何丹凤1 王伟军2 王军波3
(弘业建设集团有限公司)
摘要：本文以市政道路某隧道扩建工程为依托，并结合隧道现状，拟定多个方案进行数值模拟比选，研究成果可为类似的隧道施工提供参考。
关键词：方案比选；隧道施工；改造
20 世纪七、八十年代城市的公路隧道大多设计为双车道，而随着社会不断进步以及人们生活水平的不断提高，车辆拥有量也达到新的规模，使得原有的双车道道路通行能力不能满足现阶段的使用要求，在一定程度上阻碍了城市发展的进程。目前关于地下空问扩建的研究较少，合理的扩建形式及工序关系着工程安全、投资规模等，因而对隧道改扩建的形式及施工工序进行研究很有必要。
一、工程概况
某隧道位于城市主干道二环路东北段，其平面呈分离双洞布置，按单洞2 车道进行设计，双洞中心问距约38m，隧道长约377m。2009 年在隧道北侧约30m 修建一座双向混行的行人和非机动车道，其路面净宽约6.5m，隧道长约205m，洞外分别设置过街天桥和高架桥下穿横通道。通过对该隧道进行全面检测，结果表明左右主洞已出现了结构开裂、衬砌背后回填不密实或有空洞、渗漏水等病害。洞外道路已经过拓宽和立交改造，其宽度为双向8 车道，主路为双向4 车道高架桥跨越沿路路口，已形成快速交通通道；高架桥两侧分别设置约9m 宽(包括2 个快速交通通道和1 个非机动车道)的辅路，辅路外侧为人行道。因此，隧道与洞外道路的通行能力不匹配。
三、安全性计算分析
根据隧道裂缝检查、隧道二次衬砌强度检查和隧道二次衬砌厚度及背后空洞检测结果，南洞隧道衬砌裂缝和衬砌材料劣化相对比较严重，其中KS+040—KS+080 段尤为严重，故选取KS+067 作为最不利断面进行计算。施工竣工图资料表明，该处隧道埋深为40m，计算假定围岩属于理想弹塑性材料，符合摩尔一库伦屈服准则，采用板单元;衬砌结构视为线弹性，采用梁单元;钢拱架通过提高初期支护的弹性模量来模拟，围岩预加固和二衬可作为安全储备。
通过分析方案1 可以知道，隧道改扩建完成后，辅路左洞隧道右下拱脚位置最大水平位移-2.2mm，主、辅路左洞隧道间距较小，图中水平位移云图相接，说明应加强支护措施，以稳定两洞间围岩。由于主路左洞隧道为新建，在初始地应力作用下，隧道开挖后竖向位移变化较大，仰拱隆起，最大位移6.37mm，拱顶最大位移4.79mm。另查看衬砌结构轴力云图，既有主路右洞隧道左侧墙处最大轴力4.30×103kN，拱脚处最大弯矩5.24×l02kN·ma
通过分析方案2 可以知道，隧道改扩建完成后，左、右洞隧道位移及内力云图基本对称，仰拱隆起最大位移9.76mm;拱顶最大下沉6.14mm。另查看衬砌结构轴力云图( 略) ，隧道侧墙处最大轴力4.29×103kN，拱脚处最大弯矩5.83×102kN·m。
通过分析方案3 可以知道，隧道改扩建完成后，左洞隧道仰拱隆起最大位移9.55mm;拱顶最大下沉5.45mm。另查看衬砌结构轴力云图，隧道侧墙处最大轴力4.24×103kN，拱脚处最大弯矩5.72×102kN·m。
四、方案比选
隧道工程的拓宽改造方案可能会出现多种组合，其基本方案一般有两种，即保留既有隧道增建复线隧道和拆除既有隧道扩建既有隧道。受周边条件的制约，增建复线隧道一般与既有隧道呈小净距的平面布置，这种情况在用地紧张、环境复杂的隧道改扩建工程中比较多见。如果既有隧道围岩在隧道修建时曾受到过施工扰动，围岩整体稳定性和自承能力会降低;如果在施工中曾发生过大超挖或坍塌，且既有隧道结构又存在严重病害，拓宽改造施工就会面临较大的安全风险。
其风险主要表现为:扩建既有隧道衬砌拆除施工中可能会出现围岩掉块、坍塌等险情;增建复线隧道的近距离施工干扰会对既有隧道的结构安全产生不利影响。因此，无论采用哪一种拓宽改造方案，都必须将既有隧道作为重点关注对象，应进行安全控制。
方案1，交通组织较好，施工对交通的影响较小，但须拆除改建部分高架桥，施工周期长，造价高。方案2，对高架桥无影响，施工场地条件好，但须中断或管制先行拓宽隧道的洞内交通，对交通影响大。方案3，对高架桥无影响，施工对交通的影响小，工期较短，投资较低，但对施工爆破要求较高。
由于二环路交通量大，是城市交通路网中的主干道，一旦出现交通中断情况，会造成大范围的交通瘫痪，其影响后果严重，因此，在改造过程中须尽量避免或减小对交通和既有结构物的影响。综合各种因素，建议方案3 作为拓宽改造的实施方案。
五、改造的控制因素及原则
(1)隧道与洞外道路的路面宽度不匹配，应结合隧道及其洞外道路交通现状进行隧道拓宽改造，形成隧道与洞外道路交通的畅通衔接，解决隧道交通瓶颈问题。为保持隧道与洞外主路和辅路的交通顺接，需将隧道的机动车道从双向4 车道拓宽为双向8 车道，并维持非机动车道和人行道双向混行的路面宽度约6.5m.。
(2)二环路交通量大，一旦出现交通中断情况，会造成大范围的交通瘫痪，其影响后果严重，因此，在隧道拓宽改造施工期间，必须维持现状机动车道双向4 车道、非机动车道和人行车道双向混行的交通不中断。
(3)隧道洞外道路红线宽度为80—90m，洞口两侧房屋密集，用地比较紧张。应减少占用周边土地，减小房屋拆迁量，尽量在现有道路红线范围内进行隧道拓宽改造。
(4)隧道东洞口距离高架桥较近，隧道宽改造须兼顾高架桥影响，综合考虑实施方案。
(5)在隧道拓宽改造施工过程中，需确保既有隧道的结构及公共交通运营的安全。
六、总结
本文通过对不同方案实施效果的比选进行分析，主要得出以下结论：
(1)中隔墙施作后，其顶部明显偏压，且部分单元受拉，随着左右两侧导洞开挖卸荷及支撑加固作用，中隔墙拉应力值有所减小。
(2)由于荷载偏压影响，最大压应力位于中隔墙左侧下部位置(埋深较浅一侧)，因此当偏压较为明显时，中隔墙应采用钢筋混凝土结构，且埋深较浅侧可适当加大配筋量。
(3)随着隧道开挖支护，锚杆受拉区域扩大至右洞上部，拉应力最大处位于右洞右侧底部，可在该处设置锁脚锚杆或增长系统锚杆。
(4)左右导洞施作顺序对结构内力有一定影响，通过对比分析，建议偏压地段连拱隧道施工宜先施作深埋侧导洞。
论文作者:何丹凤1 王伟军2 王军波3
论文发表刊物:《建筑模拟》2015年4月总第100期供稿
论文发表时间:2015-6-19
标签：隧道论文; 交通论文; 方案论文; 车道论文; 围岩论文; 位移论文; 高架桥论文; 《建筑模拟》2015年4月总第100期供稿论文;