龍鳳溪區(qū)間隧道下穿外環(huán)高速公路有限元分析

李岳，郭艷華

（1林同棪國際（重慶）工程咨詢有限公司 重慶 401121 2廈門市政工程設(shè)計(jì)院重慶分院 重慶 400015）

龍鳳溪區(qū)間隧道下穿外環(huán)高速公路有限元分析

李岳1，郭艷華2

（1林同棪國際（重慶）工程咨詢有限公司 重慶 401121 2廈門市政工程設(shè)計(jì)院重慶分院 重慶 400015）

龍鳳溪區(qū)間隧道是重慶軌道六號(hào)線二期工程中的一段線路，該隧道下穿重慶外環(huán)高速公路和臨近匝道，并與兩個(gè)重力式橋臺(tái)距離較近。為了確保區(qū)間隧道施工不影響高速公路的正常運(yùn)營，本文用三維彈塑性有限元方法，對龍鳳溪區(qū)間隧道的施工進(jìn)行有限元仿真模擬，預(yù)測隧道施工對高速公路和橋臺(tái)變形影響。計(jì)算結(jié)果表明，龍鳳溪區(qū)間隧道施工僅引起1號(hào)匝道產(chǎn)生較大變形，需要加固，外環(huán)高速公路和臨近橋臺(tái)在施工過程中可以正常運(yùn)營。這一結(jié)論為該工程的順利實(shí)施提供了依據(jù)。

隧道；有限元分析；管棚

1 工程概述

龍鳳溪區(qū)間隧道是重慶軌道六號(hào)線二期工程中的一段線路，該隧道位于北碚新城繞城高速西側(cè)匝道邊坡底部，線路長180m。區(qū)間隧道為左、右兩條單線單洞隧道，洞跨5.47m，洞高4.60～6.81m，隧道中心線間距15.0m，屬小凈距隧道。

龍鳳溪區(qū)間隧道上方是重慶外環(huán)高速公路和臨近匝道，如圖1所示。區(qū)間隧道采用下穿形式穿越外環(huán)高速公路和1、2號(hào)匝道。外環(huán)高速公路路面寬度40m，1、2號(hào)匝道路面寬度10m。區(qū)間隧道除穿越三條高速公路外，還與公路范圍內(nèi)兩個(gè)結(jié)構(gòu)物距離較近——?jiǎng)⒓覝洗髽驑蚺_(tái)和2號(hào)匝道重力式橋臺(tái)，隧道施工會(huì)對臨近建筑物有較大影響。

圖1 區(qū)間隧道與高速公路和結(jié)構(gòu)物關(guān)系

劉家溝大橋橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋臺(tái)寬度約40m。橋臺(tái)左側(cè)擋墻與區(qū)間隧道右線重合，如圖2所示。設(shè)計(jì)方在保證滿足列車限界前提下，通過優(yōu)化截面，降低隧道高度，使橋臺(tái)與隧道襯砌間的圍巖厚度有3.848m。因保留巖層厚度僅有0.5倍的隧道開挖高度，所以區(qū)間隧道施工存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 區(qū)間隧道與劉家溝大橋橋臺(tái)立面關(guān)系

區(qū)間隧道左線從2號(hào)匝道下方的重力式橋臺(tái)穿過。2號(hào)匝道橋臺(tái)為U型重力式橋臺(tái)，擴(kuò)展基礎(chǔ)，橋臺(tái)寬10.0m。在立面關(guān)系上，2號(hào)匝道橋臺(tái)基礎(chǔ)底標(biāo)高246.00m，與區(qū)間隧道洞頂之間有6.51m的高差。橋臺(tái)與區(qū)間隧道右線的立面關(guān)系見圖3。

圖3 區(qū)間隧道與2號(hào)匝道橋臺(tái)立面關(guān)系

龍鳳溪區(qū)間隧道穿越地層圍巖條件較差，并且隧道范圍內(nèi)又有外環(huán)高速公路、高速公路匝道和橋臺(tái)等建筑物，因此龍鳳溪區(qū)間隧道的施工對外環(huán)高速公路的運(yùn)營具有一定影響，需要通過有限元仿真分析對其可行性進(jìn)行安全性評估。

2 三維有限元模型

2.1 計(jì)算范圍和單元?jiǎng)澐?/h3>

計(jì)算采用ANSYS有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)影響范圍為開挖半徑5倍的原則[1]，計(jì)算模型沿線路縱向取160m，沿線路橫向取200m，從地表向下取60m。計(jì)算土體采用SOLID45實(shí)體單元，隧道襯砌采用SHELL63殼體單元，屈服條件采用Drucker－Prager屈服準(zhǔn)則。建好的三維有限元模型如圖4、5。

圖4 三維有限元模型

圖5 區(qū)間隧道與橋臺(tái)三維有限元模型

2.2 圍巖參數(shù)

