福州三環(huán)路金雞山隧道和羅漢山隧道設(shè)計的若干分析

謝 琪

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院， 福建 福州 350003)

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福州三環(huán)路金雞山隧道和羅漢山隧道設(shè)計的若干分析

謝 琪

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院， 福建 福州 350003)

福州三環(huán)路金雞山隧道和羅漢山隧道的輔路隧道與主路隧道并列形成了全國罕見的“小凈距+連拱+小凈距”群體隧道，且輔路隧道晚于主路隧道進洞施工。介紹了項目概況，分析了對多孔群體隧道進行建模并對各施工步序進行模擬計算的有關(guān)結(jié)果，論述了后建輔路隧道對已建主路隧道造成的不利影響，闡明了加強后建輔路隧道支護措施的必要性。

群體隧道; 后建輔路隧道; 設(shè)計; 分析

1 概述

福州三環(huán)路為城市快速路，快速路主路布置在中間，輔路布置在主路兩側(cè)，主輔路間設(shè)置側(cè)分帶等分隔設(shè)施并控制開口?？焖俾分髀穬H供機動車通行，并設(shè)置中央分隔帶分向行駛；輔路僅供慢速機動車、非機動車及行人通行，輔路車輛單向行駛。福州三環(huán)路在金雞山和羅漢山路段與福州長樂國際機場高速公路二期共線，共線路段的機場高速公路二期也作為三環(huán)路主路。

福州三環(huán)路共有兩座隧道，即金雞山隧道和羅漢山隧道。兩座隧道的輔路隧道均布置在主路隧道兩側(cè)，分左右雙洞，路面一般比主路隧道低7～10 m，單洞單向3車道(右側(cè)車道為非機動車道)，路面寬度12.5 m，洞內(nèi)最大凈寬15.32 m；主路隧道均為連拱隧道，單洞單向4車道，路面寬度16 m，洞內(nèi)最大凈寬18.2 m。輔路隧道與主路連拱隧道并列形成了“小間距+連拱+小間距”的群體隧道，為全國罕見，見圖1。

福州三環(huán)路金雞山隧道和羅漢山隧道的輔路隧道與主路隧道并列形成了全國罕見的“小凈距+連拱+小凈距”群體隧道，工程設(shè)計時在國內(nèi)未能找到類似可借鑒參考的工程實例。由于輔路隧道修建范圍的征地拆遷工作相對滯后，金雞山隧道和羅漢山隧道的輔路隧道均晚于主路隧道進洞施工，針對該實際工況，以下介紹了采用有限差分軟件FLAC3D對多孔群體隧道進行建模的情況，并對各施工步序模擬計算的有關(guān)結(jié)果進行分析，論述了后建輔路隧道對已建主路隧道造成的不利影響，闡明了加強后建輔路隧道支護措施的必要性。

圖1 金雞山(羅漢山)隧道橫斷面布置圖(單位： cm)Figure 1 Jinjishan(Luohanshan)Tunnel cross section layout(unit： cm)

2 計算模型

金雞山隧道和羅漢山隧道的輔路隧道均晚于主路隧道進洞施工。兩座隧道的主路連拱隧道對應(yīng)V級和IV級圍巖均采用中導(dǎo)洞配合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工；輔路隧道對應(yīng)V級圍巖均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，而對應(yīng)IV級圍巖則均采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。金雞山隧道和羅漢山隧道依據(jù)各自不同的場地地形、地質(zhì)、埋深、各洞軸線間距等獨立建模。

2.1 物理力學(xué)參數(shù)

金雞山隧道和羅漢山隧道所在區(qū)域圍巖均包含IV級和V級。隧道洞身圍巖有弱風(fēng)化花崗巖、花崗斑巖及閃長玢巖脈體分布，強度較高，但整體完整性較差，圍巖級別以IV級為主，洞口段為殘積層及強風(fēng)化巖分布，呈現(xiàn)松散碎裂狀，圍巖級別為V級。各級圍巖等主要材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表Table1 Physicalmechanicalparameterlist材料名稱變性模量E/GPa泊松比υ粘聚力C/MPa內(nèi)摩擦角/(°)重度/(kN·m-3)備注Ⅳ級圍巖3.650.320.45 33 21.5圍巖V級圍巖1.50.380.12523.518.5圍巖C15砼26.00.20//25.0隧底填充C25砼29.50.20//25.0初支、臨支C30砼31.00.20//25.0二襯

