山岭隧道扩挖稳定性及支护参数优化分析

作者：***

来源：《西部交通科技》2024年第02期

作者簡介：杨 健（1990—），工程师，主要从事公路桥梁设计工作。

摘要：文章以某山岭公路隧道为研究对象，采用数值模拟的方法研究隧道扩挖的稳定性，并重点对相关支护参数影响规律进行了分析，得到以下结论：现场监测结果和数值模拟结果曲线吻合度较高，且在隧道扩挖稳定之后二者曲线基本趋于重合，说明了该数值模拟方法的正确性；通过增大锚杆长度和减小锚杆纵向间距可以减小单根锚杆所承受的最大轴向拉力，减小扩挖隧道的变形，从而增大隧道稳定性；增大喷射混凝土厚度可以减小扩挖隧道的变形，增大隧道稳定性；建议该工程锚杆长度、环向间距、喷射混凝土厚度分别优化为3.5 m、1.0 m和25 cm。

关键词：山岭隧道；扩挖工程；支护参数；数值模拟

中图分类号：U457+.6 0 引言

近年来，随着国内交通网络的不断发展，越来越多的老旧山岭隧道已经不能满足通行的需求，需要进行扩挖改建工程，在扩挖过程中保持隧道整体安全稳定以及合理优化隧道扩挖支护参数都是至关重要的。国内学者对隧道扩挖工程已有了相关研究：王培、胡秋芳[1-2]对隧道改扩建的难点进行了分析，并提出了隧道扩挖质量和安全控制的方法；欧予月[3]以某隧道扩建为研究对象，通过数值模拟和现场监测发现，CD法开挖具有工期长、工序复杂和稳定性差等缺点；向武松[4]采用数值模拟软件对某隧道扩挖进行了研究分析，结果表明台阶法优于全断面法，且开挖支护初期拱腰、拱脚和拱底安全性较差；倪迪、蔡云泽等[5-6]以某隧道扩挖为研究背景，采用数值模拟软件对台阶法和双侧壁导坑法进行了对比研究，结果表明该隧道采用双侧壁导坑扩挖方法更为合理。本文以山区隧道扩挖工程为分析案例，基于有限元软件模拟的方法研究了山区隧道扩挖中的稳定性，并重点对相关支护参数影响规律进行了探讨，研究结论可为隧道扩挖工程提供参考。 1 工程概况

我国西部地区某马蹄形隧道全长约97.60 m，山坡自然坡度为9°～17°，隧道围岩主要以Ⅳ级围岩为主，整体稳定性较差。既有隧道的埋深在18～32 m，最大净宽和净高分别为7.8 m和3.9 m。因既有隧道净空尺寸已经不能满足实际需要，需要进行扩挖改建，扩挖后隧道断面的最大净宽和净高分别为9.2 m和5.0 m。扩挖隧道采用锚杆、钢筋网、钢拱架和喷射混凝土联合支护方式，锚杆设计长度为4.0 m，直径为22 mm，环向间距为0.8 m。钢支撑和钢筋网分别Ⅰ22a和ϕ8 mm光圆钢筋，喷射混凝土厚度取30 cm，强度等级取C30。 2 数值建模

数值模拟因其具有强大的模拟能力，在工程中得到广泛应用。利用有限元软件Midas GTS进行建模分析，图1所示为隧道模型图。已知扩挖前隧道的最大净高和净宽为3.9 m和7.8 m，隧道扩挖之后的最大净高和净宽分别为5.0 m和9.2 m。为了提高计算速度同时保证模型的可靠性，隧道数值模型长、宽和高依次取120 m、50 m和100 m。在模拟过程中，模型整体采用摩尔-库仑本构模型，并将隧道上部边界设置为自由面，其余边界设置为位移和边界约束。扩挖隧道的支护形式为“钢筋网+钢拱架+喷射混凝土+锚杆”，其中初支喷浆厚度为30 cm，强度等级取C30，锚杆直径为22mm，长度为4.0 m。为了简化计算，将钢筋网和钢拱架支护的弹性模量折算到混凝土上面。 3 数值结果分析

3.1 数值模拟结果验证分析

在经过长年的正常营运后，既有隧道变形基本处于稳定的状态，如图2（a）所示。在隧道扩挖之前，需要对既有隧道进行位移清零，之后在隧道扩挖过程中同时施做锚杆和喷射混凝土。图2（b）给出了扩挖之后的隧道竖向位移云图，由图可知，隧道最大沉降发生在拱顶处，最大隆起发生在拱底处。

