楼山隧道原位扩挖方案比选研究_林立宏.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-09修回日期 2019-12-16 基金项目 浙江省交通运输厅科研计划项目 （2018013） 。 第一作者简介 林立宏 （1975-） ， 男 （汉族） ， 浙江台州人， 高级工程师， 现从事公路工程建设管理工作。 楼山隧道原位扩挖方案比选研究 林立宏*1， 朱爱山 2， 康三月2， 陈 枫 1， 李国徽3 （1. 台州市交通投资集团有限公司， 浙江 台州 318000； 2. 浙江省隧道工程集团有限公司， 浙江 杭州 310005； 3.中国地质大学工程学院， 湖北 武汉 430074） 摘要 以楼山隧道扩挖工程为背景， 利用MIDAS/GTS对隧道开挖过程进行数值模拟， 研究不同的 开挖顺序对围岩变形以及临时支撑内力的影响。结果表明 三种开挖方案中， 先上部后先下部的开 挖方案较其他方案中围岩变形小， 控制变形效果较好； 且隧道临时支撑弯矩和轴力也较其他方案小， 因此采用先上部后下部的开挖方案较为合理。 关键词 隧道扩挖； 数值模拟； 方案比选 中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0177-04 随着国民经济的飞速发展， 当既有隧道无法满足 现有交通需求时， 可以通过对既有隧道进行扩挖施 工， 增大隧道断面， 从而建成符合使用需求的新隧 道。隧道原位扩建最显著的特点是先要拆除原有隧 道的支护结构， 施工工序复杂， 原隧道支护结构的拆 除及扩挖对隧道围岩扰动较大[1]， 围岩经过的应力路 径较为复杂， 破坏了围岩和原有支护结构的平衡状 态， 力图达到新的平衡和稳定状态， 其应力和应变开 始一个新的变化过程， 围岩应力重新分布并向扩挖的 隧道空间变形[2-3]。采用较好的扩挖方法控制围岩变 形， 其施工技术方案对于同类型的隧道原位扩建施工 具有一定的指导作用和工程应用价值。 1工程概况 楼山公路隧道扩挖施工是通过对既有双向四车道 隧道原位扩建为双向八车道隧道。原隧道位置如图1 所示， 隧道净断面为10.25m5m， 隧道两幅最小间距 29～35m， 改扩建后的楼山隧道净断面为17.25m5m， 隧道两幅最小间距25～31m。隧道围岩主要为微风化 凝灰岩， 节理裂隙较发育， 局部受构造影响较破碎， 以 块石、 碎石状镶嵌结构为主。 2开挖方案设计 楼山隧道设计三种扩挖方案， 三种扩挖方案具有 不同的扩挖顺序， 主要研究分析三种扩挖方案施工过 程中的围岩、 主洞初期支护、 导坑临时支护的关键点变 形、 内力等因素， 以综合确定最优扩挖方案。隧道开挖 分为6部分， 如图2所示。 图1隧道位置图 隧道与建设工程 图2隧道开挖分部 177 2020年第10期西部探矿工程 三种方案扩挖顺序如下 方案 1 Ⅰ→Ⅴ→Ⅱ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅵ （先中部后两 侧） ； 方案 2 Ⅱ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅵ→Ⅰ→Ⅴ （先两侧后中 部） ； 方案 3 Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅵ→Ⅴ （先上部后下 部） 。 3隧道开挖数值模拟 3.1模拟计算方法 本次计算分析运用MIDAS/GTS来完成。由于公 路隧道属于细长型结构物， 即隧道的横断面相对纵向 的长度小很多， 可以假定在围岩荷载作用下， 在其纵向 没有位移， 只有横向发生位移， 所以隧道的力学分析可 以采用平面应变模型进行。支护结构的力学参数是根 据 公路隧道设计规范 JTGD70-2004， 结合工程及计 算经验选取； 围岩的物理力学参数是在隧道工程地质 勘察报告的基础之上， 综合现场调查结论与规范进行 选取， 见表1。为验证施工图设计阶段隧道结构的安全 及可靠性， 采用地层结构法建立了三组模型， 计算模型 如图3所示。分别对Ⅴ级围岩浅埋段初期支护、 临时支 撑进行结构计算， 考察不同开挖方案下围岩稳定性、 支 护结构内力及变形情况， 以确定最佳扩挖方案。 3.2模型建立 （1） 荷载确定。由于采用地层结构法计算模型 为Ⅴ级围岩， 确定在开挖时Ⅴ级围岩荷载释放系数设 定为0.4， 初期支护阶段荷载释放系数设定为0.6。 （2） 约束确定。在有限元计算中， 边界约束条件对 计算结果影响较大。实践和理论分析表明[4-5]， 由于荷 载释放而引起的洞室周围介质的应力和位移的变化， 在5倍洞径范围之外将小于1， 在3倍洞径之外约小 于5。因此， 依据工程的具体要求和有限元法的离散 误差， 本计算模型的边界范围是 水平方向左、 右两边 和隧道上方都取洞跨的5倍； 隧道下方取洞跨的4倍。 计算时施加的边界条件是 两侧边界约束水平方向的 位移， 底部边界约束竖向位移。 （3） 计算模型假定。所有材料均为均质、 连续、 各 项同性的； 围岩采用符合莫尔库伦屈服条件的材料 模拟， 喷射混凝土、 钢架用梁单元模拟； 不考虑空间效 应， 采用二维平面计算模型。衬砌材料参数如表2所 示， 钢架材料参数如表3所示。 