四周扩挖隧道浅埋段软弱围岩变形控制技术研究

黄黎明 周维政 贾艳领

（1.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心，广西南宁 530007；2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007）

0 引言

交通量日益增大，一些早年间修建的公路隧道已无法满足运力需求，为了提高原有公路的行车技术指标以适应当今交通运输发展要求，原位扩建隧道应运而生[1-2]。原位扩建隧道与新建隧道区别较大，前者需要拆除既有隧道结构，再扩挖隧道断面，从而打破了围岩原有的平衡状态[3]，使得扩挖过程中围岩受力复杂。原位扩建隧道的既有衬砌的拆除、扩挖方法和临时支护对围岩的稳定性及结构安全影响较大，如若拆除不当或支护不及时，极易诱发围岩出现较大变形，严重威胁施工安全[4]。高 干等[5]根据原位扩建隧道与既有隧道的相对位置，将其分为了三种类型：单侧扩挖、两侧扩挖与四周扩挖。单侧扩挖是指对既有隧道的一侧进行扩挖；而两侧扩挖指对既有隧道的左右两侧同时进行扩挖；四周扩挖，即原隧道在扩建隧道的内部，通过扩挖既有隧道的四周形成新的隧道断面。屈希峰等[6]、林从谋等[7-8]、杨利福等[9]、余顺等[10]基于有限元或离散元理论优化了在单侧扩挖下的施工方案或支护参数等；钟元庆[11]、朱根桥等[12]借助数值模拟与现场监测研究了隧道扩挖对邻近构筑物产生的影响。现阶段原位扩建隧道的研究成果主要集中在研究单侧扩挖下隧道施工工法比选与支护参数优化，或是有关隧道扩挖对既有构造物产生的影响方面。

由于我国在两车道隧道基础上四周扩挖成四车道的工程实践少，围岩扰动次数更多的四周扩挖型扩建隧道的研究也相对不足[13]，四周扩挖施工风险较大。本文依托四周扩挖型原位扩建隧道工程，基于有限元软件对施工阶段进行动态模拟，揭示了在四周扩挖下隧道软弱围岩的位移变形规律、应力分布情况及支护结构的力学特征，探索了四周扩挖型原位扩建隧道浅埋段软弱围岩的变形控制方法，以期为后续类似工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

该隧道位于台州市境内，隧道左洞长508 m，右洞长487 m，既有隧道为双洞双向四车道隧道，拟原位扩建为双洞双向八车道的一级公路隧道，设计时速80 km/h，最大开挖宽度20.09 m，高度13.68 m，开挖断面面积229 m2，断面矢跨比0.426，高跨比0.64，采用新奥法原理设计与施工。浅埋段地层岩性主要为含碎石粉质黏土、含黏性土碎石及全风化-强风化凝灰岩，受断层影响，岩体极破碎，风化极强，含少量水，稳定性极差，围岩等级为Ⅴ级。由于受地形与路线整体平纵线形制约，该工程的扩建方式采用四周扩挖型，其中原位扩建隧道与既有隧道的内轮廓相对位置关系如图1所示。

图1 原位扩建隧道与既有隧道的内轮廓相对位置关系图（单位：cm)

隧道开挖前，首先需要对既有隧道下半断面回填压实，为临时支撑提供支点。为了避免变形过大引起塌方或者初期支护大变形，该原位扩建工程采用双侧壁导坑配合超前大管棚及小导管施工开挖，设计参数见表1。

表1 支护参数选取表

工程采用的是基于双侧壁导坑开挖的四周原位扩挖工法，施工时先开挖中导洞上台阶，上台阶开挖长度不大于5 m，中台阶距上台阶不大于5 m，以便于侧壁临时支撑及时闭合，左导洞上台阶距中导洞中台阶长度不大于10 m，上台阶长度不大于5 m，下台阶距离上台阶不超过5 m；右侧导洞上台阶开挖面距离左导洞下台阶不大于10 m，下台阶距离上台阶不超过5 m。导洞全部开挖完成后根据初支稳定情况拆除临时支撑，临时支撑拆除时需充分发挥空间效应，临时支撑分段拆除长度不得大于15 m，图2为洞口段双侧壁导坑法导洞设计图。