2.2 隧道主要支護參數(shù)

表2給出了輔路隧道和主路隧道復(fù)合式襯砌支護參數(shù)。

表2 輔路隧道和主路連拱隧道復(fù)合式襯砌支護參數(shù)表Table2 Compositeliningsupportparametertableforthereliefroadtunnelandthemainroadmulti-archtunnel支護類型初期支護C25噴射砼ф22組合錨桿鋼支撐厚度/cm位置長度/m間距/m位置型號間距/m二次襯砌C30鋼筋砼拱墻/cm仰拱/cm施工輔助措施LZ525拱墻 仰拱4.50.6拱墻工180.65555超前小導(dǎo)管或大管棚18拱墻 仰拱鋼格柵0.6LZ422拱墻3.51.0拱墻工161 4545超前錨桿LZ525拱墻 仰拱5.00.6拱墻工20b0.65555超前小導(dǎo)管或大管棚20拱墻 仰拱鋼格柵0.6LZ426拱墻4 1.0拱墻工181 5050超前錨桿 表中支護類型LZ5和LZ4分別對應(yīng)V級圍巖和IV級圍巖,其中LZ5型支護采用雙層初期支護。

2.3 模擬建模

采用有限差分軟件FLAC3D對多孔群體隧道進行建模，在主路隧道先建、輔路隧道后建的前提下，模擬主路連拱隧道和輔路隧道的各個施工步序并進行計算。

圍巖選取范圍以隧道中線為基準(zhǔn)，左側(cè)、右側(cè)各延伸到100 m，上部延伸到地表，下部延伸到輔路隧道仰拱底以下45 m；隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束；計算中，采用8節(jié)點6面體實體單元模擬圍巖、初期支護、臨時支護和中隔墻等。

金雞山隧道和羅漢山隧道各自獨立建模；同一座隧道對應(yīng)V級圍巖和IV級圍也分別建模。以下僅示出金雞山隧道對應(yīng)V級圍巖的部分計算模型，見圖2。

圖2 金雞山隧道部分計算模型(V級圍巖)Figure 2 Partial computational model for Jinjishan Tunnel (V rock)

金雞山多孔隧道V級圍巖計算模型總單元數(shù)為7154個，總節(jié)點數(shù)為14314。

3 計算結(jié)果與分析

模擬計算結(jié)果表明IV級圍巖均比V級圍巖有利，IV級圍巖相應(yīng)的初期支護承受的軸力較小、安全系數(shù)較大，圍巖也未見明顯的塑性區(qū)范圍。因此，以下僅對兩座隧道對應(yīng)V級圍巖的計算結(jié)果進行列舉和分析。

3.1 錨桿應(yīng)力

金雞山隧道錨桿應(yīng)力最大值為22.29 MPa(輔路隧道左洞內(nèi)側(cè)面)，羅漢山隧道錨桿應(yīng)力最大值為21.12 MPa(輔路隧道右洞內(nèi)側(cè)面)；主路隧道對應(yīng)的錨桿應(yīng)力最大值與各自的輔路隧道對比均相對較小。錨桿拉應(yīng)力最大值均在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。

3.2 主要施工步序位移

金雞山隧道當(dāng)主路連拱隧道先施工完畢時，位移以拱頂處最大，拱頂位移為6.3 mm，當(dāng)后建輔路隧道施工完畢時，輔路隧道拱頂最大位移為7.5 mm，而連拱隧道拱頂位移增大為8.0 mm；羅漢山隧道當(dāng)主路連拱隧道先施工完畢時，連拱隧道拱頂位移為6.5 mm，位移以拱頂處最大，當(dāng)后建輔路隧道施工完畢時，輔路隧道拱頂最大位移為7.0 mm，而連拱隧道拱頂位移增大為8.3 mm。以下僅示出金雞山隧道當(dāng)后建輔路隧道施工完畢時的位移云圖(V級圍巖)，見圖3。

