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即有公路隧道原位改扩建设计的研究李杰浙江佳途勘测设计有限公司摘要：近年来由于经济的不断发展，政府对公共基础设施的重视也越来越大，尤其是起到交通运输作用的道路工程。
文章将依托已建成的原位改扩建公路隧道即浙江省丽水市境内330国道塔下隧道，为隧道原位改扩建的实施提供保障，并为今后类似工程的设计、施工提供技术指导。
关键词：公路隧道；隧道原位改扩建；设计方案；塔下隧道1前言随着我国经济不断发展，人口不断增多、道路交通日益拥堵、特别是早期建设的隧道因设计等级低，容量小，往往成为道路交通的瓶颈，急需改建扩容。
经过长期的基础建设实践，目前新建公路隧道的设计施工方法都非常成熟，当面临已有隧道容量不足需要扩建时，大多采用新型平行隧道方式解决，但在实际工程还有大量隧道因为临近结构物的限制，缺乏新建隧道的空间，不得不采用原位改扩建的方法。
2概述2.1项目研究背景浙江丽水为山岭重丘区，即有公路隧道数量众多，二级公路及以下隧道建设年限久远，规划不合理，以及当时没能预见后续的发展需求，在前期开发的公路隧道中存在各种弊端，尤其是交通量的日益增大，原有隧道断面已经不能满足现在的需求。
如果移线改建就需要巨大的资金投入，即有隧道得不到充分利用，造成经济浪费，因此对即有公路隧道原位改扩建显得非常必要。
隧道原位改扩建主要改造目标有调整线路平、纵断面、扩大隧道净空、增设洞内建筑物或对隧道局部损坏地段的补强与修复。
近年来，国内外专家学者对隧道原位改扩建都开展了一定的研究，但在隧道改扩建方式上多选择分离式路基的办法，即新建隧道，并需根据围岩条件确定隧道间距，对公路隧道原位改扩建的研究非常少。
2.2与新建隧道的区别隧道原位改扩建是指在原有隧道的基础上，拆除原有支护结构后对周围围岩体进行扩挖，以增大隧道断面，形成符合使用要求的新隧道，从而提升其服务水平。
相对与新建隧道施工方法、施工工序、支护措施有较大的不同。
原位改扩建需要破坏即有隧道支护结构，施工风险大，不同的改扩建形式和方法对围岩稳定性影响大，又因交通限制的影响需要加快施工进度。
深大竖井施工围岩稳定性分析发布时间：2023-01-13T09:20:48.566Z 来源：《建筑实践》2022年第18期作者：杨姜涛王家进[导读] 随着我国特长公路隧道的迅猛发展，公路隧道通风竖井不仅在隧道施工中作为施工的辅助通道而且成井时则会作为隧道通风辅以隧道的通风换气作用杨姜涛王家进中国建筑第八工程局西南公司重庆分公司重庆市 400021摘要：随着我国特长公路隧道的迅猛发展，公路隧道通风竖井不仅在隧道施工中作为施工的辅助通道而且成井时则会作为隧道通风辅以隧道的通风换气作用，在地下资源的开发中也起到至关重要的作用。
通风井的设计依然是现在诸多学者研究的一门课题之一。
但竖井衬砌支护的合理性以及安全性关系到施工的质量以及风井的运作能力。
而现在竖井施工所遇到的开挖深度大、复杂程度高等新的诸多问题随之而来，对于施工作业造成极大的挑战性。
基于此，对深大竖井施工围岩稳定性进行研究，以供参考。
关键词：公路隧道;竖井开挖;稳定性;数值模拟引言竖井作为隧道工程建设中的重要组成部分，不仅是隧道施工的重要通道，还可以作为隧道通风竖井等永久性结构使用。
近年来，随着我国经济快速发展和基础设施建设不断推进，隧道长度和埋深也越来越大，超深竖井在隧道工程中的应用也愈加广泛。
1竖井支护结构研究现状在竖井施工过程中应及时进行井壁支护，以支承加固围岩，维持井壁围岩的稳定性。
在支护形式的选择上，如果开挖地层围岩稳定性良好，通常不需要采用支护手段；如果开挖地层围岩稳定性较差，则需要采用相关的井壁加固措施保证井壁围岩稳定性。
竖井支护方式取决于所处地层性质，目前在岩石地层中一般采用锚杆喷射混凝土技术，在土层中一般采用“围护结构+内支撑”的支护方式。
锚杆喷射混凝土技术由于其技术先进、经济合理、质量可靠等优点，被广泛应用于超深竖井的支护设计中。
相较于传统的竖井支护技术，锚喷支护可以显著降低施工成本，加快施工速度，减轻劳动强度，为之后的支护机械化施工创造有利条件。
关于隧道结构安全性能的研究分析【摘要】对于不同的地质结构开展的地质工程是需要多方面考虑的，因为盾构隧道虽然可以减轻此处交通压力但是施工方面对于计算和设计的要求就格外严格，因为此地的土质土层容易受到外界影响而导致隧道坍塌，因此对于此工程的设计方案就要着重审核后期隧道加固和防止坍塌的手段，争取做到百年工程的口号，减少工程施工疏忽的问题而引发的安全隐患【关键词】安全；隧道结构本文以某隧道为工程背景，结合隧道衬砌后空洞对结构稳定性影响的模型试验结果，运用岩土隧道分析有限元软件midas软件进行有限元数值模拟，详细分析了不同位置的空洞对衬砌结构受力特点以及结构性能的变化，研究成果有助于准确把握空洞对隧道衬砌结构安全的影响，为综合评价隧道结构安全性提供可靠依据。
