巖石破碎，完整性差，圍巖級別為Ⅳ級，工程地質條件較差，成洞條件較差。隧道進口與等高線呈30°交角斜交進洞，進口段處于明顯的偏壓受力狀態之中。

2隧道原位擴建三維數值模擬

不同的擴建方案下隧道施工引起的洞周圍巖位移響應以及初支受力結果有所不同，為確定較優的擴建方案，此次數值模擬過程中對向淺埋側擴挖(左側擴挖)、深埋側擴挖(右側擴挖)及兩側擴挖三種不同的擴建方案進行模擬分析，擴建方案示意圖如圖1所示。

2.1三維數值模型建立及邊界條件

應用有限元軟件MIDASGTSNX針對相同偏壓條件下隧道原位擴建左側擴挖、兩側擴挖和右側擴挖三種擴建方案分別建立三維有限元數值模型。模型計算的范圍取為:隧道兩側各3D，總寬度為100m;拱頂至地面17.4m，仰拱以下3D，總高度為85m(D為毛洞的總跨徑)，模型如圖2所示。模擬過程中圍巖采用3D實體單元模擬，噴混采用2D板單元模擬、錨桿采用1D植入式桁架單元模擬。綜合考慮計算時間和計算精度，對隧道結構附近進行單元細化處理，最終左側擴挖方案模型單元數為98845，節點數為65736;兩側擴挖方案模型單元數為109662，節點數為67634;右側擴挖方案模型單元數為105035，節點數為67265。模型的邊界條件為:底部約束豎向位移，四周約束法向位移，頂部自由。

2.2物理力學參數

計算過程中，圍巖材料的模型類型選擇Mohr－Coulomb模型，結構材料選擇各向同性彈性模型。隧道進口段隧道埋深17.4m，圍巖從地表往下依次分布10m厚碎裂狀強風化凝灰砂礫巖及中風化凝灰砂礫巖。根據地質勘察報告及設計資料，確定圍巖計算參數如表1所示。

2.3施工過程模擬

數值模擬中通過鈍化實體單元模擬隧道開挖，通過激活板單元和桁架單元模擬支護過程，并通過設置荷載釋放系數(LDF)模擬應力釋放，根據《公路隧道設計細則》(JTG/TD70－2010)，圍巖應力釋放取70%。具體模擬過程如下:(1)自重荷載作用下，通過計算循環達到模型的初始地應力平衡，將模型位移置零并作為后續分析的初始狀態;(2)進行既有鐵路隧道開挖支護模擬，達到新的平衡狀態，得到擴建前圍巖的應力場;(3)根據施工方案進行隧道擴建開挖、支護，每個循環進尺為2m。不同施工工法的主要工序如表2所示。工序示意圖如圖3所示。

3計算結果

3.1地表沉降

隧道擴建引起的圍巖豎向位移云圖如圖4所示，不同擴建方案引起的地表沉降如圖5所示。結合圍巖豎向位移云圖和地表沉降分布曲線圖可以看出:(1)偏壓條件下隧道原位擴建引起的地表沉降曲線表現出明顯的不對稱性:地表沉降最大值發生位置并不在隧道拱頂垂直線上，而是在覆土較厚一側拱肩對應的地表處。(2)三種擴建方案施工引起的地表沉降曲線分布一致，左側擴挖、兩側擴挖和右側擴挖方案施工引起的地表沉降最大值分別為4.5mm、4.8mm和4.7mm，三種擴建方案施工引起的地表沉降較為接近，但左側開挖方案結果相對于最小。

3.2拱頂下沉

隧道拱頂位移是判斷圍巖穩定性的一項重要指標。施工過程中隧道變形表現出明顯的動態特性和空間效應，掌子面向前推進時，其前后方一定距離內拱頂沉降受其影響。圖6所示為隧道擴挖至20m時拱頂位移分布曲線，從圖中可以看出:(1)掌子面前方10m范圍內受到隧道擴建的擾動較大，10m之外范圍所受影響較小;結合圖7可以看出，掌子面后方20m內拱頂位移變化較為迅速，均處于非穩定變形段，距離掌子面大于20m時，變形趨于穩定并達到最大值。(2)三種擴建方案施工引起的拱頂沉降中兩側擴挖和右側擴挖引起的最大拱頂沉降分為9.6mm和9.1mm，結果較為接近，拱頂沉降曲線基本重疊;左側擴挖引起的最大地表沉降最小，其值為8.5mm。圖7為進口斷面拱頂位移隨掌子面頂進的曲線分布圖，從圖中可以看出:掌子面頂進至20m范圍內拱頂位移迅速增大，20m之后拱頂位移趨于穩定。三個工況結果中，左側擴挖方案引起的拱頂位移量最小。

