大断面公路隧道扩建施工位移预警标准值研究

大断面公路隧道扩建施工位移预警标准值研究

叶连超

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

摘要：针对大断面公路隧道改扩建的施工，文章以深汕西改扩建项目为研究对象，系统的阐述了大断面公路隧道改扩建的施工安全和预警标准的研究。本文通过数值分析的方法，确定了Ⅳ、Ⅴ级围岩的极限剪应变和极限主拉应变；采用有限元极限分析方法，以塑性应变在岩土体内是否贯通作为判据，确定了在既有隧道影响下，深汕西大断面公路隧道改扩建在不同净距条件下的施工预警指标，为后续施工提供了指导依据，也可为类似工程提供技术参考。

关键词：公路隧道改扩建；大断面；有限元极限分析方法；施工预警指标

一、引言

在一些经济发达地区及特大型城市区域，双向四车道乃至双向六车道公路隧道已不能适应交通量日益增长的需求[1]，在原有公路或道路标准基础上改建成为双向八车道的公路隧道的项目越来越多。大断面公路隧道改扩建主要的型式有原位扩建、并行扩建和组合扩建[5]。原位扩建从原有隧道开挖形成的小断面隧道到现在拆除原有结构开挖成大断面隧道[2]，隧道围岩经过的应力状态错综复杂，围岩稳定性受开挖方法的影响较大[3]，且新扩建的大断面隧道围岩压力与直接在原始地形地貌下开挖成大断面隧道的围岩压力有本质区别[4]，因此支护结构的设计和计算不同于普通的大断面隧道。但是我国现阶段在隧道改扩建方面发展还不是特别全面，缺少针对既有公路隧道改扩建风险研究的指南或规范，并且对既有隧道影响下大断面公路隧道改扩建的施工预警方面的学术研究也较为缺乏。李健等基于既有隧道改扩建工程，采用数值模拟与理论分析等手段，对隧道改扩建工程施工结构安全性进行研究；陈潇[8]洋对城市大跨度、小净距隧道的改扩建施工方法、围岩和支护结构力学特性进行分析；金波[9]等定性总结了隧道在改建施工中涉及的整治方案、施工安全和运营安全等问题的解决方案；以上学者对公路隧道改扩建的施工方案和施工的力学特性进行了分析，但缺少对大断面公路隧道扩建施工过程中的安全预警的研究，以上研究虽对中国公路隧道改扩建方面有着很深的影响意义，但其也有局限性。

目前，我国在既有隧道影响下新建大断面公路隧道的工程实践不多，经验相对缺乏，并且大断面隧道有着超高的扁平率，比两车道的小断面隧道有着更加复杂的受力情况。因此急需能够指导扩建大断面隧道施工的预警指标，保证施工的安全，避免给社会造成的巨大的损失。本文采用试验与数值模拟相结合的方法，以深汕西改扩建隧道为例，研究了在软弱围岩情况下改扩建大断面隧道失稳破坏时各个关键点的位移值。

二、大断面隧道改扩建施工预警研究

（一）有限元极限分析法

数值极限分析方法求解过程与传统方法不同，计算采用严格的理想弹塑性数值解法，进行数值计算过程中，通过不断地降低材料强度(按同一比例降低岩土黏聚力c和内摩擦因数tanφ)或增大荷载，使其在数值计算中最终达到破坏状态，此时破坏面自动生成，并发出破坏信息。本文采用塑性应变在岩土体内是否贯通作为判据，即以塑性区从内部贯通至地面或临空面作为破坏判据。

（二）安全极限应变控制标准

等效岩块极限应变分析采用通过逐级增大荷载，同时监测中心点位移，当某级荷载作用下岩块中心点位移不收敛时，岩块发生破坏，即为等效岩块极限荷载，取上一级荷载所对应的应变值为极限应变。计算结果显示当竖向荷载为1.442Mpa、0.361MPa时，等效岩块中心点竖向位移不收敛，岩块发生破坏，提取上一级荷载的应变值作为极限应变值，即1.441Mpa、0.361Mpa；最终得出Ⅳ级、Ⅴ级围岩等效岩块的极限剪应变分别为1.08‰、0.96‰，极限主拉应变分别为0.28‰、0.27‰。

（三）数值分析

本文旨在研究既有隧道影响下，不同净距下新建大断面四车道隧道的施工预警标准，为后续扩建隧道施工提供指导依据；在Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件、60m埋深、双侧壁导坑施工方法下分别拟建不同净距下的5种工况。

（四）结果分析

提取并绘制隧道关键位置处位移随折减系数变化的曲线如下图1所示。限于篇幅问题，上述图表只罗列了单个工况下的各个关键位置的位移随安全系数的变化规律。通过对不同围岩、不同净距下各个关键点位移规律、大小的分析。得到了在在既有隧道影响下大断面四车道公路隧道在不同净距下的施工预警标准，详见表1。

图1隧道关键部位位移值随安全系数变化曲线

表1  60m埋深下隧道施工安全预警标准

三、 结论

(1) 对深汕西隧道进行围岩变形模拟分析；最后通过数据分析对比得出Ⅳ级围岩等效岩块的极限剪应变为1.08‰，极限主拉应变为0.28‰；Ⅴ级围岩等效岩块的极限剪应变为0.96‰，极限主拉应变为0.27‰。

(2) 采用有限元极限分析方法，以塑性应变在岩土体内是否贯通作为判据，得到各个净距下隧道塑性区在拱顶贯通的强度折减系数，其最大安全系数对应的各个关键点的位移就是隧道围岩失稳的位移，通过对各个关键点位移的拟合，本文得到了深汕西隧道在60m埋深和Ⅴ围岩条件下，不同间距的安全预警指标。

参考文献：

[1]王梦恕.对21世纪我国隧道工程建设的建议[J]，现代隧道技术，2001，38（1）：2-4.

[2]李元福.关村坝隧道改扩建施工技术[J]，铁道建筑技术，1996，（4）：22-26.

[3]杨小礼，王作伟，陈杰.既有隧道扩建.程及衬砌稳定性研究[J1.交通科学与工.程.2010.2（1）：49-52.

[4]刘正雄，罗崇镜，周余奎.关村坝隧道扩建喇叭口工程控制爆破技术[J]，爆破，1999，1（3）：40-44.

[5]胡居义，陈礼彪，黄伦海.2车道隧道扩建成4车道隧道扩建形式研究J1，公路交通技术.2010.（5）：93-97.

[6]中国隧道工程学术研究综述·2015[J].中国公路学报，2015，28（5）：1-65.

作者简介：叶连超(1996-)，男，汉族，贵州遵义人，重庆交通大学大学硕士研究生，研究方向：隧道与地下工程