为了验证数值模型的可行性与建模过程中的正确性，通过现场监测和数值模拟得到了隧道扩挖之后的隧道拱顶沉降和周边收敛位移，如图3所示。由图可知，现场监测结果和数值模拟结果曲线吻合度较高，且在隧道扩挖稳定之后二者曲线基本趋于重合，说明了本文数值模拟方法的正确性。 3.2 参数影响分析

为了对隧道扩挖的相关支护参数进行优化，本节主要对锚杆长度、锚杆环向间距以及喷射混凝土厚度变化影响规律进行分析。 3.2.1 锚杆长度及环向间距

取锚杆长度为2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m和4.0 m，锚杆环向间距D为0.8 m、1.0 m和1.2 m进行分析，如下页图4所示，给出了隧道拱顶沉降和周边收敛位移随锚杆长度变化曲线。由图4（a）可知，随着锚杆长度的增大，隧道拱顶沉降逐渐减小，且拱顶沉降减小趋势逐渐减缓，对于相同锚杆长度时，锚杆环向间距越小，隧道的拱顶沉降越小。由图4（b）可知，随着锚杆长度的增大，隧道周边收敛位移逐渐减小，且周边收敛位移减小趋势逐渐减缓，对于相同锚杆长度时，锚杆环向间距越小，隧道的周边收敛位移越小。

综上可知，通过增大锚杆长度和减小锚杆环向间距可以减小扩挖隧道的变形，从而提高隧道稳定性，从节约成本和降低施工难度出发，推荐在工程中采用3.5 m锚杆。

图5展示了锚杆长度和环向间距变化对锚杆最大轴力的影响曲线。由图可知，随着锚杆长度的增大，锚杆最大轴力减小，且对于相同锚杆长度时，锚杆环向间距越小，锚杆轴力越小，说明通过增大锚杆长度和减小锚杆纵向间距可以减小单根锚杆所承受的最大轴向拉力。工程中从节约成本和缩短工期角度出发，推荐采用1.0 m锚杆环向间距。 3.2.2 喷射混凝土厚度

取喷射混凝土厚度为10 cm、15 cm、20 cm、25 cm和30 cm进行分析，如图7所示，给出了隧道拱顶沉降和周边收敛位移随喷射混凝土厚度变化曲线。由图6（a）可知，随着喷射混凝土厚度的增大，隧道拱顶沉降逐渐减小，相比于喷射混凝土厚度为10 cm时，喷射混凝土厚度取15 cm、20 cm、25 cm和30 cm时的隧道拱顶沉降分别减小了9.6%、17.0%、20.5%和23.0%。由图6（b）可知，随着喷射混凝土厚度的增大，隧道周边收敛位移也逐渐减小，相比

于喷射混凝土厚度为10 cm时，喷射混凝土厚度取15 cm、20 cm、25 cm和30 cm时的隧道周边收敛位移分别减小了6.3%、11.2%、13.4%和14.7%。

综上可知，通过增大喷射混凝土厚度可以减小扩挖隧道的变形，从而提升隧道稳定性。工程中从节约成本和降低施工难度出发，推荐采用喷射混凝土厚度为25 cm。 4 结语

本文以山区隧道扩挖工程为分析案例，基于有限元软件模拟的方法研究了山区隧道扩挖中的稳定性，并重点对相关支护参数影响规律进行了探讨分析，得到如下结论：

（1）将现场监测与数值模拟得到的结果进行对比，发现曲线吻合度很高，且在隧道扩挖稳定之后二者曲线基本趋于重合，说明了本文数值模拟方法的正确性。

（2）通过增大锚杆长度和减小锚杆纵向间距可以减小单根锚杆所承受的最大轴向拉力，减小扩挖隧道的变形，从而提升隧道稳定性。

（3）通过增大喷射混凝土厚度可以减小扩挖隧道的变形，从而提升隧道稳定性。 （4）针对该工程，建议锚杆长度、环向间距、喷射混凝土厚度分别优化为3.5 m、1.0 m和25 cm。 参考文献：

[1]王 培.既有隧道扩挖及改建技术研究[J].交通世界，2017（9）：120-121.

[2]胡秋芳.城市地铁工程隧道扩挖施工技术研究[J].工程技术研究，2022，7（19）：40-42. [3]欧予月.区间隧道扩挖工法数值模拟对比研究[J].科学技术创新，2021（20）：137-138. [4]向武松.不同扩挖工法对隧道初期支护安全性的影响分析[J].广东公路交通，2022，48（5）：35-39.

[5]倪 迪，陈 明，康三月，等.Ⅳ级围岩隧道钻爆法扩挖方案比选[J].市政技术，2020，38（3）：119-123.

[6]蔡芸泽.城市地铁工程项目隧道扩挖施工技术分析[J].工程机械与维修，2021（6）：252-254.