1、简介隧道工程背景某隧道呈北西走向，左线长3525 m，右线长3508.89 mm，属特长隧道，采用分离式隧道结构形式。
隧道主洞建筑限界净宽10.75 m，净高5.0 m，检修道净高2.5 m，道路两侧设有宽0.75 m，高30 cm 的人行道。
设计采用复合式衬砌，初期支护由系统锚杆、单层钢筋网、喷射混凝土、工字钢钢拱架组成，结合超前小导管，导管采用ф42×3.5热轧钢管，模筑钢筋混凝土作为二次衬砌。
初衬采用c25喷射混凝土，厚度为25cm，l20b型钢拱架间距为100 cm，二次衬砌采用c25钢筋混凝土，厚度为45 cm。
地貌以侵蚀构造类型为主，山坡陡峭，山脊狭窄，局部岩石裸露，部分路段围岩软弱，夹泥带、破碎带及小断层多，围岩等级为ⅳ级，进出口围岩稳定性稍差。
但是在隧道施工中地质调查结果与实际地质情况有出入，导致多次塌方，对隧道的稳定性造成严重的影响。
2、建造与构造模型实验的关系试验的目的主要是根据某隧道的地貌情况及不同位置出现空洞对隧道衬砌的结构安全的影响与分析。
模型尺寸为600 mm×600 mm ×100mm，模型的几何相似比取1/90，故隧道尺寸为：跨度为121 mm，洞高为108 mm，直墙高为37 mm，材料选用的是石膏、水泥为胶结材料来模拟石英岩。
隧道工程衬砌施工工艺及技术要求隧道衬砌要遵循“仰拱超前、墙拱整体衬砌”的原则，初期支护完成后，为有效地控制其变形，仰拱尽量紧跟开挖面施工，仰拱填充采用栈桥平台以解决洞内运输问题，并进行全幅一次性施工。
仰拱施作完成后，利用多功能作业平台人工铺设防水板，绑扎钢筋后，采用液压整体式衬砌台车进行二次衬砌，采用拱墙一次性整体灌注施工。
混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，混凝土搅拌运输车运至洞内，混凝土输送泵泵送入模。
衬砌施工工艺流程见图1。
1 衬砌模板模板衬砌台车必须按照隧道内净空尺寸进行设计与制造，钢结构及钢模必须具有足够的强度、刚度和稳定性。
衬砌台车经施工单位会同监理单位验收合格后方可投入使用。
模板台车长度宜为9～12m，工点设计应根据沉降缝、预留洞室和预埋管线位置综合确定。
模板台车侧壁作业窗宜分层布置，层高不宜大于1.5m，每层宜设置4～5个窗口，其净空不宜小于45cm×45cm。
拱顶部位应预留2～4个注浆孔。
模板安装必须稳固牢靠，接缝严密，不得漏浆。
模板台车的走行轨Ⅰ、Ⅱ级围岩段，宜设在底板垫层（10cm厚的C25钢筋混凝土）面上，Ⅲ～Ⅳ级围岩段，宜铺设在填充混凝土面上。
模板表面要光滑，与混凝土的接触面必须清理干净并涂刷隔离剂。
模板的安装允许偏差和检验方法见表1。
图1 衬砌施工工艺流程图表1 模板安装允许偏差和检验方法序号 项 目允许偏差（mm ）检验方法 1 边墙角 ±15 尺量 2 起拱线 ±10 尺量 3 拱顶 +10、0 水准测量 4 模板表面平整度 5 2m 靠尺和塞尺5相邻浇筑段表面高低差±10尺量2 衬砌钢筋钢筋加工弯制前应调直，并将表面油渍、水泥浆和浮皮铁锈等均监控量测确定施作二衬时间 施工准备台车移位台车定位施作止水带隐蔽检查灌筑混凝土台车脱模退出养 护1.敷设防水板及盲沟2.中线水平放样3.铺设衬砌台车轨道1.水平定位立模2.拱部中心线定位3.边墙模板净空定位 1.清理基底2.装设钢制挡头模板3.装设止水条 1.自检2.监理工程师隐检洞外混凝土拌合混凝土运输混凝土泵送捣 固涂刷脱模剂应清除干净；加工后的钢筋表面不应有削弱钢筋截面的伤痕；利用冷拉方法矫直伸长率：Ⅰ级钢筋不得超过2％，Ⅱ级钢筋不得超过1％。
公路隧道偏压效应与衬砌裂缝的研究摘要：随着城市化进程的加速，高速公路建设成为了一个不可忽视的问题。
然而，在高速路上行驶时，由于路面变形和车辆荷载作用等因素的影响，经常会出现道路结构失稳的情况。
其中，公路隧道是交通工程中比较常见的一种结构形式，其存在一定的缺陷问题需要引起重视。
为了解决公路隧道内侧壁的裂缝问题，本文将从隧道内侧壁的偏压效应入手进行研究。
关键词：公路隧道；偏压效应；衬砌裂缝；措施前言：目前，公路隧道存在的主要问题是隧道内侧壁的裂缝问题。
这些裂缝通常是由于隧道内部压力不均匀引起的，导致隧道内外墙之间的应力差异增大而产生的。
这种影响因素主要包括隧道内部的压力分布不均、隧道外侧土体受力不平衡以及隧道施工过程中出现的各种误差等问题。
因此，研究公路隧道内侧壁的裂缝问题对于提高隧道的安全性具有重要的意义。
一、公路隧道偏压效应概述隧道偏压是指在隧道内由于地层变形引起的压力差异，导致围岩和结构材料受力不均匀的现象。
其产生的主要原因是地质构造的影响以及隧道施工过程中的荷载作用。
其中，地质构造的影响是隧道工程中不可忽视的因素之一，它直接影响到隧道内部的应力分布情况。
而隧道施工过程中的荷载作用则是指隧道内外侧不同区域受到的荷载大小是不同的，从而使得隧道内部的应力分布也不尽相同。