密度 （g/cm3） 2.68 泊松比 0.22 屈服强度 （MPa） 5.5 弹性模量 （GPa） 0.228 剪切模量 （MPa） 22 硬化系数 0.5 表1围岩材料参数 密度 （g/cm3） 2.67 泊松比 0.25 弹性模量 （GPa） 0.202 剪切模量 （MPa） 22 表2衬砌材料参数 密度 （kg/m3） 7.83 初始内部能量 （J） 0 弹性模量 （GPa） 0 剪切模量 （MPa） 0.77 硬化系数 0.26 表3钢架材料参数 图3整体模型图 3.3模拟结果分析 相同条件下， 对比分析隧道三种开挖方案中的支 护结构变形量、 受力大小及围岩稳定情况， 得出分析结 果如下 （1） 竖向位移拱顶沉降。三种方案施工过程中拱 顶沉降曲线如图4所示， 方案1在临时支撑拆除前各施 工步中对拱顶沉降控制效果较好， 但在临时支撑拆除 后发生较大的沉降， 达到了开挖过程中的一倍， 可认为 178 2020年第10期西部探矿工程 该种工法下临时支撑拆除后围岩松弛较大， 不利于围 岩稳定； 方案3最大沉降在上半断面开挖过程中就已经 发生， 沉降过程均匀， 临时支撑拆除后变形小。从拱顶 沉降角度来看， 方案3最优， 方案2次之， 方案1最不利。 图4不同方案拱顶沉降曲线 三种方案施工过程中仰拱隆曲线如图5所示， 可发 现三种方案隆起趋势相同， 且数值相差不大， 从该角度 讲三种方案基本无差异。 图5不同方案仰拱隆起曲线 （2） 水平位移。不同方案最大开挖线处水平位移 曲线如图6所示， 方案1由于先开挖中间部分， 最大临 空面形成时间较早， 施工过程中水平位移较大， 在临时 支撑拆除后， 水平位移增大约25， 变化幅度较大， 不 利于围岩稳定及支护结构受力； 方案2水平位移在开挖 下半断面左右侧导坑时基本完成； 方案3在单侧导坑开 挖完成后水平位移基本完成， 对水平位移控制较好。 从水平位移来看， 方案2与方案3水平位移值相差不 大， 并且都比方案1水平位移值要小。 （3） 临时支撑内力。主要分析对比临时支撑的弯 矩和轴力， 从各施工步来看， 方案1临时支撑弯矩最大， 方案2、 3基本相同， 方案1临时支撑轴力最大， 方案2次 之， 方案3最小。方案3临时支撑弯矩图如图7所示。 图7方案3临时支撑弯矩图 （4） 围岩塑性区。施工过程中三种方案围岩塑性 区均很小， 且差异不大， 均在要求范围内。方案1仰拱 塑性区范围较大， 方案2、 3最大开挖线处塑性区较为集 中。 表4为各施工方案变形及内力对比表， 综合以上各 因素， 可知方案1控制变形效果最差， 且结构内力最大， 不宜采用。而方案3控制变形效果最好， 且结构内力最 小， 采用方案3进行开挖较为合理。 4结论 以不同开挖顺序设置三种不同的施工方案， 对不 同方案的围岩变形量和支撑内力进行分析对比， 得出 以下结论 （1） 对比各方案临时支撑内力， 可知先中部后两侧 的开挖方案临时支撑的弯矩与轴力均表现最大； 故不 宜采用此方案开挖。 （2） 对比方案2与方案3， 可知方案3在控制围岩竖 向变形的效果优于方案2， 临时支撑轴力值小于方案2， 图6不同方案最大开挖线处水平位移曲线 179 2020年第10期西部探矿工程 其他对比项目基本相同， 因此选用方案3先上部后下部 的开挖方案更为合理。 参考文献 [1]彭念.原位扩建隧道围岩力学响应机理研究[D].重庆大学， 2010. 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The results show that among the three excavation schemes, the excavation scheme with the upper part first and the lower part later has smaller deation than the other schemes, and the deation control effect is better; moreover, the bending moment and axial force of the temporary support of the tunnel are also smaller than those of the other schemes, so the excavation scheme with the upper part first and the lower part later is more reasonable. Key words Tunnel excavation；numerical simulation；scheme comparison 表4各施工方案变形及内力对比表 项目 竖向位移 水平位移 临时支撑内力 塑性区 拱顶沉降 仰拱隆起 最大开挖线处 临时支撑弯矩 临时支撑轴力 方案1 最不利 基本相同 最不利 最大 最大 差异不大， 均在要求范围内 方案2 中间值 基本相同 基本相同 中间值 方案3 最优 最小 （上接第176页） 明显的负Eu异常和正Ce异常， 认为其沉积环境为一 局限盆地沉积， 稀土元素来源于陆源的中酸性源岩。 其分布模式除底部煤分层有变化外， 其余样品较为一 致， 说明底部煤分层的稀土物源与其他样品的物源有 所不同。 参考文献 [1]陈儒庆，曹长春，阮贵华.广西煤的常量元素地球化学特征[J]. 中国煤炭地质，1997240-44. [2]王运泉，王隆国.煤及其燃烧产物中微量元素分布及其赋存 特征[M].华南理工大学出版社，1998. [3]徐彬彬，何明德.贵州煤田地质[M].徐州中国矿业大学出版 社，2003. [4]李宝庆.黔西上二叠统龙潭组煤的矿物学及地球化学特征 研究[D].中国地质大学， 2015. 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