南嶺隧道擴(kuò)建形式數(shù)值分析

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目前我國(guó)既有隧道擴(kuò)建工程還不是很多，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)既有隧道進(jìn)行改擴(kuò)建已成為一種趨勢(shì)。胡居義、黃倫海［1］把隧道擴(kuò)建型式歸納為單側(cè)擴(kuò)建、雙側(cè)擴(kuò)建和周圍擴(kuò)建三種型式，并借助有限元分析的方法建立了不同的計(jì)算模型，并通過對(duì)大帽山隧道兩種不同圍巖級(jí)別下的三種擴(kuò)建型式進(jìn)行了模擬分析，得出了最合理的原位擴(kuò)建型式;高干、劉元雪等［2］依托鵝嶺隧道擴(kuò)建工程，計(jì)算并分析了四種不同擴(kuò)建型式下隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及圍巖的受力和變形情況，確定了單側(cè)擴(kuò)建為該隧道的最佳擴(kuò)建型式;馮廣［3］針對(duì)普通分離式雙洞四車道隧道擴(kuò)建成八車道提出了六種擴(kuò)建型式，并通過比選，得出了依托工程合適的擴(kuò)建方案。堯少敏［4］以雙向四車道擴(kuò)建為雙向八車道為例，分析各種擴(kuò)建型式的適宜條件及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)幸福隧道，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面進(jìn)行分析，得出適合于幸福隧道的擴(kuò)建型式為原位擴(kuò)建為兩車道隧道。盧曉玲等［5］結(jié)合公路隧道的特點(diǎn)，對(duì)新建方案和擴(kuò)建方案分別進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出高速公路在既有隧道內(nèi)增加1個(gè)～2個(gè)車道時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致施工難度及風(fēng)險(xiǎn)較大，經(jīng)過各種方案對(duì)比后，建議采用新建隧道的方案;如果既有隧道結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，隧道凈空也滿足使用要求，則可采用局部改建的方案。既有隧道的擴(kuò)建型式主要有單側(cè)擴(kuò)建、雙側(cè)擴(kuò)建和周圍擴(kuò)建，單側(cè)擴(kuò)建為保持?jǐn)U建隧道的一側(cè)與既有隧道邊界重合，雙側(cè)擴(kuò)建為保持隧道仰拱處與既有隧道重合，周圍擴(kuò)建是指既有隧道完全位于擴(kuò)建隧道的內(nèi)部，各擴(kuò)建型式示意圖如圖1所示。目前既有隧道擴(kuò)建型式的選擇要結(jié)合既有隧道路線的線型以及隧道界限的要求，綜合考慮既有隧道擴(kuò)挖施工對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響來判定，充分利用既有隧道工程，減小改建工程量。本文針對(duì)兩種擴(kuò)建型式對(duì)圍巖力學(xué)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行模擬研究。

1數(shù)值計(jì)算模型的建立

1．1土層參數(shù)選取。根據(jù)南嶺隧道地質(zhì)勘察報(bào)告，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，選取的各層圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。1．2計(jì)算模型建立。本文選?、跫?jí)圍巖最大埋深處(DK85+920)建立二維有限元分析模型，模型在水平方向長(zhǎng)度取為80m，豎直方向取70m，上部取至地表，隧道兩側(cè)及底部距模型邊界長(zhǎng)度均為3倍～5倍洞徑。模型上部地表為自由邊界不設(shè)約束，下部為豎向位移約束，左右兩側(cè)為水平位移約束。土體、既有隧道襯砌采用平面應(yīng)變單元，擴(kuò)挖隧道初期支護(hù)及二襯采用梁?jiǎn)卧^桿采用植入式桁架單元。土體本構(gòu)采用摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，既有隧道襯砌、初期支護(hù)、二襯及錨桿采用彈性本構(gòu)。初始應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)模擬，運(yùn)用Madis/GTS有限元分析軟件的激活和鈍化功能來實(shí)現(xiàn)既有隧道的擴(kuò)挖和支護(hù)的施作。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工況，隧道擴(kuò)挖步的荷載釋放系數(shù)設(shè)為0．6和0．4。施工過程采用臺(tái)階法開挖，不考慮超前支護(hù)對(duì)施工過程的影響。