图2 双侧壁导坑法导洞设计图

2 数值模拟分析

借助有限元软件对该扩挖工程建立地层结构二维计算模型，选取进洞浅埋段为研究对象，分析四周扩挖型原位扩建隧道施工中的软弱围岩变形时空演变规律，其中模型左右与下部各取四倍隧道跨径区域作为模型计算范围，合计单元数43222个，计算模型如图3、图4所示。假定围岩服从莫尔-库仑屈服准则，支护结构假定为各向同性材料，选用弹性本构；由于研究对象为浅埋段，且地层破碎，故不考虑地层构造应力；初期支护及二次衬砌采用梁单元模拟；对于管棚与小导管通过提高地层的强度参数形成加固圈来替代；锚杆采用植入桁架单元模拟，在V级围岩中，将初期支护以及二次衬砌的释放荷载承担比分别设定为40%与60%[14]；在数值模拟中设置了不同的施工阶段，以研究隧道原位扩挖下围岩与衬砌结构的力学响应及时空演变规律，施工阶段过程模拟见图5。各阶段分别表示：（1）初始状态；（2）洞内回填土石；（3）-（5）开挖上台阶；（6）-（8）开挖下台阶；（9）施工二衬。从勘察设计文件与实际工程实验中获取模型参数如表2所示。

表2 模型计算参数选取表

图3 计算区域网格图

图4 隧道局部网格图

图5 数值计算中施工阶段的模拟过程

3 围岩与衬砌结构的力学响应及时空演变规律

3.1 软弱围岩的位移与应力情况

通过对开挖与支护阶段的施工力学行为动态模拟，得到隧道四周扩挖下周边围岩的位移情况（见图6），由图6可分析得：隧道开挖上台阶后，及时施做了上台阶的竖向临时支撑与初期支护，隧道拱顶与拱肩处并未出现较大变形，开挖土体导致了围岩应力释放，上台阶底部出现了部分土体隆起的现象，最大值达到53.7 mm；开挖完下台阶，并随之跟上下台阶的临时支撑与初期支护，此时隧道周边围岩亦未出现较大变形，洞内竖向临时支撑在抑制洞内软弱围岩松动圈变形方面发挥了显著的作用；在拆除洞内临时支撑并施做二衬时，隧道洞顶位置累计出现了23.8 mm的沉降，洞顶沉降值仍在允许范围内。分析整个开挖支护的动态施工过程，结果表明采取分步开挖并辅以高强度的临时支撑能够较好地控制原位扩挖隧道软弱围岩变形。

图6 各施工阶段中的围岩变形情况

隧道工程的四周扩挖在施工过程中，由于其不同于常规新建隧道，围岩在受到多次扰动后，其应力状态变得十分复杂，借助有限元软件模拟整个扩挖过程，由图7-图9可得：开挖完成隧道上台阶后，隧道左右两侧拱肩远离中间临时支撑位置出现了较大的拉应力，最大值达到28.5 kPa，与之形成鲜明对比的是临时支撑与拱顶相接位置并未出现较大拉应力，表明在隧道原位扩挖过程中临时支撑分担了的围岩释放的部分应力，其对改善软弱围岩松动圈的应力状态效果较为明显；由于竖向临时支撑施做与初期支护的成环，开挖完下台阶后，拉应力亦分布在拱肩两侧，拱顶拱腰及仰拱位置拉应力较小。支护结构施做完毕后，检查隧道围岩的塑性应变发展范围，由于拆除既有衬砌对隧道围岩扰动较大，在隧道拱肩与两侧拱脚处出现了一定范围的塑性应变，因此在隧道施工中应加强拱肩处的管棚与拱脚处的锁脚锚杆的支护强度，以提高围岩稳定性。

图7 施工阶段拉应力云图

图8 拉应力云图

图9 塑性应变云图

3.2 支护结构的力学特征

由以上分析可知，在隧道原位扩挖过程中的临时支撑与初期支护在控制围岩变形与改善周边围岩应力状态方面作用显著，通过提取初期支护与临时支撑的内力图（图10-图12），可知初期支护与临时支撑以受压为主，其中竖向临时支撑与初期支护拱脚及边墙位置所受轴向压力相对较大，最大值达到946 kN，在拱肩位置初期支护出现了受拉区域，不过所受拉力较小，最大值为193 kN；弯矩的最大值亦出现在拱肩附近，尤以右侧拱肩处为甚，最大值达到714 kN·m，临时支撑所受弯矩值相对较小，但其与初期支护连接处及初期支护拱脚位置存在较大负弯矩，最大值达到649 kN·m；最大剪力出现位置亦集中在临时支撑与初期支护连接处，最大剪力为475 kN，其余部分未出现较大剪力。分析初期支护与临时支撑的受力状态，结果表明初期支护的左右两侧拱肩与拱脚处、初期支护与竖向临时支撑连接处为受力相对不利位置，因此在施工拱肩与拱脚时应多加关注围岩与支护结构的变形位移情况，在初期支护与竖向临时支撑连接处应设置垫板以改善连接处应力集中情况。