龍鳳溪區(qū)間隧道所穿越的地層有人工填土層（圍巖1）、中等風(fēng)化砂巖層（圍巖2）和泥巖層（圍巖3）三類，這三類巖層的分布見地質(zhì)縱剖面圖6,圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。區(qū)間隧道洞口段，因外環(huán)高速公路及匝道的修建存在大量的填土層，對隧道施工不利。區(qū)間隧道其他區(qū)段主要以中等風(fēng)化砂巖層和砂質(zhì)泥巖層為主，隧道施工相對有利。

圖6 圍巖分布

表1 三維模型計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算荷載

根據(jù)荷載類型可將荷載分成結(jié)構(gòu)自重、隧道開挖產(chǎn)生的圍巖釋放荷載、高速公路車輛荷載和橋臺(tái)荷載這四部分。隧道開挖產(chǎn)生的圍巖釋放荷載由有限元程序模擬開挖計(jì)算得到，高速公路車輛荷載按20kPa計(jì)算，劉家溝大橋橋臺(tái)荷載按200kPa計(jì)算，2號(hào)匝道橋臺(tái)按167kPa計(jì)算。施加荷載邊界條件的有限元模型見圖7所示。

圖7 荷載邊界條件

2.4 計(jì)算步

在地下工程有限元計(jì)算中，通常只考慮初期支護(hù)中的噴射混凝土層和二次襯砌對隧道開挖變形進(jìn)行約束，錨桿、鋼拱架等其他初期支護(hù)作為安全儲(chǔ)備，計(jì)算中不予考慮。在本方案中，區(qū)間隧道入口段處于填土層中，區(qū)間隧道中間段下穿劉家溝大橋橋臺(tái)基礎(chǔ)，所以設(shè)計(jì)方采用大量管棚提高隧道開挖時(shí)地層的縱向剛度。如果計(jì)算中完全忽略管棚作用，會(huì)導(dǎo)致隧道開挖后地表沉降較大，與設(shè)計(jì)方案采用管棚降低地表沉降的初衷相悖。因此，本次計(jì)算采用兩個(gè)計(jì)算工況對區(qū)間隧道開挖進(jìn)行模擬。工況1：不考慮管棚作用，只模擬隧道開挖和噴射混凝土、二次襯砌的支護(hù)；工況2：考慮管棚作用，將管棚作用區(qū)域內(nèi)圍巖的彈性模量提高10倍，其它圍巖參數(shù)不變，管棚加固圍巖在區(qū)間隧道開挖前一個(gè)計(jì)算步更改材料屬性。工況1、2的計(jì)算模型差異見圖8、圖9。

圖8 施工階段有限元模型

圖9 運(yùn)營階段有限元模型

計(jì)算模型采用13個(gè)算步模擬龍鳳溪區(qū)間隧道土體的開挖和襯砌支護(hù)。計(jì)算步1模擬在自重應(yīng)力場、高速公路地面超載、橋臺(tái)荷載作用下圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)；計(jì)算步2～13，模擬區(qū)間隧道開挖和襯砌支護(hù)過程，每個(gè)計(jì)算步的開挖和支護(hù)長度約為16m。模擬計(jì)算中，右線隧道比左線隧道提前一個(gè)計(jì)算步先開挖，而隧道襯砌支護(hù)落后于圍巖開挖一個(gè)計(jì)算步。區(qū)間隧道開挖和支護(hù)在ANSYS中可采用“死”、“生”單元的方法實(shí)現(xiàn)[2]。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算結(jié)果比較

按照上面所述的計(jì)算工況和開挖步計(jì)算，可以得到不同工況下位移計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 位移計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

龍鳳溪區(qū)間隧道施工，對1號(hào)匝道的位移影響最大，外環(huán)高速公路次之，2號(hào)匝道影響最小,這主要與圍巖分布有關(guān)。1號(hào)匝道全部由填土層構(gòu)成，隧道施工完全在填土層中進(jìn)行，因此施工引起1號(hào)匝道位移沉降最大，最大沉降達(dá)到29.6mm。外環(huán)高速公路一半道路修建在中風(fēng)化砂巖層，另一半在地面填土層。這使外環(huán)高速公路在填土層的坡腳處產(chǎn)生較大變形，而高速公路路面豎向位移只有5.4mm，能滿足公路行車平順的要求。2號(hào)匝道修建在砂巖層上，所以隧道施工產(chǎn)生的豎向變形最小，最大沉降4.0mm。隧道施工對劉家溝大橋橋臺(tái)和2號(hào)匝道橋臺(tái)位移影響較小，這是因?yàn)檫@兩座橋臺(tái)基礎(chǔ)均位于中風(fēng)化砂巖層中，可以抵抗隧道開挖引起的圍巖變形。工況2模擬了初期支護(hù)管棚提高圍巖縱向剛度的效果，這使工況2的變形值要小于工況1。這一結(jié)果說明設(shè)計(jì)方采用管棚提高圍巖縱向剛度的方法是有效的。計(jì)算得到的高速公路位移云圖如圖10所示。區(qū)間隧道施工除了對1號(hào)匝道影響較大以外，其他公路和橋臺(tái)結(jié)構(gòu)均滿足行車平順和安全要求。對1號(hào)匝道變形較大的處理方法可采取預(yù)先注漿加固，或者隧道施工完成后對匝道路面進(jìn)行修補(bǔ)方法，彌補(bǔ)隧道施工產(chǎn)生的不利影響。

