［摘要］以福建省南平市九峰山铁路隧道原位扩建项目为工程背景，建立三维有限元模型，模拟地层偏压条件下隧道扩建动态施工过程，通过三种扩挖方案的对比，研究不同扩挖方案下围岩的稳定性及隧道初期支护和锚杆的内力结果。计算结果表明:地表沉降具有明显的不对称性，最大值发生在覆土较厚一侧拱肩处;施工过程中隧道变形表现出明显的动态性和空间效应:掌子面前方10m范围及后方20m范围为较大扰动区;隧道初支内力分布及锚杆受力呈现明显的不对称性，结构受力和锚杆内力较大位置主要位于埋深较深一侧。通过不同施工方案计算结果的比较分析，确定采用左侧扩挖方案有利于保证围岩的稳定性、减小初支内力，确保施工安全，提高隧道扩建经济性，建议在其他条件相同的情况下，隧道偏压段采用向浅埋侧扩挖的扩建方案。
［关键词］偏压隧道;原位扩建;数值模拟;围岩稳定性;施工方案
0引言
伴随着国民经济的快速发展，城市道路交通的需求不断激增，公路改扩建工程发展尤为迅猛。在城市公路改扩建项目中，既有隧道作为公路改扩建的控制工程，由于地形地质和施工条件的限制，经常需要在既有隧道的基础上扩大净空断面以增加行车道。国内外已有成功的隧道原位扩建案例，且更多的隧道原位扩建项目即将开展，既有隧道改扩建课题的研究对指导后续隧道改扩建工程的建设具有重要的意义。目前针对公路隧道原位扩建的研究已取得了一些成果。唐颖对泉厦高速公路扩建工程中的大帽山隧道的超前支护、复合支护及施工方案的设计要点进行了分析;论述了隧道扩建的形式，分析了原位扩建的方法的优缺点和力学特征。朱根桥［6］等通过数值分析、监控量测和爆破监测等手段对扩建开挖对邻近建筑物变形影响和扩建爆破作业对邻近建构筑物影响等开展研究。林从谋等提出了适用于隧道原位扩建施工生产的地表沉降的简便预测函数关系、结合现场监控量测及三维有限元分析手段研究CD工法开挖时软弱围岩的稳定性。孙兴山等以后祠隧道扩建工程为工程背景，基于三维有限元模型，分析原位扩建隧道位移变化规律，提出了针对扩建隧道位移空间变化规律的公式。刘泉声［12］等以后祠隧道工程为依托，对不同开挖方案下隧道新建及原位扩建过程中围岩的力学响应进行研究，提出合理的开挖方案。以上研究对隧道原位扩建具有一定的指导作用，但针对地层偏压状态下铁路隧道扩建为市政公路隧道时不同扩挖方案的对比研究较少。福建省南平市九峰山隧道扩建工程为既有单线铁路隧道原位扩建为单向两车道市政隧道工程，该隧道洞口段地质条件较差且处于明显地层偏压状态中，工程条件特殊。本文基于九峰山隧道，建立三维数值模型，分析地层偏压条件下隧道扩建工程中围岩的位移响应规律和隧道结构的受力结果，同时对比不同扩建方案对结果的影响，确定出较为适合地层偏压条件下隧道原位扩建的方案，以期为今后类似条件下隧道原位扩建工程提供参考。
1工程概况
九峰山铁路隧道扩宽项目位于南平市延平区九峰路右侧，外福铁路九峰山段内侧。原有九峰山铁路隧道净宽5.6m，全长155.7m。由于南平市九峰路道路改造工程，在原位基础上将其改扩建为两车道市政隧道。扩建后隧道跨度为12.3m。隧道洞身围岩划分为Ⅱ级，地层岩性主要为中风化凝灰质砂砾岩，围岩节理裂隙稍微发育，结构面结合好，拱顶长期暴露时会发生小坍塌，侧壁较为稳定。隧道进口、出口地段围岩主要为碎裂状强风化砂岩，岩石破碎，完整性差，围岩级别为Ⅳ级，工程地质条件较差，成洞条件较差。隧道进口与等高线呈30°交角斜交进洞，进口段处于明显的偏压受力状态之中。
2隧道原位扩建三维数值模拟