隧道偏压对隧道安全稳定具有重要意义，如果不能有效地控制隧道偏压，将会给隧道的安全性带来很大的隐患[1]。
因此，对于隧道偏压的研究是非常必要的。
目前，国内外学者已经开展了大量的研究工作，提出了许多有效的控制措施来减少隧道偏压的影响。
例如，采用合适的支护方式可以有效减小隧道内岩石的位移量；合理设计隧道的断面形状可以降低隧道内岩石的应变值；使用高强度混凝土进行隧道的加固也可以提高隧道的抗弯能力等等。
这些措施都是为了达到一个目标：尽可能地减少隧道偏压的影响，保证隧道的安全稳定性。
二、公路隧道衬砌裂缝分析在公路隧道工程中，衬砌裂缝是影响隧道安全的重要因素之一。
隧道有多个加宽值变断面A字形台车衬砌施工工法隧道有多个加宽值变断面A字形台车衬砌施工工法一、前言隧道加宽是随着交通运输需求的增加，为了满足载荷和通行能力的要求，对现有隧道进行改造和扩建的措施。
隧道加宽工程中，加宽值变化的断面会对施工带来很大挑战。
本文将介绍一种针对隧道加宽工程中多个加宽值变断面的A字形台车衬砌施工工法，通过对该工法的特点、适应范围、工艺原理、施工工艺、劳动组织、机具设备、质量控制、安全措施和经济技术分析的详细介绍，为读者提供参考和指导。
二、工法特点A字形台车衬砌施工工法是一种针对隧道加宽工程中多个加宽值变断面的工法，具有以下几个特点：1.适应性强：该工法适用于多个加宽值变断面的隧道加宽工程，可灵活应对各种断面的变化。
2. 施工效率高：使用A字形台车衬砌施工工法，可以快速完成隧道加宽工程，提高施工效率。
3. 结构稳定：通过该工法进行衬砌施工，可以提高隧道的结构稳定性和承载能力，达到设计要求。
三、适应范围A字形台车衬砌施工工法适用于各类隧道加宽工程中的多个加宽值变断面，包括公路隧道、铁路隧道等不同类型的隧道工程。
四、工艺原理1. 施工工法与实际工程之间的联系：A字形台车衬砌施工工法是根据隧道加宽工程的实际情况和设计要求，通过合理布置和使用特殊的施工机具，按照一定的工艺流程进行施工。
2. 采取的技术措施：在A字形台车衬砌施工工法中，通过分段施工和工艺配合的方式，充分利用台车衬砌机具的灵活性和自动化功能，对不同加宽值变断面进行施工，以确保施工质量和效率。
五、施工工艺A字形台车衬砌施工工法主要包括以下施工阶段：1. 前期准备：包括对隧道加宽工程的勘察和分析、施工图纸的制定和审核、施工方案的编制和审批等。
2. 基础开挖：根据设计要求进行隧道加宽基础的开挖和处理，确保施工的稳定性和安全性。
3. 施工导线：根据设计要求，进行A字形台车衬砌施工线路的设置和导线工作，以确保衬砌的准确度和精度。
4. 台车衬砌：通过台车衬砌机具进行衬砌施工，按照设计要求进行衬砌材料的搬运和摆放，以确保施工的质量和效率。
隧洞衬砌隧洞衬砌是在隧道工程中，为了加固洞身、防止地层塌方和涌水，保持隧道的稳定性和安全性而进行的一项重要工作。
隧洞衬砌的设计和施工涉及到材料的选择、结构的设计等多个方面，并且对建筑工程的质量和效率都有很大的影响。
本文将针对隧洞衬砌的概念、种类、材料以及施工方法等方面进行详细介绍。
一、隧洞衬砌的概念隧洞衬砌是为了改善岩石及其他地层的力学性质和保证隧道工程的安全而进行的工作。
在隧道开挖的过程中，地层会因受到人为工程开挖的破坏而不稳定，进而导致岩爆、滑坡、塌方等事故。
因此，为了确保隧道在使用过程中的安全和可靠性，就需要对洞身进行衬砌加固。
二、隧洞衬砌的种类1. 钢拱衬砌：使用钢材制作的拱形结构，可以提供较好的承载能力和稳定性，适用于较大跨度和高变形的隧道。
2. 混凝土衬砌：使用混凝土作为衬砌材料，具有强度高、稳定性好等特点，在一般情况下使用较为广泛。
3. 人字拱衬砌：主要用于较小直径的隧道，通过将拱形改为倒人字形，可以提高衬砌的稳定性和承载能力。
4. 喷射混凝土衬砌：将混凝土通过高压泵喷射到隧道壁上形成衬砌，适用于快速衬砌和较小规模的隧道。
三、隧洞衬砌的材料1. 钢材：使用高强度钢材可以提供更好的承载能力和稳定性。
2. 混凝土：使用强度高、耐久性好的混凝土可以确保衬砌结构的稳定和持久。
3. 聚合物材料：可以通过在衬砌中添加聚合物材料来提高其抗渗透性和防腐蚀性，增强衬砌的使用寿命。
4. 岩石锚杆：通过在衬砌结构中嵌入岩石锚杆，可以提高衬砌的抗拆裂能力和稳定性。
四、隧洞衬砌的施工方法1. 钢拱衬砌的施工：首先根据设计要求进行钢拱的制作，然后进行定位和安装，最后与其他部位进行连接和固定。
2. 混凝土衬砌的施工：首先在洞身的表面进行清理和处理，然后根据设计要求进行模板制作和安装，接着进行混凝土浇筑，最后进行养护和检验。
3. 人字拱衬砌的施工：与混凝土衬砌类似，但需要按照倒人字拱的形式进行模板制作和混凝土浇筑。
既有隧道扩挖及改建技术的探析林少武（福州市城乡建设发展有限公司，福建福州350000）摘要：我国社会公共设施越来越完善，交通网络越来越发达，对一些老旧隧道进行了改建，提高了工程质量和道路安全。
