公路隧道原位擴(kuò)建技術(shù)探討

1、內(nèi) 容n背景n隧道擴(kuò)建的形式n原位拓寬的工法n原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n總結(jié) 一、背景n隨著我國國民經(jīng)的迅速發(fā)展，公路交通量也迅猛增長。圖1 高速公路某路段交通量預(yù)測160.8% 一、背景n交通量增長導(dǎo)致的結(jié)果道路上擁擠不堪。圖圖1-2 1-2 某高速公路擁擠堵車某高速公路擁擠堵車 一、背景n擴(kuò)建高速公路提出了隧道擴(kuò)建的設(shè)計問題n原隧道擴(kuò)建成為雙向八車道公路隧道是一種有效的方法解決辦法新建道路擴(kuò)建道路一、背景n已經(jīng)取得的成果大帽山隧道后祠隧道金雞山隧道一點(diǎn)體會與大家探討二、隧道擴(kuò)建的形式n雙洞四車道公路隧道擴(kuò)建為雙洞八車道隧道 -有兩種形式 增建形式原位擴(kuò)建形式二、隧道擴(kuò)建的形

2、式n增建形式:在原有隧道附近增設(shè)2孔單向雙車道隧道n適用條件：洞口接線地形開闊、地物較少、非良田地段圖2-1某隧道增建形式方案二、隧道擴(kuò)建的形式n增建形式多樣性方案一 原兩隧道之間增設(shè)兩個兩車道隧道方案二 原兩隧道間增設(shè)一個兩車道隧道，一側(cè)再增設(shè)一個兩車道隧道二、隧道擴(kuò)建的形式n增建形式多樣性方案三 原兩隧道兩側(cè)邊各增設(shè)一個兩車道隧道方案四 原隧道一側(cè)新建兩個兩車道隧道二、隧道擴(kuò)建的形式n增建形式實(shí)例圖圖2-22-2增建隧道的擴(kuò)建方案（建成后）增建隧道的擴(kuò)建方案（建成后）原隧道原隧道二、隧道擴(kuò)建的形式n原位擴(kuò)建的方式 ：將原有兩車道隧道擴(kuò)挖為四車道n當(dāng)洞口接線地形狹窄、地物較多的地段圖2-3

3、原位拓寬隧道的擴(kuò)建方案二、隧道擴(kuò)建的形式n原位擴(kuò)建形式多樣性方法一 外側(cè)擴(kuò)寬 方法二 內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬 二、隧道擴(kuò)建的形式n原位擴(kuò)建形式多樣性方法三 兩側(cè)擴(kuò)寬 圖圖3-2 3-2 原位擴(kuò)寬原位擴(kuò)寬的擴(kuò)建方案的擴(kuò)建方案（建成后）（建成后）重點(diǎn)！二、隧道擴(kuò)建的形式n兩種擴(kuò)寬形式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍 擴(kuò)建形式優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)使用范圍增建隧道 1.設(shè)計施工技術(shù)相對簡單 2.隧道斷面布置靈活 1.洞口接線占地和工程量較大 2.對運(yùn)營車輛的通行有一定的影響 洞口地形開闊、地物較少、用地指標(biāo)相對充裕的地段原位擴(kuò)寬 1.洞口接線占地少，工程量相對較少； 2.運(yùn)營車輛行駛方便。 1.斷面的布設(shè)受限于既有隧道； 2.開挖寬度大

4、，設(shè)計和施工技術(shù)復(fù)雜。 洞口接線地形受限，地物較多，用地指標(biāo)限制的地段。表表1 1 擴(kuò)寬形式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍擴(kuò)寬形式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍三、原位拓寬的工法n原位拓寬是隧道擴(kuò)建的主要方法之一，根據(jù)隧道和洞口接線的地形、地物及地質(zhì)條件，主要有三種的擴(kuò)寬形式。 內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬外側(cè)擴(kuò)寬兩側(cè)擴(kuò)寬組合三、原位拓寬的工法n原位拓寬主要三種方法的比較拓寬形式拓寬形式簡簡 圖圖優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)缺缺 點(diǎn)點(diǎn)方法一外側(cè)擴(kuò)寬最大限度地保持中夾巖的寬度，減小倆洞間的受力和施工干擾。1.洞口接線占地相對較大；2.存在非對稱受力。方法二內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬洞口接線占地相對較小1.中夾巖的寬度小，倆洞間的受力和施工干擾相對較大；2.存在非對稱受力。方

