1、内 容n背景n隧道扩建的形式n原位拓宽的工法n原位扩宽隧道的力学特性n原位扩宽设计特点n总结 一、背景n随着我国国民经的迅速发展，公路交通量也迅猛增长。图1 高速公路某路段交通量预测160.8%一、背景n交通量增长导致的结果道路上拥挤不堪。图图1-2 1-2 某高速公路拥挤堵车某高速公路拥挤堵车 一、背景n扩建高速公路提出了隧道扩建的设计问题n原隧道扩建成为双向八车道公路隧道是一种有效的方法解决办法新建道路扩建道路一、背景n已经取得的成果大帽山隧道后祠隧道金鸡山隧道一点体会与大家探讨二、隧道扩建的形式n双洞四车道公路隧道扩建为双洞八车道隧道 -有两种形式 增建形式原位扩建形式二、隧道扩建的形式
2、n增建形式:在原有隧道附近增设2孔单向双车道隧道n适用条件：洞口接线地形开阔、地物较少、非良田地段图2-1某隧道增建形式方案二、隧道扩建的形式n增建形式多样性方案一 原两隧道之间增设两个两车道隧道方案二 原两隧道间增设一个两车道隧道，一侧再增设一个两车道隧道二、隧道扩建的形式n增建形式多样性方案三 原两隧道两侧边各增设一个两车道隧道方案四 原隧道一侧新建两个两车道隧道二、隧道扩建的形式n增建形式实例图图2-22-2增建隧道的扩建方案（建成后）增建隧道的扩建方案（建成后）原隧道原隧道二、隧道扩建的形式n原位扩建的方式：将原有两车道隧道扩挖为四车道n当洞口接线地形狭窄、地物较多的地段图2-3 原位
3、拓宽隧道的扩建方案二、隧道扩建的形式n原位扩建形式多样性方法一 外侧扩宽 方法二 内侧扩宽 二、隧道扩建的形式n原位扩建形式多样性方法三 两侧扩宽 图图3-2 3-2 原位扩宽原位扩宽的扩建方案的扩建方案（建成后）（建成后）重点！二、隧道扩建的形式n两种扩宽形式的优缺点和适用范围 扩建形式优 点缺 点使用范围增建隧道 1.设计施工技术相对简单 2.隧道断面布置灵活 1.洞口接线占地和工程量较大 2.对运营车辆的通行有一定的影响 洞口地形开阔、地物较少、用地指标相对充裕的地段原位扩宽 1.洞口接线占地少，工程量相对较少；2.运营车辆行驶方便。1.断面的布设受限于既有隧道；2.开挖宽度大，设计和施
4、工技术复杂。洞口接线地形受限，地物较多，用地指标限制的地段。表表1 1 扩宽形式的优缺点和适用范围扩宽形式的优缺点和适用范围三、原位拓宽的工法n原位拓宽是隧道扩建的主要方法之一，根据隧道和洞口接线的地形、地物及地质条件，主要有三种的扩宽形式。内侧扩宽外侧扩宽两侧扩宽组合三、原位拓宽的工法n原位拓宽主要三种方法的比较拓宽形式拓宽形式简简 图图优优 点点缺缺 点点方法一外侧扩宽最大限度地保持中夹岩的宽度，减小俩洞间的受力和施工干扰。1.洞口接线占地相对较大；2.存在非对称受力。方法二内侧扩宽洞口接线占地相对较小1.中夹岩的宽度小，俩洞间的受力和施工干扰相对较大；2.存在非对称受力。方法三两侧扩宽受
5、力基本对称施工工序相对复杂。三、原位拓宽的工法n原位拓宽根据拓宽的形式可分为两种工法单侧边扩挖 两侧扩挖 适用内外侧扩宽适用两侧扩宽图图3-1 3-1 拓宽隧道施工现场拓宽隧道施工现场原隧道三、原位拓宽的工法nIV、V级围岩单侧边扩挖工法的主要工序 原有洞室下半断面回填开挖支护左上导坑（原洞侧）开挖支护左下导坑（原洞侧）开挖支护右上导坑开挖支护右下导坑拆除临时支撑浇筑二衬混凝土三、原位拓宽的工法n单侧边扩挖工法的主要工序示意 图图3-2 3-2 单侧边扩挖工法示意单侧边扩挖工法示意123456三、原位拓宽的工法nIV、V级围岩两侧边扩挖工法的主要工序 原有洞室下半断面回填开挖支护中上导坑 开挖
6、支护左上导坑 开挖支护右上导坑 开挖支护中下导坑 开挖支护左下导坑 开挖支护右下导坑 拆除临时支撑浇筑二衬混凝土三、原位拓宽的工法n两侧边扩挖工法的主要工序示意12345678图图3-3 3-3 两侧边扩挖工法示意两侧边扩挖工法示意三、原位拓宽的工法n对比两种工法n共同点：利用原有的隧道洞室作为临空面，作为扩挖的起始步。n不同点：由于原有隧道洞室所处的位置不同，使得两侧边扩挖工法分步较单侧边扩挖工法分步多，增加了施工的复杂性和延长了施工工期。四、原位扩宽隧道的力学特性n围岩和初支的受力特点 n目的：了解三种主要扩宽形式的围岩和初支的受力特点 n采用的工具:有限元计算程序 n分析的对象:相同模型