基于此，以福州市马尾隧道为例，研究了既有隧道的扩挖和改建，通过对工程施工的研究，强调隧道扩挖和改建要重视安全防护工作，避免隧道附近结构物出现安全事故。
通过扩挖和改建技术的研究，以期提高施工技术水平，提高工程质量。
关键词：既有隧道；扩挖施工；改建工程出于完善公路系统的需要，常需要对既有隧道进行扩挖和改进，优化路面质量，增加隧道的安全建设等。
既有隧道中常伴随衬砌弱化、墙面空洞等问题，尤其需要注意施工的安全性。
既有隧道的扩挖和改建需要建立在安全施工的原则之上，根据科学的施工方案，进行工程的建设。
1项目概况既有马尾隧道为例展开研究，该工程贯穿于马限山，是一种整体式的衬砌结构，设置了两座机动车的隧道。
两车道，呈分离式布置。
南洞长968.4m北洞长936.4m。
根据检测中心提供的结构安全报告表示，隧道存在拱顶的实际衬砌厚度明显不足，拱背存在不密实和脱空的状态，在隧道中存在水渗漏的问题[1]。
该工程处于福州市的马尾区，该城市道路网络十分发达，交通较为便利，隧道扩建是为了建设便道。
需要主动和政府部门进行协调，将施工便道连入路网，在道路口位置设置车胎清洗设备，安排专门人员进行道路清扫，尽量减少路面受到的污染。
该工程隧道场地地形起伏较大，马尾隧道所在的场地位置标高可以达到160m。
地貌单元属于剥蚀残丘的地貌。
在原有隧道工程进行改造，进出口进行支护。
隧道山体的植被发育较好，自然斜坡相对稳定，未出现泥石流和滑坡的情况。
该工程土层主要包括杂填土、残积粘性土、风化凝灰熔岩等。
2施工准备工作根据设计要求和规范，在施工之前进行放样处理，保证施工达到设计要求精准度，根据现场勘查情况进行设计。
接着要对施工技术进行交底，保证施工人员的技术熟练程度。
下穿高速公路隧道施工工法及稳定性影响分析【摘要】本文以马来西亚东海岸铁路项目其中一条穿过现有E8高速公路的文东2#隧道为载体，在现E8高速公路下面修建的铁路隧道总长1430.19m，对下穿E8高速隧道采用双侧壁导坑法施工工法进行稳定性影响进行评估分析，从而确定该施工工法的可行性的验证。
【关键词】下穿高速；开挖工法；措施方法；稳定性；分析一、引言马来西亚东海岸铁路项目文东2#隧道工程的建设是将在现有的E8高速公路进行下穿施工的一条隧道，下穿E8高速公路最小垂直间距为11m，根据现场情况调查，建造隧道的位置该处没有可见的裂缝，由于开挖后周围的应力变化，极易造成在软土地层内进行开挖时的土表沉降，最后导致地面朝着挖掘面移动，造成地面位移、挖掘面的位移和地面支撑系统的位移，导致原有公路沉降，同时E8高速车流量大，所以下穿E8高速公路施工安全风险高。
二、工程概况文东2#隧道总长为1430.19m,隧道最大埋深为141m，最小埋深为11m，围岩Q值等级主要为1<Q≤10、0.1<Q≤1、Q≤0.1三个等级，下穿E8高速公路100m为Q≤0.1加强段，设计采用双侧壁导坑法施工，超前支护采用φ89中管棚+φ42注浆小导管。
三、水文地质条件(一)地质条件在隧道区，地层主要由第四纪全新世中砂组成，粉质粘土，细沙砾土，上更新世粉质粘土，以及底层地层是泥盆纪砂岩，主要地质如下：粉质粘土：黄棕色，硬塑，不均匀土壤质地，富含砾石。
中粗砂：棕黄色，中等密度。
细沙砾土：灰棕色，密实，饱和。
砂岩：灰棕色，完全中等风化，砂质结构，分层结构，节理裂隙发育较发达——非常发达，岩体极其破碎——较完整。
(二)水文条件地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。
隧道围岩成型的裂缝，将会影响或可能增加雨季时的水面渗水量。
正常情况下，隧道主干正常入水量4721.26立方米/日，最大进水量16031.35立方米/天。
四、下穿高速段施工交通组织计划文东2#隧道下穿E8高速公路施工期间不封闭交通，实行高速公路临时交通管制，设置警示标志、标牌等，以高速公路左右幅通行转换，采用交错封闭半幅车道等，根据隧道洞身掘进进尺长度分区间进行施工组织，以确保隧道洞身施工期间E8高速公路的通车安全(如下图4-1)。
隧道工程课题研究论文（五篇）内容提要：1、隧道岩溶突水涌泥原因及处理策略2、谈公路隧道防排水关键施工技术3、谈明挖隧道深基坑支护施工技术措施4、谈隧道工程软弱围岩检测技术5、谈分离式偏压隧道施工过程仿真全文总字数：20325 字篇一：隧道岩溶突水涌泥原因及处理策略隧道岩溶突水涌泥原因及处理策略【摘要】隧道工程在受到复杂地质条件影响下，极容易导致隧道岩溶突水涌泥等问题的发生。
现阶段，要加强对隧道岩溶突水涌泥原因与形成机理的分析，并采取针对性处理措施，提高隧道工程的整体施工质量。
本文首先对突水涌泥的危害、成因做出分析，并结合工程案例对该问题的处理策略进行研究。
【关键词】岩溶隧道；突水涌泥；原因；处理策略引言在进行铁路、公路等工程的建设期间，经常会遇到岩溶突水涌泥问题。