5、法三兩側(cè)擴(kuò)寬受力基本對稱施工工序相對復(fù)雜。三、原位拓寬的工法n原位拓寬根據(jù)拓寬的形式可分為兩種工法單側(cè)邊擴(kuò)挖 兩側(cè)擴(kuò)挖 適用內(nèi)外側(cè)擴(kuò)寬適用兩側(cè)擴(kuò)寬圖圖3-1 3-1 拓寬隧道施工現(xiàn)場拓寬隧道施工現(xiàn)場原隧道三、原位拓寬的工法nIV、V級圍巖單側(cè)邊擴(kuò)挖工法的主要工序 原有洞室下半斷面回填開挖支護(hù)左上導(dǎo)坑（原洞側(cè)）開挖支護(hù)左下導(dǎo)坑（原洞側(cè)）開挖支護(hù)右上導(dǎo)坑開挖支護(hù)右下導(dǎo)坑拆除臨時支撐澆筑二襯混凝土三、原位拓寬的工法n單側(cè)邊擴(kuò)挖工法的主要工序示意 圖圖3-2 3-2 單側(cè)邊擴(kuò)挖工法示意單側(cè)邊擴(kuò)挖工法示意123456三、原位拓寬的工法nIV、V級圍巖兩側(cè)邊擴(kuò)挖工法的主要工序 原有洞室下半斷面回填開挖支護(hù)

6、中上導(dǎo)坑 開挖支護(hù)左上導(dǎo)坑 開挖支護(hù)右上導(dǎo)坑 開挖支護(hù)中下導(dǎo)坑 開挖支護(hù)左下導(dǎo)坑 開挖支護(hù)右下導(dǎo)坑 拆除臨時支撐澆筑二襯混凝土三、原位拓寬的工法n兩側(cè)邊擴(kuò)挖工法的主要工序示意12345678圖圖3-3 3-3 兩側(cè)邊擴(kuò)挖工法示意兩側(cè)邊擴(kuò)挖工法示意三、原位拓寬的工法n對比兩種工法n共同點(diǎn)：利用原有的隧道洞室作為臨空面，作為擴(kuò)挖的起始步。n不同點(diǎn)：由于原有隧道洞室所處的位置不同，使得兩側(cè)邊擴(kuò)挖工法分步較單側(cè)邊擴(kuò)挖工法分步多，增加了施工的復(fù)雜性和延長了施工工期。四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n圍巖和初支的受力特點(diǎn) n目的：了解三種主要擴(kuò)寬形式的圍巖和初支的受力特點(diǎn) n采用的工具:有限元計算程序 n分析的

7、對象:相同模型大小和邊界條件下的V級圍巖三種典型擴(kuò)寬形式 圍巖容重（KN/m3）變形模量(MPa)泊松比內(nèi)摩擦角()粘聚力（MPa）V級19.015000.35260.18表表4-1 4-1 圍巖物理力學(xué)主要指標(biāo)圍巖物理力學(xué)主要指標(biāo) 四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n模型大?。?00米110米（寬高），本例原有兩車道隧道的中距40米，拓寬后隧道開挖凈寬xx米。n圍巖和初支的受力特點(diǎn)n模型邊界條件：左右邊界為水平約束，下邊界為豎向約束，上邊界為自由邊界。n單元：圍巖采用彈塑性三角形實(shí)體單元 ，屈服準(zhǔn)則為：德魯克普拉格準(zhǔn)則。噴射混凝土及鋼支撐采用梁單元，錨桿采用桿單元 。四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n圍巖

8、和初支的受力特點(diǎn)n初期支護(hù)參數(shù)：錨桿直徑25mm，長度5.5米，布設(shè)間距0.7米0.5米；鋼支撐采用工25b的型鋼，間距0.5米；噴射混凝土采用C25濕噴混凝土，厚度35厘米。圖圖4-1 4-1 擴(kuò)寬模型網(wǎng)格劃分示意擴(kuò)寬模型網(wǎng)格劃分示意四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n三種擴(kuò)寬工法圍巖屈服區(qū)的比較 圖4-2a 外側(cè)擴(kuò)寬圖4-2b 內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬最大最小四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n三種擴(kuò)寬工法圍巖屈服區(qū)的比較圖4-2c 外側(cè)擴(kuò)寬n結(jié)果表明：三種方法中外側(cè)拓寬的圍巖屈服區(qū)面積最小，內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬最大，比外側(cè)拓寬大32%。四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n三種擴(kuò)寬工法圍巖屈服區(qū)的比較n以外側(cè)擴(kuò)寬（方法一）的圍巖屈服區(qū)面積為