2結(jié)果分析

由于雙側(cè)擴(kuò)建和單側(cè)擴(kuò)建兩種工況的位移分布規(guī)律相似(見圖2)，本文只列出了單側(cè)擴(kuò)建型式的最后施工階段圍巖位移云圖如圖3所示，兩種擴(kuò)建型式的最大位移計(jì)算結(jié)果如表2所示。DISPLACEMENTTY,m0.0%0.1%0.3%1.1%2.3%9.0%58.5%9.9%7.1%5.3%3.8%2.4%+1.21788e-002+1.02624e-002+8.34610e-003+6.42977e-003+4.51344e-003+2.59711e-003+6.80774e-004-1.23556e-003-3.15189e-003-5.06823e-003-6.98456e-003-8.90089e-003-1.08172e-002DISPLACEMENTTX,m0.6%0.8%3.0%65.5%26.8%1.7%0.3%0.3%0.2%0.2%0.2%0.2%+6.32222e-003+4.69941e-003+3.07659e-003+1.45377e-003-1.69051e-004-1.79187e-003-3.41469e-003-5.03751e-003-6.66033e-003-8.28315e-003-9.90596e-003-1.15288e-002-1.31516e-002a）單側(cè)擴(kuò)建圍巖豎向位移云圖b）單側(cè)擴(kuò)建圍巖水平位移云圖Max:0.0121788Min:-0.0108172Min:-0.0131Max:0.00632222圖3單側(cè)擴(kuò)建型式位移云圖由兩種擴(kuò)建型式豎向位移云圖可以看出，兩種擴(kuò)建型式的拱頂下沉位移云圖相差不大，最大位移均發(fā)生在拱頂處，由拱頂至地表豎向下沉位移逐漸減小。拱底最大隆起位移單側(cè)擴(kuò)建較雙側(cè)擴(kuò)建稍大，且均發(fā)生在拱底靠近兩拱腳處位置。由兩種擴(kuò)建型式水平位移云圖可以看出，雙側(cè)擴(kuò)建左右兩側(cè)水平位移呈對(duì)稱形式，單側(cè)擴(kuò)建未擴(kuò)挖側(cè)(左側(cè))位移明顯小于擴(kuò)挖側(cè)，這是由于單側(cè)擴(kuò)建時(shí)未擴(kuò)挖側(cè)圍巖擾動(dòng)較小，且原始錨桿能夠承受一定的作用，阻止未擴(kuò)挖側(cè)圍巖的變形。由表2可以看出，單側(cè)擴(kuò)建圍巖拱頂下沉位移比雙側(cè)擴(kuò)建有所減小，大約減小10%，但拱底隆起位移增大約30%。單側(cè)擴(kuò)建隧道圍巖左、右兩側(cè)水平位移分別較雙側(cè)擴(kuò)建減小59%，14%。除拱底隆起位移外，單側(cè)擴(kuò)建其他位移指標(biāo)均小于雙側(cè)擴(kuò)挖。因此，從圍巖位移角度來看，單側(cè)擴(kuò)建優(yōu)于雙側(cè)擴(kuò)建。

3結(jié)語

本文利用有限元軟件Midas對(duì)既有南嶺隧道改擴(kuò)建形式引起的隧道圍巖位移進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:1)除拱底隆起位移外，單側(cè)擴(kuò)建其他位移指標(biāo)均小于雙側(cè)擴(kuò)挖;2)單側(cè)擴(kuò)建圍巖拱頂下沉位移較雙側(cè)擴(kuò)建約減小10%，左、右兩側(cè)水平位移分別較雙側(cè)擴(kuò)建減小59%，14%。因此，若隧道線型滿足要求，建議優(yōu)先選用單側(cè)擴(kuò)建。

參考文獻(xiàn):

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［2］高干，劉元雪，周結(jié)中，等．地下空間擴(kuò)建型式研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47(6):1-9．

［3］馮廣．中梁山原位擴(kuò)建隧道施工力學(xué)行為研究［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2016．

［4］堯少敏．既有隧道改擴(kuò)建爆破開挖與監(jiān)控技術(shù)研究［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2015．

［5］盧曉玲，秦洲，韓常領(lǐng)，等．公路隧道改擴(kuò)建設(shè)計(jì)［J］．公路，2008(7):233-237．

作者:許明堂 謝忠 徐海鑫 單位:中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司