不同的扩建方案下隧道施工引起的洞周围岩位移响应以及初支受力结果有所不同，为确定较优的扩建方案，此次数值模拟过程中对向浅埋侧扩挖(左侧扩挖)、深埋侧扩挖(右侧扩挖)及两侧扩挖三种不同的扩建方案进行模拟分析，扩建方案示意图如图1所示。
2.1三维数值模型建立及边界条件
应用有限元软件MIDASGTSNX针对相同偏压条件下隧道原位扩建左侧扩挖、两侧扩挖和右侧扩挖三种扩建方案分别建立三维有限元数值模型。模型计算的范围取为:隧道两侧各3D，总宽度为100m;拱顶至地面17.4m，仰拱以下3D，总高度为85m(D为毛洞的总跨径)，模型如图2所示。模拟过程中围岩采用3D实体单元模拟，喷混采用2D板单元模拟、锚杆采用1D植入式桁架单元模拟。综合考虑计算时间和计算精度，对隧道结构附近进行单元细化处理，最终左侧扩挖方案模型单元数为98845，节点数为65736;两侧扩挖方案模型单元数为109662，节点数为67634;右侧扩挖方案模型单元数为105035，节点数为67265。模型的边界条件为:底部约束竖向位移，四周约束法向位移，顶部自由。
2.2物理力学参数
计算过程中，围岩材料的模型类型选择Mohr－Coulomb模型，结构材料选择各向同性弹性模型。隧道进口段隧道埋深17.4m，围岩从地表往下依次分布10m厚碎裂状强风化凝灰砂砾岩及中风化凝灰砂砾岩。根据地质勘察报告及设计资料，确定围岩计算参数如表1所示。
2.3施工过程模拟
数值模拟中通过钝化实体单元模拟隧道开挖，通过激活板单元和桁架单元模拟支护过程，并通过设置荷载释放系数(LDF)模拟应力释放，根据《公路隧道设计细则》(JTG/TD70－2010)，围岩应力释放取70%。具体模拟过程如下:(1)自重荷载作用下，通过计算循环达到模型的初始地应力平衡，将模型位移置零并作为后续分析的初始状态;(2)进行既有铁路隧道开挖支护模拟，达到新的平衡状态，得到扩建前围岩的应力场;(3)根据施工方案进行隧道扩建开挖、支护，每个循环进尺为2m。不同施工工法的主要工序如表2所示。工序示意图如图3所示。
3计算结果
3.1地表沉降
隧道扩建引起的围岩竖向位移云图如图4所示，不同扩建方案引起的地表沉降如图5所示。结合围岩竖向位移云图和地表沉降分布曲线图可以看出:(1)偏压条件下隧道原位扩建引起的地表沉降曲线表现出明显的不对称性:地表沉降最大值发生位置并不在隧道拱顶垂直线上，而是在覆土较厚一侧拱肩对应的地表处。(2)三种扩建方案施工引起的地表沉降曲线分布一致，左侧扩挖、两侧扩挖和右侧扩挖方案施工引起的地表沉降最大值分别为4.5mm、4.8mm和4.7mm，三种扩建方案施工引起的地表沉降较为接近，但左侧开挖方案结果相对于最小。
3.2拱顶下沉
隧道拱顶位移是判断围岩稳定性的一项重要指标。施工过程中隧道变形表现出明显的动态特性和空间效应，掌子面向前推进时，其前后方一定距离内拱顶沉降受其影响。图6所示为隧道扩挖至20m时拱顶位移分布曲线，从图中可以看出:(1)掌子面前方10m范围内受到隧道扩建的扰动较大，10m之外范围所受影响较小;结合图7可以看出，掌子面后方20m内拱顶位移变化较为迅速，均处于非稳定变形段，距离掌子面大于20m时，变形趋于稳定并达到最大值。(2)三种扩建方案施工引起的拱顶沉降中两侧扩挖和右侧扩挖引起的最大拱顶沉降分为9.6mm和9.1mm，结果较为接近，拱顶沉降曲线基本重叠;左侧扩挖引起的最大地表沉降最小，其值为8.5mm。图7为进口断面拱顶位移随掌子面顶进的曲线分布图，从图中可以看出:掌子面顶进至20m范围内拱顶位移迅速增大，20m之后拱顶位移趋于稳定。三个工况结果中，左侧扩挖方案引起的拱顶位移量最小。
3.3初期支护及锚杆内力结果