圖10 地表位移云圖(m)

3.2 位移沉降曲線

為了更好地了解龍鳳溪區(qū)間隧道施工對外環(huán)高速公路和1、2號(hào)匝道的位移影響，在有限元模型中取三條公路的中心線A-A、B-B和C-C作為位移觀測截面，得到隧道施工完成后，三條公路的位移沉降。觀測截面如圖11所示，位移曲線結(jié)果見圖12。

從圖13所示位移曲線中可以看出1號(hào)匝道中心線最大沉降19.12mm，會(huì)影響路面車輛平順行駛，區(qū)間隧道施工完成后需要對路面進(jìn)行改造；外環(huán)高速公路路面最大沉降5.4mm，滿足路面車輛平順行駛的要求；2號(hào)匝道路面最大沉降2.09mm，滿足路面車輛平順行駛的要求。區(qū)間隧道施工完畢后，三條公路的變形如圖13所示。

圖11 位移觀測截面

圖12 觀測截面豎向位移

3.3 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全性評價(jià)

圖13 高速公路變形圖

龍鳳溪區(qū)間隧道修建完成后，在劉家溝大橋橋臺(tái)和2號(hào)匝道橋臺(tái)處會(huì)產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)內(nèi)力。取劉家溝大橋橋臺(tái)下的隧道截面為截面1，2號(hào)匝道橋臺(tái)下的隧道截面為截面2，對這兩個(gè)位置進(jìn)行橫向截面內(nèi)力計(jì)算。這兩處截面的隧道襯砌彎矩圖見圖14、15。

將所計(jì)算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，按照 《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2005）可以計(jì)算各截面在偏心受壓下的安全系數(shù)和截面指定位置的裂縫寬度，區(qū)間隧道二次襯砌厚350mm，橫向截面按Φ25@150配筋，計(jì)算結(jié)果見表3所示。

圖14 截面1襯砌彎矩圖（N·m）

圖15 截面2襯砌彎矩圖（N·m）

表3 襯砌內(nèi)力驗(yàn)算

表3表明龍鳳溪區(qū)間隧道的截面尺寸和配筋設(shè)計(jì)能夠承受地面高速公路荷載和橋臺(tái)荷載的作用，并滿足隧道結(jié)構(gòu)的承載能力要求和正常使用要求，因此區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)是安全的。

4 結(jié)論

（1）龍鳳溪區(qū)間隧道施工引起外環(huán)高速公路、2號(hào)匝道路面以及劉家溝大橋橋臺(tái)、2號(hào)匝道橋臺(tái)的變形較小，滿足行車平順要求，可不進(jìn)行加固處理。但施工引起1號(hào)匝道路面豎向變形過大，需要進(jìn)行加固處理。

（2）對比分析表明，設(shè)計(jì)方案采用管棚進(jìn)行超前支護(hù)，可以在隧道施工時(shí)更有效控制圍巖變形和地表沉降，是合理的施工方案。

（3）計(jì)算分析表明，當(dāng)前龍鳳溪站后區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)、施工方案可以確保施工過程中和施工完成后外環(huán)高速公路、2號(hào)匝道以及劉家溝大橋橋臺(tái)、2號(hào)匝道橋臺(tái)的安全。1號(hào)匝道因位于填土層上，隧道施工會(huì)產(chǎn)生有較大變形，需要采取相應(yīng)的處理措施。

[1]關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社.1993：49-54.

[2]吳波,高波,等.城市地鐵小間距隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J].中國公路學(xué)報(bào),2005;（3）84-89.

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[6]章立峰,劉建國.地鐵區(qū)間隧道施工過程動(dòng)態(tài)模擬分析[J].隧道建設(shè).2003,23(6):3-5.

Finite-ElementAnalysisover Longfengxi Interval TunnelCrossing Under theOuter Ring Expressway

Longfengxi Interval Tunnel is partof Chongqing Rail Transiton the 6th line in the Second-Phase Project.The tunnel,adjacent to a ramp and close to two gravity abutments,crossed thewhole Chongqing Outer Ring Expressway.To ensure that the construction of the interval tunnelwould notaffect the normal operation of the expressway,the paper,by using the three-dimensional elastic-plastic finite-elementanalysismethod,did finite-element analogue simulation of the construction of Longfengxi Interval Tunneland predicted its deformation influence on the expressway and bridge abutments.The calculation resultsshowed that the construction of Longfengxi Interval Tunnelwould cause comparatively large deformation for Ramp 1 which is in need of reinforcement.But the Outer Ring Expressway and adjacent gravity abutments could operate normally.This conclusion provided basis for the successfulconstruction of thisproject.

tunnel;finite-elementanalysis;tube shelter

U455.4

A

1671-9107（2011）07-0014-05

10.3969/j.issn.1671-9107.2011.07.014

2011-03-21

李岳（1980-），女，工程師，工學(xué)碩士，主要從事橋梁與隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

余詠梅