扩建连拱隧道围岩稳定及结构安全性研究

■林我棉

（平潭综合试验区交通投资集团有限公司，平潭 350400）

1 引言

随着我国交通事业的日益发展，公路交通量较早年有了极大的提高，增长速度也远超预期。因此部分隧道已经无法满足其交通量增长的需求,在既有隧道基础上进行改扩建的工程项目也逐渐增加[1][2]，如福建泉厦高速大帽山隧道[3]、福建漳龙高速后祠隧道[4]、沈大高速韩家岭隧道[5]等。

目前，国内针对隧道改扩建的研究已取得了一些成果，但总体而言仍处于起步阶段，可供参考的同类型工程经验也不多。此外，4车道连拱隧道原位扩建为8车道连拱隧道的工程案例国内目前还未见相关报道。

本文结合福建某既有连拱隧道原位扩建方案，采用地层-结构法，对扩建过程中围岩的稳定性、初期支护安全系数、中墙位移、应力和基底承载力等方面开展了探索，并得出相应的结论，对类似连拱隧道扩建设计有一定的指导和借鉴作用。

2 工程概况

既有连拱隧道为双向四车道高速公路隧道，设计行车速度为80km/h，行车道宽度为2×3.75m，净高5m，长140m。进出口段坡体表层覆盖坡残积土；洞顶及洞身围岩主要为残积土、全风化～砂土状强风化花岗闪长岩，结构松散，岩体风化强烈，且泡水易软化，属于极软岩，围岩级别为V级，[BQ]≤250，易坍塌，处理不当会出现大坍塌。隧道地质纵断面如图1所示。

现拟对其扩建为双向八车道连拱隧道，扩建隧道采用两层初期支护：第一层为30cm厚的C25喷射混凝土，I22b钢支撑间距50cm；第二层为20cm厚的C25喷射混凝土，钢格栅支撑间距50cm。临时支护均采用25cm厚的C25喷射混凝土，I20b钢支撑间距50cm。

图1 隧道地质纵断面

扩建隧道拟采用复合式中墙结构，保留部分既有隧道中墙位置二衬，通过水平对拉预应力锚杆等加固措施，使之与既有中墙构成新中墙。

图2 隧道横断面布置

3 围岩稳定分析及支护结构计算

3.1 数值模型

扩建隧道暗埋段均为超浅埋，选取埋深最大位置断面（YK16+600）进行计算分析，围岩级别为Ⅴ级，埋深为29m，地面最大横坡约为15°。

采用同济曙光进行隧道围岩稳定验算分析及结构内力计算。采用三节点三角形单元模拟围岩及既有隧道的中墙，二维梁单元模拟初期支护及临时支护，采用组合梁单元模拟第二层初期支护。边界条件：上表面为地面即自由边界，其余各外表面均设置约束法向位移。二维数值模型如图3所示。

图3 二维有限元网格划分

3.2 参数取值

根据地质资料，洞顶及洞身围岩主要为残积土、全-砂土状强风化花岗闪长岩，结构松散。由于本项目为既有隧道扩建项目，考虑到存在多次扰动，因此地层参数参照《公路隧道设计细则》（JTG/TD70-2010）[6]中 V 级围岩-土（岩）质围岩参数的下限进行选取。详见表1。

表1 地层及材料参数

3.3 计算方案

隧道计算断面所处位置存在地形偏压，根据相关工程经验及研究资料，为消除地形偏压的影响，应采取“先外后里”的开挖顺序[7]。拟采用开挖工序为先开挖左洞，右洞采取加固措施保持通行。

计算方案结合设计的施工步骤，计算时不考虑二次衬砌，开挖后围岩释放荷载50%，初次支护承担50%的围岩释放荷载。施工步顺序如图4所示。

3.4 计算结果

3.4.1 围岩屈服区

图5为施工完成后洞周围岩屈服区的状态，由于洞顶及洞身围岩主要为残积土、全风化～砂土状强风化花岗岩，结构松散，自稳能力差，围岩屈服区基本贯通，自身无法形成承载环。因此在施工过程中，应加强超前支护和初期支护，加强施工监控量测，确保施工安全。

3.4.2 初期支护受力分析

图4 施工步顺序

图5 洞周围岩屈服区

图6为第一层初支的内力图。可以看出，因两洞内侧拱脚与中墙连接处由于存在应力集中，弯距值较大，安全系数分别为0.21和0.26，右洞仰拱（B点）安全系数1.42，其余位置安全系数均满足规范规定1.7×0.9=1.53，满足施工要求。根据《公路隧道设计细则》中规定，支护结构出现的塑性铰小于3个，且不在同一侧侧墙上时，支护结构可起到承载环作用，说明扩建隧道满足稳定性要求。表2为典型位置的内力及安全系数计算结果。