对于突水问题而言，主要是指水流量超过了0.1m3/s，涌泥指的是地下水中泥沙的含量大于50%。
一旦工程建设过程中发生突水涌泥问题，不仅会对周围环境产生严重的污染，同时还会威胁到施工人员的生命安全。
因而，岩溶隧道建设前期要加强地质水文勘察，并积极做好风险评估，加强对突水涌泥等病害的防治效果。
1突水涌泥的影响因素与危害性分析1.1突水涌泥问题的影响因素一般来说，导致岩溶隧道施工期间发生突水涌泥问题的因素主要有两方面：自然因素、技术因素。
对于自然因素而言，隧道所处的地质环境、埋深、长度以及地震、暴雨等因素，都可能导致突水涌泥问题的发生。
另外，技术因素主要是指勘察、设计、施工技术的不合理应用，可能会对岩溶隧道的突水涌泥问题产生一定的影响。
1.2突水涌泥的危害性分析岩溶突水涌泥问题的发生，将对隧道的正常施工与后期运营产生极为不利的影响。
首先，岩溶隧道施工时，出现突发性突水涌泥现象的概率较高，由于突水量大，水中含有大量的泥沙，因而会对施工人员的生命与财产安全造成威胁，同时还存在着设备冲毁的危险。
其次，由于突水涌泥过程中会带走大量的泥沙，使得土体内部的空洞区域越来越大。
第26卷第1期交 通 科 学 与 工 程V ol.26No.12010年3月JOURNAL OF TRANSPORT SC IENCE AND ENGINEERING M ar.2010收稿日期:2010-03-02基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(09JJ1008)作者简介:杨小礼(1970-),中南大学教授,博士生导师.文章编号:1674-599X(2010)01-0049-04既有隧道扩建工程及衬砌稳定性研究杨小礼1,王作伟1,陈 杰2(1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075;2.福建省林业勘察设计院交通分院,福建福州 355000)摘 要:以当风凹隧道为工程研究背景,采用二维弹塑性有限差分分析方法,研究既有隧道扩建过程中的力学特征及其支护强度;分析并得出既有隧道扩挖与假设新建一座隧道在力学上的主要差异:采用同种施工方法时,因为已有衬砌的作用,在旧洞基础上扩挖将避免对围岩的大面积扰动,且能充分发挥围岩承载力;结合公路隧道设计规范给定的极限状态方程,计算出隧道衬砌的强度安全系数;从位移、应力和安全系数等方面分析并证明了隧道的稳定性,研究成果为类似的隧道设计施工提供参考.关键词:隧道扩建;有限差分法;数值模拟;强度安全系数中图分类号:T U 457+.6 文献标识码:AExtension engineering of tunnel andstability analysis of lining structuresYANG Xiao -li 1,WANG Zuo -w ei 1,CH EN Jie 2(1.School of Civ il and A rchitectur al Engineer ing,Centr al South U niver sity,Changsha 410075,China;2.T he Surv ey and Desig n Institute fo r F orestr y o f Fujian P rov ince,Fuzho u 355000,China)Abstract:By using the 2D finite difference m ethod of elastic -plasticity,the simulatio n o fextension of Dang Feng Ao tunnel w as carried o ut.T hr ough com paring the method o f excav ating a new tunnel,which has the same contour of w idened Dang Feng Ao,some difference has been found as follow ings:with the same construction m ethod,w ide -area disturbances o f rock can be avoided,and the bearing capacity can be fully used in the case of extension.With the limit state equatio n g iven by the code for desig n o f ro ad tun -nel,safety co efficients o f the lining structure w ere calculated.Then the analysis o f structure secur ity w as described from three