圖3 金雞山隧道后建輔路隧道施工完畢時的位移云圖(V級圍巖)Figure 3 Displacement contour after the construction of the jinjishan relief road tunnel (V rock)

3.3 主要施工步序圍巖塑性區(qū)

兩座隧道的主路隧道及輔路隧道施工均會導(dǎo)致在隧道周邊一定范圍內(nèi)的圍巖出現(xiàn)塑性，后建輔路隧道使先建主路連拱隧道周邊圍巖塑性區(qū)有所擴大，但并不顯著。由于超前支護、初期支護及臨時支護措施充分發(fā)揮了作用，塑性區(qū)半徑均小于3 m。錨桿的設(shè)計長度均大于塑性區(qū)半徑，錨桿的設(shè)計是合理的。

3.4 初期支護內(nèi)力及安全系數(shù)

① 初期支護斷面劃分。

輔路隧道初期支護左右洞各劃分為22個斷面，通過分析這些斷面的初期支護內(nèi)力及安全系數(shù)變化情況，以評價隧道結(jié)構(gòu)的安全性。輔路隧道左右洞初期支護各個斷面與位置對應(yīng)關(guān)系見圖4。

圖4 輔路隧道初期支護斷面編號圖Figure 4 Section number diagram for the initial support of the relief road tunnel

主路連拱隧道初期支護左右洞共劃分為42個斷面，通過分析這些斷面的初期支護內(nèi)力及安全系數(shù)變化情況，以評價主路連拱隧道結(jié)構(gòu)的安全性。主路連拱隧道左右洞初期支護各個斷面與位置對應(yīng)關(guān)系見圖5。

圖5 主路連拱隧道初期支護斷面編號圖Figure 5 Section number diagram for the initial support of the main road multi-arch tunnel

② 初期支護軸力及安全系數(shù)。

表3和表4分別給出了金雞山隧道和羅漢山隧道初期支護軸力的最大值及其對應(yīng)的斷面位置，并給出了最小安全系數(shù)及其對應(yīng)的斷面位置。

兩座隧道的主路連拱隧道初期支護軸力最大值和安全系數(shù)最小值均發(fā)生在后建輔路隧道建成后。主路連拱隧道和輔路隧道初期支護彎矩值均較小，多數(shù)計算斷面為小偏心受壓，僅個別斷面為大偏心受壓。計算結(jié)果表明主輔路隧道初期支護各個計算斷面的混凝土應(yīng)力及安全性均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 金雞山隧道初期支護軸力最大值及安全系數(shù)最小值Table3 Maximumaxialforceandminimumsafetyfactorforthejinjishantunnelinitialsupport洞別主路連拱隧道輔路隧道左洞右洞左洞右洞軸力最大值/kN1723kN1475kN1470kN1282kN對應(yīng)位置21號斷面(中隔墻上部)22號斷面(中隔墻上部)16號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞中部)16號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞中部)安全系數(shù)最小值2.80(受壓控制)3.20(受壓控制)3.1(受壓控制)3.7(受壓控制)對應(yīng)位置21號斷面(中隔墻上部)22號斷面(中隔墻上部)18號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞下部)16號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞中部)

表4 羅漢山隧道初期支護軸力最大值及安全系數(shù)最小值Table4 Maximumaxialforceandminimumsafetyfactorfortheluohanshantunnelinitialsupport洞別主路連拱隧道輔路隧道左洞右洞左洞右洞軸力最大值/kN1700kN1681kN1221kN1395kN對應(yīng)位置21號斷面(中隔墻上部)22號斷面(中隔墻上部)17號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞中下部)16號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞中部)安全系數(shù)最小值2.80(受壓控制)2.80(受壓控制)3.6(受壓控制)3.5(受壓控制)對應(yīng)位置21號斷面(中隔墻上部)22號斷面(中隔墻上部)18號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞下部)16號斷面(內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞中部)