图10 轴力图

图11 弯矩图

图12 剪力图

通过提取初期支护与临时支撑的轴向应力，分析初期支护与临时支撑的应力分布情况，其中正值为受拉，负值为受压（见表3）。

通过分析表3可得：开挖与支护过程中，拱顶、拱脚、仰拱与临时支撑都处于受压状态，最大压应力为8.7 MPa，初期支护左右拱肩位置受拉应力作用，其中最大拉应力为0.54 MPa，均小于C25喷混与型钢的屈服强度，符合安全性要求。

表3 初期支护与临时支撑轴向应力 MPa

基于对施工过程的动态模拟，得出了支护结构在不同施工阶段的应力情况（见表4），其中临时支撑的作用显著，在整个施工过程中受力较大，尤其在开挖下台阶后最大压应力达到了8.7 MPa，初期支护在拆除临时支撑后应力增长迅速，尤其在右侧拱脚位置，最大压应力达到了2.4 MPa，二衬施作后，由于拆除临时支撑所产生的时间效应，初期支护应力持续增长，右侧拱脚达到了2.8 MPa，二衬亦承担了重要作用，其中左侧拱脚最大压应力达到了1.8 MPa。

表4 支护结构不同利阶段轴向应力 MPa

通过分析支护结构在不同施工阶段的应力情况，可得出：竖向临时支撑在开挖上台阶与下台阶过程中一直承担着较大的压应力，对控制围岩的变形发挥着显著作用，但仍需多关注初期支护与竖向临时支撑连接位置，通过设置垫板或其他方式以改善连接处应力集中情况；在拆除竖向临时支撑后，初期支护中压应力增长迅速，此阶段为整个施工过程中的最不利阶段，因此在初期支护施工过程中，应尽早闭合初期支护，钢架和围岩之间有间隙时使用楔块楔紧，以确保钢架与围岩紧密接触和均衡受力，使其尽早发挥作用。

4 现场监测与数值计算对比分析

通过提取施工最终阶段的初期支护位移云图（见图13、图14），与现场监测结果对比可得：拱顶下沉最终监测值为25.47 mm，数值计算最终结果为22.1 mm，周边收敛最终监测为14.4 mm，数值计算最终结果为10.2 mm；由于施工开挖推进时间较长与施工震动等原因，现场监测值略大于数值计算结果，但差异较小。结果表明数值计算与实际监测结果基本一致，本次数值计算较为准确地完成了四周扩挖型扩建隧道施工力学行为动态模拟。

图13 初期支护水平位移云图

图14 初期支护竖向位移云图

将整个施工过程的监测数据与数值计算结果对比（见图15、图16），由图中可知监测与数值计算得到的围岩松动圈的变形发展规律大致相同。通过现场的监测数据表明，该工程选用的开挖工法与支护参数对控制隧道软弱围岩变形效果显著。该原位扩建工程施工中所用工法成功限制了软弱围岩的变形，顺利地完成了隧道原位扩建施工。目前，该隧道已建成通车且运营状况良好，隧道现场开挖施工与运营分别见图17、图18。该四周扩挖型的隧道原位扩建工程的成功经验具有较强参考价值，可以应用于其他类似工程。

图15 隧道拱顶沉降监测值与数值解对比

图16 隧道周边收敛监测值与数值解对比

图17 双侧壁导坑施工图

图18 运营中的扩建隧道

5 结论

通过有限元软件模拟了四周扩挖型原位扩建隧道的动态施工过程，探索了四周扩挖型原位扩建隧道浅埋段软弱围岩的变形控制方法，得出以下结论：

（1）通过分析整个开挖支护动态施工过程，表明采取分步开挖并辅以及时的临时支撑能够较好地控制四周扩挖型原位扩建隧道的软弱围岩变形。

（2）拆除既有衬砌对隧道围岩扰动较大，在隧道拱肩与两侧拱脚处会产生一定范围的塑性变形，应适当加强拱肩处的管棚与拱脚处的锁脚锚杆设计参数，以提高围岩稳定性从而保证施工质量。

（3）通过分析初期支护与临时支撑的受力状态，表明初期支护的左右两侧拱肩与拱脚处、初期支护与竖向临时支撑连接处为受力相对薄弱位置，因此在施工拱肩与拱脚时应多加关注围岩与支护结构的变形位移情况。