东蒙隧道二衬拆除中的围堰稳定安全验算

摘要：东蒙隧道位于104国道永嘉段，受当时隧道建设技术水平的限制，隧道运营至现在，隧道衬砌出现了较严重的病害，已经不再适合继续使用和运营。

按照相关要求，对隧道衬砌破坏较严重的隧道段，进行换衬处理。即拆除原来的衬砌，重新施做具有足够耐久性的衬砌。本文简要阐述隧道二衬拆除中的围堰稳定安全验算。

关键词：隧道工程；二衬拆除；围堰稳定；安全验算；加固技术

中图分类号：U45 文献标识码：A

一、工程概况

104国道永嘉段东蒙隧道左幅位于永嘉县乌牛镇，桩号为104国道K1864+205，现隧道长139m，衬砌半径R=540cm,最大高度为685cm。于1997年开工建设，1999年建成通车。目前，左幅隧道内渗漏水现象较为严重，且隧道的二衬有较大范围开裂，没有照明设施。现进行拆除托换。

二、技术背景、意义及必要性

为保证《中华人民共和国安全生产法》、国务院《建设工程安全生产管理条例》和交通运输部《公路水运工程安全生产监督管理办法》及有关建设工程质量、安全技术标准、规范的切实落实，加强建筑工程项目的质量安全生产监督管理，切实履行企业安全生产的责任主体,保障人民群众生命财产的安全，进行东蒙隧道二衬拆除工程安全验算。

三、项目主要技术内容及技术关键

安全验算

3.1设计方案

根据原隧道的设计及隧道检测报告，东蒙隧道现状：

隧道拆除后，对隧道进行换衬处理。隧道换衬设计按照新奥法原理进行设计，充分发挥围岩的稳定性，采用复合式衬砌。

本隧道首先对隧道采用机械拆除，然后根据设计图纸施做初期支护及二次衬砌。

3.2、 计算依据

3.2.1 技术依据

① 《公路路隧道设计规范》

② 《公路路隧道设计细则》

③ 104国道永嘉段东蒙隧道（左右幅）加固维修工程相关设计图纸（温州市交通规划设计研究院）

3.2.2 计算软件

本次计算采用有限元计算软件midas/GTS，运行环境windows XP。

3.3、 类似工程调研

我国隧道大规模的修建，主要在50年代以后，隧道社会经济的快速发展，原修建的隧道功能已经不能满足现在使用的要求。目前国内对于隧道维修，改扩建工程较多，对拆除原有衬砌，进行换衬处理的隧道已经比较常见，且技术成熟。以下例举部分工程。

表 3-1 部分换衬隧道调查表

3.4、 数值计算分析

3.4.1计算模型的建立

本工程隧道设计按照新奥法的基本原理进行设计。隧道的支护以围岩承载为主，初期支护为辅助的承载单元。二次衬砌为安全储备。

在隧道的维修加固施工过程中，当原有的衬砌拆除，新的初期支护尚未施做时，为隧道最危险的状态。本次数值模拟主要针对该状态进行分析。

隧道拆除段，为Ⅲ级围岩。采用有限元软件Midas/GTS进行计算分析。为模拟隧道开挖的过程，计算采用地层结构模型进行。计算网格划分如下图所示：

图 4-1计算模型图

如上图所示，隧道围岩、二次衬砌采用实体单元进行模拟，本构关系采用摩尔库伦屈服准则。隧道的开挖计算需考虑原隧道开挖形成的二次及三次应力状态对拆除衬砌的影响。

初期支护采用梁单元模拟、锚杆采用Midas/GTS 2.6内置的植入式桁架单元模拟。

3.4.2 边界条件及计算参数

① 边界条件

根据隧道的埋深、地质情况。确定隧道的边界条件。隧道所处地层可视为半无限体。计算模型的x向，对x向位移进行约束。模型底部进行y方向的约束。模型顶部，考虑计算分析模型无需建立至实际地层表面。而将模型外的地层，考虑为节点荷载施加在模型顶部。

② 计算参数

本次计算参数的选择参考《公路隧道设计规范》及《公路隧道设计细则》进行选取。计算参数表如下表所示。

表 4-1 计算参数表

3.4.3 隧道开挖计算分析

计算分析需考虑原隧道开挖、支护后应力状态对拆除衬砌的影响。开挖计算分析按以下步骤完成：

第1步，进行原隧道开挖前初始地应力的计算，并对位移进行清零。第2步，原隧道开挖。

图 4-2第1步计算模型图图4-3第2步计算模型图

第3步，施做原隧道初期支护及二衬施做，并对对位移进行清零。该阶段为拆除衬砌的初始应力状态。第4步拆除原有隧道支护。第5步，施做锚杆及初期支护。

图 4-4第3步计算模型图图 4-5第4步计算模型图 图 4-6第5步计算模型图

3.4.4 计算结果

本计算分析隧道拆除原有支护后，隧道结构的安全性。因此提取现状、拆除衬砌后的结果进行分析，计算结果如下：

位移

第一主应力 第三主应力

图 4-7 原隧道开挖结果图

第一主应力 第三主应力

图 4-8原隧道支护计算结果图

位移

第一主应力 第三主应力

图 4-9拆除原有衬砌结果图

第一主应力 第三主应力

图 4-10施做锚杆及初期支护结果图

结论

由第四步得计算结果，可得如下结论：

① 隧道开挖时，发生拱顶沉降约4cm，施做衬砌之后，隧道洞室形成了二次应力状态。衬砌承担较小一部分内力。

② 衬砌拆除后，所发生的位移较小，约0.5mm。在原隧道支护状态下，主要承载内力的结构是围岩。衬砌仅作为安全储备，衬砌拆除后，对洞室稳定性影响不大。

③ 衬砌拆除后，洞室的最大拉应力为12.19kpa，小于Ⅲ级围岩的抗拉强度，最大压应力为-1380kpa，小于Ⅲ级围岩的抗压强度。能满足安全性要求。

结合调研资料及数值计算结果，可得如下结论：

对于Ⅲ级围岩，按照新奥法原理，隧道主要的承载结构是围岩自身，衬砌及初期支护承载的内力较小。本隧道衬砌拆除后，洞室依然是稳定的。