9、基數(shù)1.0，與內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬（方法二）、兩側(cè)擴(kuò)寬（方法三）進(jìn)行比較。圖圖4-3 4-3 拓寬形式屈服區(qū)比較拓寬形式屈服區(qū)比較四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n三種擴(kuò)寬工法初期支護(hù)內(nèi)力的比較 軸力彎矩圖圖4-4 4-4 外側(cè)擴(kuò)寬內(nèi)力外側(cè)擴(kuò)寬內(nèi)力n方法二（內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬）的軸力和彎矩最大n方法三（兩側(cè)擴(kuò)寬）的軸力和彎矩最小 四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n三種擴(kuò)寬工法初期支護(hù)內(nèi)力的比較n以外側(cè)擴(kuò)寬（方法一）的內(nèi)力為基數(shù)1.0，與內(nèi)側(cè)擴(kuò)寬（方法二）、兩側(cè)擴(kuò)寬（方法三）進(jìn)行比較。圖圖4-5 4-5 各拓寬形式初期支護(hù)內(nèi)力比較各拓寬形式初期支護(hù)內(nèi)力比較 四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n三種擴(kuò)寬工法初期支護(hù)內(nèi)力的比較n方法三（兩側(cè)

10、擴(kuò)寬）的軸力僅為方法一的82.3%，彎矩僅為方法一的80%。n分析上述圍巖塑性區(qū)和初期支護(hù)的受力情況，擴(kuò)寬方法對圍巖及支護(hù)的受力特性有一定的影響。方法三的圍巖塑性區(qū)面積與方法一相當(dāng)，而初期支護(hù)的軸力和彎矩比方法一有一定的改善，僅為方法一的82.3%，因此單從受力特性上來看，拓寬方法三（兩側(cè)擴(kuò)寬）有一定的優(yōu)勢。四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n二次襯砌圍巖壓力的探討n二次襯砌是隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)組成的主要部分，在軟弱圍巖段它承受著部分甚至大部分的圍巖壓力。 n二次襯砌計算采用結(jié)構(gòu)-荷載法，荷載的確定對二次襯砌的計算是重要的。n新建大跨度單洞4車道隧道的圍巖壓力，在修訂的公路隧道設(shè)計規(guī)范中已有規(guī)定。四、原位

11、擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n修訂公路隧道設(shè)計規(guī)范荷載計算（6.2.3條）n垂直均布壓力 q=0.452S-1 S-圍巖級別； -寬度影響系數(shù) =1+i（B-5） i - B 每增減1m 圍巖壓力增減率隧道寬度B14B25圍巖壓力增減率i考慮施工過程分導(dǎo)洞開挖0.07上下臺階法或一次性開挖0.12表4-2 圍巖壓力增減率i i取值表形式?jīng)]有變化變化四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n原位擴(kuò)建的荷載如何計算？n修訂公路隧道設(shè)計規(guī)范17.3.3-1既有隧道施工時對圍巖擾動不大、施工期間未發(fā)生大變形、坍方等，且經(jīng)過一定時間運(yùn)營后，圍巖無明顯變異的段落，可參照新建隧道計算圍巖壓力。怎么會呢？圖4-6 洞室對圍巖應(yīng)力（3

12、）的影響明顯不一樣！四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n基于規(guī)范公式的系數(shù)修正法 n原洞室的存在和位置對圍巖壓力的大小和分布形式有著一定的影響。在缺乏類比及經(jīng)驗(yàn)資料的情況下可采用基于規(guī)范公式的系數(shù)修正法對圍巖的壓力進(jìn)行計算，公式如下：iiifFnFi-修正后的圍巖壓力ni圍巖壓力修正系數(shù)nfi-由規(guī)范（修正稿）求得的圍巖壓力這樣行嗎？關(guān)鍵四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n圍巖壓力修正系數(shù)i i是關(guān)鍵數(shù)字模型比較法求出n拓寬形式的數(shù)據(jù)模型求得特征點(diǎn)的位移與單洞同參數(shù)隧道的特征點(diǎn)的位移比來求得n垂直壓力修正系數(shù)采用拱頂豎直位移比 n內(nèi)外側(cè)水平壓力的修正系數(shù)采用邊墻水平位移比 四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性圖圖4-7

