隧道原位扩建围岩力学响应机理

隧道原位扩建围岩力学响应机理

冉浩

重庆交通大学 土木工程学院  重庆  400074

摘要：伴随着经济的发展，交通隧道的兴建也呈现迅猛增长，对公路隧道的通行能力也日益提高。在一些经济发达地区，双向四车道或者甚至双向六车道的公路隧道已无法满足不断增长的交通流量需求。因此，迫切需要在现有隧道的基础上进行改建或新建，以适应双向八车道公路隧道的建设需求。隧道的扩建指的是在现有隧道基础上进行改造或增设，以提高其通行能力或满足更高的交通需求。隧道原位扩建的最显著特点是施工过程中需要拆除现有隧道的支护结构，这导致了施工工序的复杂性显著增加。此外，原隧道支护结构的拆除会对隧道周围岩石造成较大的扰动，而围岩所经历的应力路径也变得更加错综复杂。本研究旨在通过理论分析，探索原位扩建隧道的围岩变形特征和力学机理。

关 键 词：隧道原位扩建；交通隧道；施工工序；理论计算；

0  引言

隧道工程作为交通基础设施的重要组成部分，在现代社会中发挥着关键的作用。随着城市化进程的不断推进，人们对交通运输的需求不断增加，为满足这一需求，隧道的建设和扩建工作变得越来越频繁[1]。近年来，国内各地正在积极推进既有公路的改扩建工程，包括沈大高速公路、连霍高速公路、济青高速公路等。然而，现有双向4车道的公路隧道已经严重限制了公路的发展[2]。考虑到现有道路线型、地形地质条件以及造价和工期等因素，改扩建既有隧道已成为国内外工程界越来越受青睐的选择。在这一背景下，一些重大引领性公路隧道工程如大帽山隧道、楼山隧道、后祠隧道等应运而生。隧道的改扩建工程对于提升公路通行能力、改善行车安全、适应交通需求的增长具有重要意义。然而，隧道改扩建工程所面临的挑战包括复杂的地质条件、工程技术难题和风险因素。在此背景下，深入研究隧道原位扩建围岩力学响应机理成为一项紧迫的任务。理解围岩在原位扩建过程中的力学行为和变形特征，揭示围岩破裂与破坏机制，围岩变形与隧道稳定性之间存在密切的关系，对指导隧道改扩建工程的设计和施工具有重要意义。因此，本论文旨在系统研究隧道原位扩建围岩力学响应机理，通过理论分析的方法，深入了解围岩力学响应的规律和特点。

1 原位扩建方法

原位扩建方法包括爆破法、机械法和液压法等多种技术手段。其中，爆破法是一种常用的原位扩建方法，通过爆破作用来破坏围岩，使隧道断面得到扩大。爆破法具有施工速度快、适应性强等优势，适用于围岩坚硬、破碎性好的情况。机械法则是通过使用特殊的机械设备，如切割机、钻孔机等，对围岩进行切割、钻孔等处理，从而实现隧道的扩建。液压法则是利用液压力将围岩挤压或挖掘，达到扩建的目的。这些原位扩建方法各具特点，工程师需根据具体情况综合考虑，选择最合适的方法。根据吴晨的研究，他对于既有双洞原位2扩3隧道施工工法的适宜性进行了分析。对于长隧道，他建议采用上台阶弧形分步开挖法，而对于短隧道则可采用CD法。这种选择方法可以有效降低工程风险。另外，张正雨等对新宋家沟一号隧道的Ⅴ级围岩进行了三台阶法施工导致的围岩和初期支护的变形进行了计算，他还详细解释了施工技术的应用细节。通过对变形进行计算和分析，他们提供了具体的施工参考，为改善隧道施工质量和效果提供了指导。综上所述，针对原位扩建隧道中的工法选择问题，学者们展开了具体针对性的研究。他们考虑了不同因素的影响，提出了适用于特定情况的工法选择建议，从而为隧道改扩建工程提供了更加科学和可行的解决方案。

2 围岩压力计算

2.1浅埋隧道围岩压力计算

对于浅埋隧道的位置选择，一般是在山岭隧道洞口附近，埋置深度较浅。浅埋和深埋隧道之间的分界可以通过荷载等效高度值，并结合地质条件和施工方法等因素进行综合判断。以下是一种判定式用于确定接荷载等效高度：

式中:H——深浅埋隧道分界深度m；

荷载等效高度m，按下式计算：

式中:q——深埋隧道竖向均布压力，kN/m2；

——围岩重度，kN/m3。

在矿山法施工的条件下，IV~VI级围岩取

I~III级围岩近似取

浅埋隧道围岩压力按下式计算：

埋深（H）小于或等于等效荷软高度时，荷载视作均布竖向压力，即

式中:q——均布竖向压力，kNV2；

——深度覆围岩重度，kNV/m3；

H——隧道埋深，指隧道顶至地面的距离，m。

侧向压力e按均布考虑时，其值为

式中：——侧向均布压力，kN/m2；

——围岩重度，KN/m3；

H——隧道埋深，m；

——隧道高度，m；

——围岩计算摩擦角。

2.2 深埋隧道围岩压力计算

如下公式计算[4]：

式中:S——围岩级别，S=46；

——周岩重度，kN/；

——宽度影响系数，= 1+ i(B-5) ；

B——隧道宽度，m；

i——以B= 5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率；当B<5m，取i=0.2；当B>5m，取i=0.1.

上述公式的适用条件为:

(1)H/B<1. 7，式中H为隧道高度；

(2)深理隧道；

(3)不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；

(4)采用以钻爆法施工为主的隧道。

3 隧道围岩响应机理

在隧道原位扩建过程中，围岩的变形特征和应力分布是十分重要的研究内容。在隧道原位扩建过程中，围岩的变形特征通常表现为两个方面的变形，即弹性变形和塑性变形。弹性变形是围岩在施工荷载作用下发生的可恢复性变形，其大小与岩石的弹性模量有关。塑性变形是指超过岩石弹性极限后出现的不可恢复性变形，包括岩石的塑性流动和破裂。围岩的变形特征受到多种因素的影响，如岩性、地应力、开挖方式和支护措施等。隧道原位扩建过程中，应力分布也是一个重要的研究内容。施工过程中，围岩的应力状态会发生变化，从而影响围岩的稳定性和支护结构的设计。应力分布受到施工荷载、地应力和开挖方式等因素的影响。

4 结论

通过对围岩的变形特征与应力分布、围岩破裂与破坏机制、岩体变形与应变响应以及围岩变形与隧道稳定性关系的分析，可以得出以下结论：首先，隧道原位扩建引起的围岩变形主要包括弹性变形和塑性变形。其次，隧道原位扩建对围岩的应力分布产生显著影响。第三，围岩的破裂与破坏机制与应力状态和岩石特性密切相关。对围岩破裂和破坏机制的深入研究有助于评估围岩的稳定性和设计合理的支护措施。围岩的变形还会引起隧道的收敛和挠度变化，增加了支护结构的荷载和变形。因此，深入分析围岩变形与隧道稳定性之间的关系，对于设计合理的支护结构和确保隧道的安全稳定性至关重要。

参考文献

[1]洪开荣,冯欢欢.近2年我国隧道及地下工程发展与思考(2019—2020年)[J].隧道建设(中英文),2021,41(08):1259-1280

[2] 彭念.原位扩建隧道围岩力学响应机理研究[D].导师：张永兴.重庆大学,2010.