aspects as displacem ent,strain and safety co efficients,w ith o ffer sas a guidance and a reference for the design and construction o f sim ilar road tunnel.Key words:extension eng ineer ing;finite differ ence m ethod;numerical simulatio n;safe -ty coefficient隧道工程界向来比较注重新建工程,但相对于既有隧道因维修或者交通量需求增加,须予以扩挖的情况,其考虑的情况将有所不同.国外已经存在着一些旧有隧道扩建的案例:日本市振隧道是一个将安全隧道扩挖成2线主隧道的施工实例,扩挖时,为将安全隧道当作既有之底导坑,以新奥法采用全断面爆破法开挖;意大利的Nazzano 公路隧道由原先的2车道扩挖成3车道并且在每个方向设置了紧急救援通道;日本天王山隧道,由于地质条件不佳,造成断面净空收缩,于是将既有隧道进行扩挖;日本大藏隧道,因交通量日益增加,将其长度为170m 的2车道隧道扩挖成3车道隧道.以当风凹隧道扩建工程为背景,作者拟利用有限差分软件对既有隧道的扩建及其支护进行数值模拟,并与假设新开挖新建一座隧道进行比较,得到这两种情况在力学上的一些差异.隧道是围岩与支护结构的综合体[1].通常情况下,隧道工程围岩的支护参数是根据工程类比法初步确定的,但必须用其他方法进一步验证.结合现行公路隧道设计规范,作者拟采用数值模拟方法,从位移、应力[2]及衬砌强度安全系数[3]等方面分析隧道的稳定性.1 工程概况当风凹隧道为福建省309省道永定岐岭至城关段上的一个改扩建工程,位于永定县岐岭镇当风凹.既有隧道建成于1995年,全长180m,隧道内轮廓净宽为8m,内轮廓净高为5m.因隧道雨季存在着漏水现象,严重影响了行车安全,故通过改扩建来改善行车环境及增加交通量.新隧道建筑限界按二级公路V =40km/h 标准拟定.限界横断面宽度为10m,净高为5.0m.新旧隧道位置关系如图1所示.隧道围岩以Ó、Ô级为主,既有隧道衬砌厚为60cm,边墙为浆砌片石,拱部为混凝土,而新建隧道采用复合式衬砌,具体支护参数见表1.图1 新旧隧道位置关系(单位:m)Fig.1 P osition relation between the o riginaltunnel and the new tunnel(unit:m)表1 衬砌结构参数Table 1 Parameter s of lining structure围岩级别初期支护喷层厚度/cm <22砂浆锚杆长度/m 纵、环向间距/m <6钢筋网二次模筑混凝土衬砌厚度/cm Ó15 2.5 1.2,1.0拱35Ô203.01.0,1.0拱、墙402 数值模拟2.1 计算方法基本原理采用二维连续介质快速拉格朗日差分法(FLAC2D).二维的FLAC 程序将计算区域内的介质划分为若干个二维单元,单元之间以节点相互连接.对某一个节点施加荷载之后,该节点的运动方程可以写成时间对步长的有限差分形式.在某一个微小的时段内,作用于该节点的荷载只对周围的若干节点(例如:相邻的节点)有影响.根据单元节点的速度变化和时段,该程序可以求出单元之间的相对位移,进而可以求出单元应变;根据单元材料的本构方程应可以求出单元应力.随着时段的增长,这一过程将扩展到整个计算范围,直到边界.FLA C 程序会将计算单元之间的不平衡力,然后,将该不平衡力重新加到各节点上,再进行下一步的迭代运算,直到不平衡力足够小或者各节点位移趋于平衡为止[4].2.2 材料本构关系计算中围岩采用理想弹塑性模型本构关系,屈服破坏准则选用M ohr -Coulom b 屈服准则.莫尔-库仑破坏准则反应岩土材料的剪切破坏特性,与实际破坏情况较为符合.其剪切破坏屈服函数和拉伸破坏屈服函数分别为[5]:f s =R 1-R 3N <+2CN <.(1)f t =R t -R 3.(2)其中,N <=1+sin <1-sin <.(3)式中:C 为岩土的粘聚力;<为内摩擦角;R 1为最大主应力;R3为最小主应力;R t为拉应力;N <为系数.2.3 模型的建立根据地质和设计资料建立模型.模型断面取自进口段埋深30m 处,围岩级别为Ô级.新建隧50 交 通 科 学 与 工 程 第26卷道开挖跨度为11.8m,开挖高度为9.6m.模型水平方向左、右距隧道中心均为30m,竖直方向取80m.计算过程中,采用BEAM 单元模拟衬砌,采用ROCKBOLT 单元模拟锚杆.左、右边界水平方向约束,底端竖向约束,上端自由.根据隧道围岩特征,采用弹塑性本构模型、M ohr -Coulo mb 屈服准则以及大应变变形模式进行数值模拟,由围岩自重形成初始地应力场.根据规范[6],围岩应力开挖及初期支护阶段共释放70%,二次衬砌阶段释放30%.