7、大小和边界条件下的V级围岩三种典型扩宽形式 围岩容重（KN/m3）变形模量(MPa)泊松比内摩擦角()粘聚力（MPa）V级19.015000.35260.18表表4-1 4-1 围岩物理力学主要指标围岩物理力学主要指标 四、原位扩宽隧道的力学特性n模型大小：200米110米（宽高），本例原有两车道隧道的中距40米，拓宽后隧道开挖净宽xx米。n围岩和初支的受力特点n模型边界条件：左右边界为水平约束，下边界为竖向约束，上边界为自由边界。n单元：围岩采用弹塑性三角形实体单元，屈服准则为：德鲁克普拉格准则。喷射混凝土及钢支撑采用梁单元，锚杆采用杆单元。四、原位扩宽隧道的力学特性n围岩和初支的受力特点n
8、初期支护参数：锚杆直径25mm，长度5.5米，布设间距0.7米0.5米；钢支撑采用工25b的型钢，间距0.5米；喷射混凝土采用C25湿喷混凝土，厚度35厘米。图图4-1 4-1 扩宽模型网格划分示意扩宽模型网格划分示意四、原位扩宽隧道的力学特性n三种扩宽工法围岩屈服区的比较 图4-2a 外侧扩宽图4-2b 内侧扩宽最大最小四、原位扩宽隧道的力学特性n三种扩宽工法围岩屈服区的比较图4-2c 外侧扩宽n结果表明：三种方法中外侧拓宽的围岩屈服区面积最小，内侧扩宽最大，比外侧拓宽大32%。四、原位扩宽隧道的力学特性n三种扩宽工法围岩屈服区的比较n以外侧扩宽（方法一）的围岩屈服区面积为基数1.0，与内侧
9、扩宽（方法二）、两侧扩宽（方法三）进行比较。图图4-3 4-3 拓宽形式屈服区比较拓宽形式屈服区比较四、原位扩宽隧道的力学特性n三种扩宽工法初期支护内力的比较 轴力弯矩图图4-4 4-4 外侧扩宽内力外侧扩宽内力n方法二（内侧扩宽）的轴力和弯矩最大n方法三（两侧扩宽）的轴力和弯矩最小 四、原位扩宽隧道的力学特性n三种扩宽工法初期支护内力的比较n以外侧扩宽（方法一）的内力为基数1.0，与内侧扩宽（方法二）、两侧扩宽（方法三）进行比较。图图4-5 4-5 各拓宽形式初期支护内力比较各拓宽形式初期支护内力比较 四、原位扩宽隧道的力学特性n三种扩宽工法初期支护内力的比较n方法三（两侧扩宽）的轴力仅为方
10、法一的82.3%，弯矩仅为方法一的80%。n分析上述围岩塑性区和初期支护的受力情况，扩宽方法对围岩及支护的受力特性有一定的影响。方法三的围岩塑性区面积与方法一相当，而初期支护的轴力和弯矩比方法一有一定的改善，仅为方法一的82.3%，因此单从受力特性上来看，拓宽方法三（两侧扩宽）有一定的优势。四、原位扩宽隧道的力学特性n二次衬砌围岩压力的探讨n二次衬砌是隧道的支护结构组成的主要部分，在软弱围岩段它承受着部分甚至大部分的围岩压力。n二次衬砌计算采用结构-荷载法，荷载的确定对二次衬砌的计算是重要的。n新建大跨度单洞4车道隧道的围岩压力，在修订的公路隧道设计规范中已有规定。四、原位扩宽隧道的力学特性n
11、修订公路隧道设计规范荷载计算（6.2.3条）n垂直均布压力 q=0.452S-1 S-围岩级别；-宽度影响系数=1+i（B-5）i-B 每增减1m 围岩压力增减率隧道宽度B14B25围岩压力增减率i考虑施工过程分导洞开挖0.07上下台阶法或一次性开挖0.12表4-2 围岩压力增减率i i取值表形式没有变化变化四、原位扩宽隧道的力学特性n原位扩建的荷载如何计算？n修订公路隧道设计规范17.3.3-1既有隧道施工时对围岩扰动不大、施工期间未发生大变形、坍方等，且经过一定时间运营后，围岩无明显变异的段落，可参照新建隧道计算围岩压力。怎么会呢？图4-6 洞室对围岩应力（3）的影响明显不一样！四、原位扩
12、宽隧道的力学特性n基于规范公式的系数修正法 n原洞室的存在和位置对围岩压力的大小和分布形式有着一定的影响。在缺乏类比及经验资料的情况下可采用基于规范公式的系数修正法对围岩的压力进行计算，公式如下：iiifFnFi-修正后的围岩压力ni围岩压力修正系数nfi-由规范（修正稿）求得的围岩压力这样行吗？关键四、原位扩宽隧道的力学特性n围岩压力修正系数i i是关键数字模型比较法求出n拓宽形式的数据模型求得特征点的位移与单洞同参数隧道的特征点的位移比来求得n垂直压力修正系数采用拱顶竖直位移比 n内外侧水平压力的修正系数采用边墙水平位移比 四、原位扩宽隧道的力学特性图图4-7 4-7 各拓宽方式围岩压力修