图6 第一层初支内力图

图7为第二层初支的内力图。通过计算可得，第二层初支各截面位置的安全系数除个别连接点外均大于1.53。表3为典型位置的内力及安全系数计算结果。

图7 第二层初支内力图

表2 第一层初支内力及安全系数计算结果

表3 第二层初支内力及安全系数计算结果

3.4.3 中墙分析

3.4.3 .1 中墙位移分析

图8为中墙位移监测点和最终位移图。从图9中可以看出，随扩挖施工的进行，中墙位移总体呈向左侧（靠边坡一侧）移动。左洞右下导坑开挖时，测点水平位移为向左移动2.6mm；当右洞左下导坑开挖时，中墙水平方向产生较大的向右回移，移动至-1.6mm位置；之后随着右洞开挖进行，中墙水平位移继续向左移动，最终稳定在距初始位置-3.0mm处。过程中产生的最大水平位移为-3.2mm，因此施工过程中，应加强对中隔墙的监控量测，确保施工安全。

图8 中墙水平位移示意

图9 中墙水平位移随施工步变化曲线

3.4.3 .2 中墙受力分析

为分析中墙应力随施工步进行的变化规律，取中墙最薄处轴线两侧2个监测点（C、D）和中墙顶部两个角点（A、B）作为监测点，观察其最小主应力（最大压应力）的变化情况，如图10所示。

图10 中墙应力监测点

从图11中可以看出，中墙顶部角点的最小主应力，随施工步进行持续增大。当施工完成时，由于应力集中，左侧角点最小主应力σ3,max达到7.7MPa。根据《公路隧道设计规范》[8]，C25混凝土的轴心抗压强度极限值为Ra=19.0MPa，则综合安全系数，略大于规范最小值2.0。因此，设计时建议对该部位配设多层钢筋网,以提高混凝土局部抗压能力。

图11 中墙顶部角点应力曲线

从图12中可以看出，中墙截面最薄处的最小主应力，随施工步进行基本呈现稳步增长的变化趋势。在开挖过程中，会出现两个突变点，当开挖左洞右下台阶时，中墙右侧（D点）应力有所增大，左侧（C点）应力因得到部分释放而有所减少；当开挖右洞左下台阶时，中墙左侧（C点）应力明显增大，而右侧（D点）应力因得到部分释放而有所减少；当施工结束时，左侧最小主应力值大于右侧，达到5.7MPa，小于中墙C25混凝土的轴心抗压设计强度12.5MPa，满足施工安全性要求。

图12 中墙水平中轴线应力曲线

3.4.4 中墙基底承载力分析

为分析中墙基底应力分布及变化情况，验算其地基承载力能力，取中墙底部两角点处的围岩作为监测点（E、F），观察其最小主应力（最大压应力）的变化情况，如图13所示。

从图14中可以看出，中隔墙基底围岩承受较大的压应力，并随开挖进行逐渐增大。当施工完成后，基底左侧（E点）压应力达到最大值3.64MPa。

图13 中墙基底应力监测点

图14 中墙基底应力曲线

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[9]，当基础宽度大于3m或埋深大于0.5m时，需对地基承载力特征值进行修正：fa=fak+ηbγ(b-3)-ηdγm(d-0.5)。

查地勘报告强风化花岗闪长岩地基承载力特征值fak=0.5 MPa；中墙基底宽度小于3m无需对宽度进行修正；基础埋深的地基承载力修正系数按《规范》表5.2.4取ηd=4.4。

由上式可求得修正后的地基承载力特征值fa=3.58MPa，小于E点应力集中处最大压应力3.64MPa，不满足规范地基承载能力验算要求。因此，必须对地基围岩采取相应的加固措施，以提高基底围岩的承载能力，保证结构的安全。表4为基底左右角点处的围岩应力状态。

表4 中墙基底应力及围岩状态

针对中墙底围岩承受压力较大的情况，设计中根据以往经验，拟在洞口软岩段采用加固基底围岩，以提高围岩承载能力。初步拟定在中墙基底采用 50mm、长度4.0m、间距50cm×50cm的注浆小导管对围岩进行加固，以提高基底围岩的c、φ值（拟提高20%），改善基底围岩的状况。从图15可以看到，在c、φ值提高后，中墙底两侧最大应力处的围岩未进入屈服状态。

4 结论

本文以福建某既有连拱隧道为例，采用地层-结构法对洞周围岩稳定性和结构安全性进行了验算，得出以下几点结论：

图15 中墙基底注浆后角点处莫尔圆

(1)扩建隧道周边围岩屈服区基本贯通，围岩自身无法形成承载环。施工过程中应加强超前支护和初期支护。

(2)因存在应力集中，除双洞的内侧拱脚及右洞仰拱的第一层初支安全系数不满足结构安全外，其余位置安全系数均大于1.53，说明扩建隧道结构满足稳定性要求。

(3)第二层初支各截面位置的安全系数除个别初支与临时支撑的连接点外均大于1.53，满足结构安全要求。

(4)随扩挖施工的进行，中墙位移总体呈向左侧（靠边坡一侧）移动。过程中产生的最大水平位移为-3.2mm，施工过程中应加强对中隔墙的监控量测。

(5)中墙顶部右角点最小主应力为7.7MPa，为结构受力不利部位，设计时对该部配设多层钢筋网,以提高混凝土的局部抗压能力；中墙截面最薄处的最小主应力最大达到5.7MPa，均小于中墙C25混凝土的轴心抗压设计强度12.5MPa，满足施工安全；

(6)中隔墙基底围岩压应力最大值为3.64MPa，不满足基底地基承载能力要求，应对地基围岩采取注浆等加固措施。