其模型网格如图2所示.图2 数值模型网格Fig.2 M esh of numer ical simulat ion2.4 开挖模拟及分析比较为了解既有隧道予以扩挖与一般新建隧道间的差异,数值模拟分两种情况分别进行:¹依初始应力、既有隧道开挖和既有隧道扩挖3步分析;º初始应力和新建隧道两步分析.对于情况¹和º新隧道的开挖均采用相同的支护参数及围岩参数.计算结果如表2所示.由表2可知,情况º隧道拱顶出现塑性区且延伸到了地表,且仰拱处塑性区比情况¹有明显增加,这是由于情况¹是在既有隧道已经存在的基础上进行开挖的,虽然同是采用全断面开挖,但是既有隧道的支护结构体系起到了一定作用.从轴力与弯矩的比较也可以看出,情况¹的围岩作用发挥得更加充分.3 稳定性分析3.1 应力评价由数值模拟计算结果可以知道,隧道边界围岩的最大主应力与最小主应力分别为:R 1max =-2.50M Pa ;R3min =-0.80M Pa .另外,本研究中数值模拟所取围岩的粘聚力和摩擦角分别为:c 0=0.45MPa ,U =33b .以此作出边界围岩的摩尔应力圆(如图3所示).显然,该应力圆处于线性破坏准则屈服条件以下.而且,由表2可以看出,情况¹在隧道边界处只出现了很小部分的塑性区域.可以判定,围岩是稳定的.图3 摩尔应力圆Fig.3 M ohr p s stress circle3.2 位移评价隧道扩挖模拟过程中,记录了拱顶、仰拱底及两侧拱腰的标志点位移变化情况,各点位最终的位移值分别为:拱顶竖向位移为-2.783@10-3m;仰拱底竖向位移为2.814@10-3m ;左拱腰水平位移为4.225@10-4m;右拱腰水平位移为-4.229@10-4m.由此可知,洞周的绝对收敛变形量为:L 水平=0.4225-(-0.4229)=0.8454mm ;L 垂直=2.814-(-2.783)=5.597mm.洞周的相对收敛变形量为:G 水平=0.8454/11800=0.008%;G 垂直=5.597/9600=0.058%.51 第1期杨小礼,等:既有隧道扩建工程及衬砌稳定性研究根据文献[6]的规定,对于埋深小于50m的Ô级围岩隧道,其洞周水平相对收敛值为0.15%~ 0.50%.显然,水平方向及垂直方向的相对收敛变形量均在规范允许范围内,因此,该围岩是稳定的. 3.3强度安全系数评价文献[3]规定,混凝土偏心受压构件按破损阶段法进行强度验算.具体计算方法为:由材料的极限强度,计算出偏心受压构件的极限承载力N极限,与实际内力相比较,得出截面的抗压(或抗拉)强度安全系数,检查其是否满足规范要求[7],即:K=N极限/N\K规.(4)当由抗压强度控制,即e=M/N[0.2h时,N极限=<A R a bh.(5)式中:<为构件纵向系数,隧道衬砌取1;R a为混凝土极限抗压强度;A为轴力的偏心影响系数,按经验公式A=1-1.5e/h确定;b为截面宽度,取1m; h为截面厚度.当由抗拉强度控制,即e=M/N\0.2h时,N极限=<1.75R1bh6e/h-1.(6)式中:R1为混凝土极限抗拉强度.根据式(4)~(6),对隧道拱脚、拱腰、拱顶单元的安全系数和全部单元安全系数的平均值及检验通过率进行了计算,其结果见表3.本研究中主要考虑部位的偏心距均小于0.2h,其安全系数当由抗压强度控制.拱脚和拱腰因应力集中是低安全系数的危险区,而本研究中的数值模拟分析并未考虑拱脚处加厚处理的情况,因此在拱脚附近出现了部分安全系数小于规范要求的2.4的情况,另有少量节点偏心距大于0.2h,应按抗拉强度计算.由于篇幅有限,作者只列出隧道关键部分的相关数据(见表3).表3安全系数统计Table3Statistics of safety co eff icient s节点号安全系数偏心距e 拱脚269号节点 2.890.039拱腰280号节点 3.140.011拱顶316号节点 3.360.001拱底381号节点 3.780.012全部节点平均值 3.17/通过比例/%92/经统计,面积为92%的衬砌强度达到标准,即大于规范值.总的来说,二衬厚度为40cm时,其稳定性能满足要求.4结论1)在相同的施工方法下,扩挖隧道与一般新建隧道的主要差异在于扩挖隧道可以利用既有隧道衬砌,从而减少了对围岩大面积的扰动,使得围岩塑性区明显减少.2)从衬砌的轴力图、弯矩图可以看出,在既有洞基础上进行扩挖所产生的衬砌内力比新建一座隧道要小,围岩的承载力得到了更充分的发挥.3)有限差分法对于隧道扩建工程的开挖支护模拟能比较真实地反映隧道结构的内力和变形情况,且对于二次衬砌结构安全稳定性分析亦是有效的,为类似的隧道设计提供了一定的参考.参考文献(References):[1]朱永全.隧道稳定性位移判别准则[J].中国铁道科学,2001,22(6):80-83.