13、正系数各拓宽方式围岩压力修正系数n原洞室存在和位置对扩宽围岩压力影响较大四、原位扩宽隧道的力学特性n二次衬砌荷载承担系数 n围岩压力由初期支护和二衬共同承担，存在着两者分担荷载比例的问题 n初期支护完好，二次衬砌荷载承担系数不会大于二次衬砌的刚度和复合式衬砌的刚度之比n设计中可以用二次衬砌的刚度和复合式衬砌的刚度之比作为二次衬砌荷载承担系数 四、原位扩宽隧道的力学特性n二次衬砌荷载承担系数计算1n二次衬砌荷载承担系数n二次衬砌于初期支护的刚度比 nEe、Ec二次衬砌和初期支护砼的抗弯弹性模量nIe、Ic二次衬砌和初期支护的惯性矩cceeIEIEcceeIEIEcceeIEIE五、原位扩宽设计特
14、点n隧道原位拓宽，由于原洞室的影响，在围岩的稳定、支护结构的受力情况以及施工工法方面与新建四车道隧道存在着一定的差异。n在设计工作中有其特点 五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点1.收集原有隧道的设计和施工资料：隧道各段落实际围岩级别、施工过程的病害及处置情况、施工过程的变更、监控量测资料和竣工图等技术资料，重点对塌方段落的病害处置情况进行研究 2.对原有隧道进行全面的技术检测：根据检测数据对原有隧道做出安全评估。检测中应特别注意隧道背后的空洞的大小和分布情况，二次衬砌的厚度、混凝土标号以及裂缝等；五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点3.原位扩建通常是在交通量较大地段，设计中要增加交通保障
15、设计:一般采用一洞扩建，一洞双向通车或采用一洞扩建，一洞单向通车加另一行车方向绕行等方式维持车辆通行；泉厦高速公路的大帽山隧道扩建方案采用新建一个四车道隧道和右洞原位扩建为四车道隧道的方案。例子五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点大帽山隧道横断面布置五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点a、施工新建四车道隧道，利用原有隧道维持正常交通，这时不需要临时交通组织。五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点b、新建隧道施工完后，将需要原位扩建隧道侧的交通转换到新建隧道，然后进行隧道原位扩建。五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点c、隧道扩建施工完成后为标准八车道组织交通。五、原位扩宽设计特点n设计工作
16、中的特点4.考虑原洞的影响：设计中除了考虑地形地质条件外，还应考虑原洞的位置、大小对支护参数和施工工法的影响。某拓宽隧道非对称支护示意某拓宽隧道非对称支护示意 五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点特点：非对称支护设计，靠近原洞室一侧，锚杆改为小导管注浆，以更好地加固多次扰动的围岩。下表：某隧道复合式支护设计参数，V围岩加强段才用了双层喷射混凝土支护，以增强初期支护的强度和，系统锚杆采用中空锚杆和小导管注浆相结合的方式布设。五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点衬砌类型初期支护二次衬砌C25喷射砼锚杆+42小导管钢拱架厚度(cm)长度(m)间距(m)类 型纵距(m)厚度(cm)/标号V级加强2
17、5+20（双层）60.70.5工20b 0.565/C40钢筋格栅V级一般3560.70.5工25b0.565/C40IV级一般2661.00.5工20b1.050/C30某隧道复合式支护设计参数 五、原位扩宽设计特点n设计工作中的特点维持通车和保证施工安全:根据检测结果对原有洞室进行必要的加固。衬砌背后的空洞对施工中的爆破震动较为敏感，一旦发生塌落对原洞室衬砌可能产生较大的破坏，因此在设计中必须采用回填措施予以处理。对原洞二衬进行补强和预防掉块的措施:通常采用临时钢拱架和密眼钢筋网的方式进行处理。六、总结n工程样本较少：仅大帽山和后祠隧道等少数几座的原位扩建设计；n对荷载取值、支护参数和工法的采用有一定的局限性；n积累一定的经验；n在今后相关工程中，对荷载、支护参数和工法展开有效的科学研究。