13、 4-7 各拓寬方式圍巖壓力修正系數(shù)各拓寬方式圍巖壓力修正系數(shù)n原洞室存在和位置對擴(kuò)寬圍巖壓力影響較大四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n二次襯砌荷載承擔(dān)系數(shù) n圍巖壓力由初期支護(hù)和二襯共同承擔(dān)，存在著兩者分擔(dān)荷載比例的問題 n初期支護(hù)完好，二次襯砌荷載承擔(dān)系數(shù)不會大于二次襯砌的剛度和復(fù)合式襯砌的剛度之比n設(shè)計中可以用二次襯砌的剛度和復(fù)合式襯砌的剛度之比作為二次襯砌荷載承擔(dān)系數(shù) 四、原位擴(kuò)寬隧道的力學(xué)特性n二次襯砌荷載承擔(dān)系數(shù)計算1n二次襯砌荷載承擔(dān)系數(shù)n二次襯砌于初期支護(hù)的剛度比 nEe、Ec二次襯砌和初期支護(hù)砼的抗彎彈性模量nIe、Ic二次襯砌和初期支護(hù)的慣性矩cceeIEIEcceeIEIEcc

14、eeIEIE五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n隧道原位拓寬，由于原洞室的影響，在圍巖的穩(wěn)定、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況以及施工工法方面與新建四車道隧道存在著一定的差異。 n在設(shè)計工作中有其特點(diǎn) 五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)1.收集原有隧道的設(shè)計和施工資料：隧道各段落實(shí)際圍巖級別、施工過程的病害及處置情況、施工過程的變更、監(jiān)控量測資料和竣工圖等技術(shù)資料，重點(diǎn)對塌方段落的病害處置情況進(jìn)行研究 2.對原有隧道進(jìn)行全面的技術(shù)檢測：根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對原有隧道做出安全評估。檢測中應(yīng)特別注意隧道背后的空洞的大小和分布情況，二次襯砌的厚度、混凝土標(biāo)號以及裂縫等；五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)3.原位擴(kuò)建通常是在交通

15、量較大地段，設(shè)計中要增加交通保障設(shè)計:一般采用一洞擴(kuò)建，一洞雙向通車或采用一洞擴(kuò)建，一洞單向通車加另一行車方向繞行等方式維持車輛通行； 泉廈高速公路的大帽山隧道擴(kuò)建方案采用新建一個四車道隧道和右洞原位擴(kuò)建為四車道隧道的方案。例子五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)大帽山隧道橫斷面布置五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)a、施工新建四車道隧道，利用原有隧道維持正常交通，這時不需要臨時交通組織。五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)b、新建隧道施工完后，將需要原位擴(kuò)建隧道側(cè)的交通轉(zhuǎn)換到新建隧道，然后進(jìn)行隧道原位擴(kuò)建。五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)c、隧道擴(kuò)建施工完成后為標(biāo)準(zhǔn)八車道組織交

16、通。五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)4.考慮原洞的影響：設(shè)計中除了考慮地形地質(zhì)條件外，還應(yīng)考慮原洞的位置、大小對支護(hù)參數(shù)和施工工法的影響。 某拓寬隧道非對稱支護(hù)示意某拓寬隧道非對稱支護(hù)示意 五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)特點(diǎn)：非對稱支護(hù)設(shè)計，靠近原洞室一側(cè)，錨桿改為小導(dǎo)管注漿，以更好地加固多次擾動的圍巖。 下表：某隧道復(fù)合式支護(hù)設(shè)計參數(shù)，V圍巖加強(qiáng)段才用了雙層噴射混凝土支護(hù)，以增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度和，系統(tǒng)錨桿采用中空錨桿和小導(dǎo)管注漿相結(jié)合的方式布設(shè)。 五、原位擴(kuò)寬設(shè)計特點(diǎn)n設(shè)計工作中的特點(diǎn)襯砌類型初期支護(hù)二次襯砌C25噴射砼錨桿+42小導(dǎo)管鋼拱架厚度(cm)長度(m)間距(m)類 型縱距(m)厚度(cm)/標(biāo)號V級加強(qiáng)25+20（雙層）60.70.5工20b 0.565/C40鋼筋格柵V級一般3560.70.5工25b0.565/C40IV級一般2661.00.5工20b1.050/C30某隧道復(fù)合式支護(hù)設(shè)計