(ZH U Yo ng-quan.T he cr-iterio n of predicting tunnel stability by displacement[J].China R ailw ay Science,2001,22(6):80-83.(inChinese))[2]闫春岭,丁德馨,崔振东,等.FL A C在铁山坪隧道围岩稳定行分析中的应用[J].地下空间与工程学报,2006,2(3):499-503.(Y AN Chun-ling,DI NG De-xin,CU I Zhen-dong,et al.A pplicatio n of FL A C inthe analysis of t ieshanping tunnel p s stability[J].Ch-inese Journal of U nder gr ound Space and Eng ineer ing,2006,2(3):499-503.(in Chinese))[3]王勇.隧道施工数值模拟及衬砌强度安全系数分析[J].岩土工程技术,2004,18(5):258-262.(W A NGYo ng.N umer ical simulation o n tunnel co nstr uct ionand secur ity analysis of the lining structure str eng th[J].G eotechnical Eng ineering T echnique,2004,18(5):258-262.(in Chinese))[4]杨新安,黄宏伟,丁全录.F L AC程序及其在隧道工程中的应用[J].上海铁道大学学报:自然科学版,1996,17(4):39-44.(Y A NG X in-an,H U A NGH ong-w ei,DIN G Q uan-lu.FL A C pr og ram and itsapplicatio ns in tunnel eng inneer ing[J].Journal o fShang hai T iedao U niver sity:Natur al Science Ed-ition,1996,17(4):39-44.(in Chinese))(下转至第58页)参考文献(References):[1]胡隆华.隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究[D].合肥:中国科学技术大学,2006.(H U L ong-hua.Studies on ther mal phy sics of smoke mo vement in t unnel fires[D].H efei:U niv ersity of Science&T echnolog y o f China,2006.(in Chinese))[2]刘方.中庭火灾烟气流动与烟气控制研究[D].重庆:重庆大学,2002.(L IU Fang.Studies on smo ke mo ve-ment and smoke manag ement in atrium fire[D].Chongqing:Cho ng qing U niversit y,2002.(in Ch-inese))[3]姚坚.公路隧道内火灾温度场分布规律数值模拟分析[D].上海:同济大学,2007.(Y A O Jian.O n nu-mer ical simulation o f t emperat ur e distr ibution in r oad t unnel fires[D].Shanghai:T ongji U niversity,2007.(in Chinese))[4]王泽宇,冯炼,张发勇.竖井烟囱效应作用下的隧道火灾通风数值模拟[J].地下空间与工程学报,2006,2(3):485-503.(W A NG Ze-yu,FEN G L ian,Z HA N G Fa-y ong.T unnel fir e numer ical simulatio n w it h the for ce o f shaft.s/Chimney Effect0[J].Ch-inese Jo ur nal of U nderg ro und Space and Engineer ing,2006,2(3):485-503.(in Chinese))[5]H aukur Ingason,U lf W ickst rÊm.T he inter nat ionalF OR U M of fir e r esear ch directo rs:A position pa pero n future actions fo r impro ving r oad tunnel fir e safe-ty[J].Fire Safety Journal,2006,41:111-114. 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