3.3初期支護及錨桿內力結果

以兩側擴建方案為例，隧道擴建結束后初期支護軸力分布如圖8所示。從圖中可以看出:初期支護在開挖結束形成閉合環之后，各部位以受壓為主。由于圍巖偏壓的作用，軸力分布呈現明顯的不對稱性，右側拱肩軸力小于左側，右側拱腳及右側拱底軸力分別大于左側拱腳和左側拱底，最大軸力位于右側拱腳位置。三種擴建方案下得到的初支軸力結果如圖9所示，采用左側擴建方案引起的初支軸力最大值最小，其值為2828kN，采用兩側擴挖方案及右側擴挖方案引起的初支軸力最大值相當，其值分別為3016kN和3010kN。圖10所示為兩側擴挖方案下初期支護彎矩圖，從圖中可以看出:隧道拱頂、拱肩和拱腰的彎矩都相對較小;最大負彎矩位于兩拱腳處;最大正彎矩位于仰拱靠近拱腳處，但由于施工過程中既有隧道回填使得回填部位的仰拱彎矩較小。不同擴建方案下初支彎矩如圖11所示，從中可以看出彎矩分布規律較為接近，個別位置因為臨時支撐的作用引起的彎矩突變。隧道擴建結束后，左側擴挖、兩側擴挖和右側擴挖方案下初支彎矩最大值分別為411kN•m、446kN•m和442kN•m。隧道擴建完成后錨桿應力分布圖如圖12所示，從圖中可以看出:錨桿軸力呈不對稱分布;隧道拱頂及拱肩位置錨桿以受拉為主，最大拉應力發生在右拱肩位置;拱腰及拱腳位置錨桿以受壓為主，最大壓應力位于右拱腳位置。圖12d為三種方案下錨桿應力對比圖，可以看出:左側擴挖方案引起的錨桿拉應力最大，其值為140MPa，兩側擴挖方案次之，右側擴建方案最小;而施工引起的錨桿壓應力對比規律正好相反，左側擴挖方案結果最小，其值為64MPa。

3.4施工方案評價

綜合分析三種擴建方案下圍巖的位移特性、隧道初支的受力及錨桿的受力情況。結果表明，三種擴建方案引起的地表沉降量、拱頂位移、隧道初支受力及錨桿受力均處于可控范圍之內，且較為接近。但因圍巖偏壓的存在，左側擴挖方案下地表沉降、拱頂位移及隧道初支受力均小于另外兩個擴建方案結果，相反的由于初支受力較小，圍巖及錨桿承擔的荷載比例較大，導致錨桿計算的拉力結果大于另外兩個方案。因此在保證錨桿正常使用的前提下，采用左側擴挖方案有利于保證圍巖的穩定性、減小初支內力，確保施工安全，提高隧道擴建經濟性。綜上所述，建議在其他條件相同的情況下，隧道偏壓段采用向淺埋側擴挖的擴建方案。

4結論

本文采有限元數值模擬的方法對淺埋偏壓狀態下隧道原位擴建進行研究，并對三種不同擴建方案引起的圍巖變形規律、隧道結構的受力結果進行對比，得到如下結論:(1)地表沉降表現出明顯的不對稱性，淺埋側擴挖方案引起的地表沉降相對于其他兩個方案較小。(2)施工過程中隧道變形具有明顯的動態特性和空間效應:隨著掌子面的頂進，拱頂位移不斷增加，最后趨于穩定;掌子面前方10m范圍及后方20m范圍為較大擾動區。三種擴建方案中，左側擴挖方案引起隧道拱頂位移最小。(3)由于圍巖偏壓的作用，初支軸力分布呈現明顯的不對稱性，最大軸力位于深埋側拱腳位置;最大負彎矩位于兩拱腳處，最大正彎矩位于仰拱靠近拱腳處;錨桿軸力呈不對稱分布，拱頂及拱肩位置錨桿以受拉為主，最大錨桿拉應力發生在深埋側拱肩位置;隧道拱腰及拱腳位置錨桿以受壓為主，最大錨桿壓應力位置位于深埋側拱腳位置。三個擴建方案中，左側擴挖方案引起的初支軸力及彎矩均小于另外兩個擴挖方案，而錨桿的拉應力結果相反。(4)綜合考慮圍巖的位移特性、隧道初支的受力及錨桿的受力情況，建議隧道偏壓段采用向淺埋側擴挖的擴建方案。

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作者:林駿 單位:廈門市市政工程設計院有限公司