以两侧扩建方案为例，隧道扩建结束后初期支护轴力分布如图8所示。从图中可以看出:初期支护在开挖结束形成闭合环之后，各部位以受压为主。由于围岩偏压的作用，轴力分布呈现明显的不对称性，右侧拱肩轴力小于左侧，右侧拱脚及右侧拱底轴力分别大于左侧拱脚和左侧拱底，最大轴力位于右侧拱脚位置。三种扩建方案下得到的初支轴力结果如图9所示，采用左侧扩建方案引起的初支轴力最大值最小，其值为2828kN，采用两侧扩挖方案及右侧扩挖方案引起的初支轴力最大值相当，其值分别为3016kN和3010kN。图10所示为两侧扩挖方案下初期支护弯矩图，从图中可以看出:隧道拱顶、拱肩和拱腰的弯矩都相对较小;最大负弯矩位于两拱脚处;最大正弯矩位于仰拱靠近拱脚处，但由于施工过程中既有隧道回填使得回填部位的仰拱弯矩较小。不同扩建方案下初支弯矩如图11所示，从中可以看出弯矩分布规律较为接近，个别位置因为临时支撑的作用引起的弯矩突变。隧道扩建结束后，左侧扩挖、两侧扩挖和右侧扩挖方案下初支弯矩最大值分别为411kN•m、446kN•m和442kN•m。隧道扩建完成后锚杆应力分布图如图12所示，从图中可以看出:锚杆轴力呈不对称分布;隧道拱顶及拱肩位置锚杆以受拉为主，最大拉应力发生在右拱肩位置;拱腰及拱脚位置锚杆以受压为主，最大压应力位于右拱脚位置。图12d为三种方案下锚杆应力对比图，可以看出:左侧扩挖方案引起的锚杆拉应力最大，其值为140MPa，两侧扩挖方案次之，右侧扩建方案最小;而施工引起的锚杆压应力对比规律正好相反，左侧扩挖方案结果最小，其值为64MPa。
3.4施工方案评价
综合分析三种扩建方案下围岩的位移特性、隧道初支的受力及锚杆的受力情况。结果表明，三种扩建方案引起的地表沉降量、拱顶位移、隧道初支受力及锚杆受力均处于可控范围之内，且较为接近。但因围岩偏压的存在，左侧扩挖方案下地表沉降、拱顶位移及隧道初支受力均小于另外两个扩建方案结果，相反的由于初支受力较小，围岩及锚杆承担的荷载比例较大，导致锚杆计算的拉力结果大于另外两个方案。因此在保证锚杆正常使用的前提下，采用左侧扩挖方案有利于保证围岩的稳定性、减小初支内力，确保施工安全，提高隧道扩建经济性。综上所述，建议在其他条件相同的情况下，隧道偏压段采用向浅埋侧扩挖的扩建方案。
4结论
本文采有限元数值模拟的方法对浅埋偏压状态下隧道原位扩建进行研究，并对三种不同扩建方案引起的围岩变形规律、隧道结构的受力结果进行对比，得到如下结论:(1)地表沉降表现出明显的不对称性，浅埋侧扩挖方案引起的地表沉降相对于其他两个方案较小。(2)施工过程中隧道变形具有明显的动态特性和空间效应:随着掌子面的顶进，拱顶位移不断增加，最后趋于稳定;掌子面前方10m范围及后方20m范围为较大扰动区。三种扩建方案中，左侧扩挖方案引起隧道拱顶位移最小。(3)由于围岩偏压的作用，初支轴力分布呈现明显的不对称性，最大轴力位于深埋侧拱脚位置;最大负弯矩位于两拱脚处，最大正弯矩位于仰拱靠近拱脚处;锚杆轴力呈不对称分布，拱顶及拱肩位置锚杆以受拉为主，最大锚杆拉应力发生在深埋侧拱肩位置;隧道拱腰及拱脚位置锚杆以受压为主，最大锚杆压应力位置位于深埋侧拱脚位置。三个扩建方案中，左侧扩挖方案引起的初支轴力及弯矩均小于另外两个扩挖方案，而锚杆的拉应力结果相反。(4)综合考虑围岩的位移特性、隧道初支的受力及锚杆的受力情况，建议隧道偏压段采用向浅埋侧扩挖的扩建方案。
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作者:林骏 单位:厦门市市政工程设计院有限公司