3.5 后建輔路隧道對已建主路連拱隧道造成的影響

表5給出了金雞山隧道和羅漢山隧道在輔路隧道修建前后主路連拱隧道代表斷面處內(nèi)力及安全系數(shù)大小的變化。表中A表示主路連拱隧道本身施工完成后階段，B表示后建輔路隧道施工完成后階段；斷面編號指主路連拱隧道，增量欄中正值表示增加，負值表示減小。

表5 金雞山和羅漢山輔路隧道修建前后主路連拱隧道內(nèi)力及安全系數(shù)變化Table5 Variationoftheinternalforceandsafetyfactorforthemainroadmulti-archtunnelbeforeandaftertheconstruc-tionofthejinjishanandluohanshanreliefroadtunnel隧道斷面編號軸力/kNAB增量/%彎矩/(kN.m)AB增量/%安全系數(shù)AB增量/%6-99-206108.67.66.4-15.710.521.2102.421-1645-17234.73.95.233.42.92.8-4.4金雞山隧道22-1407-14754.80.61.4147.53.43.2-4.536-228-35355.2-2.8-4.352.920.913.5-35.537-101-20299.86.75.6-16.414.422.0536-76-15298.676.3-9.89.526172.97-203-29444.9-2.1-2.833.723.616.3-30.9羅漢山隧道21-1644-17003.51.929.72.92.8-3.322-1626-16813.43.14.339.12.92.8-3.237-145-24166.48.77.7-11.813.717.930.7

由表中數(shù)據(jù)對比可知: 后建輔路隧道的修建會對已建主路連拱隧道初期支護受力產(chǎn)生明顯不利影響。輔路隧道建成后使得已建主路連拱隧道初期支護軸力均增大，受影響顯著的均是主路連拱隧道左右洞仰拱中部的6號及37號斷面，金雞山主路隧道在這兩處斷面的軸力均增大為原來的2倍左右，而羅漢山主路隧道在這兩處斷面的軸力在輔路隧道修建后分別增大了98.6%和66.4%；計算結(jié)果表明，主路連拱隧道除個別斷面由原來的受拉控制轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌嚎刂?、安全系?shù)有所增大外，總體上看，由于后建輔路隧道的修建導(dǎo)致了主路連拱隧道初期支護安全系數(shù)減小，金雞山隧道減小最大值為35.5%，羅漢山隧道減小最大值為30.9%，說明后建輔路隧道的修建對已建成的主路連拱隧道影響是不可忽視的。

3.6 加強后建輔路隧道支護措施的必要性

以上表述和計算中“已建主路隧道”或“主路連拱隧道施工完畢”是指在V級圍巖段，主路隧道第一層初期支護(噴層厚度25 cm)施作完成并待臨時支護內(nèi)力及圍巖變形基本穩(wěn)定后拆除臨時側(cè)壁時的狀況，“后建輔路隧道施工完成”的含義也是如此。

但由于①主輔路隧道所形成的“小凈距+連拱+小凈距”多孔群體隧道在國內(nèi)十分罕見，未能找到可參照的工程實例， ②巖土及隧道支護結(jié)構(gòu)受力相當(dāng)復(fù)雜， ③承包商施工有時達不到設(shè)計要求的理想狀態(tài)， ④后建輔路隧道對已建主路隧道的力學(xué)影響較為顯著，后建輔路隧道的施工安全對主路隧道而言十分重要，因此，加強后建輔路隧道支護措施非常必要。首先，V級圍巖段的輔路隧道采用了雙層初期支護，要求在第一層初期支護施作完成后，待臨時支護內(nèi)力及圍巖變形基本穩(wěn)定后拆除臨時側(cè)壁，拆除過程中應(yīng)密切監(jiān)控變形及洞內(nèi)支護內(nèi)力等量測數(shù)據(jù)，如有突變應(yīng)立即停止拆除，并且要求一次拆除距離不得大于2 m，一次拆除結(jié)束后要求立即施作第二層初期支護，再者，要求輔路隧道施工應(yīng)執(zhí)行地質(zhì)預(yù)測方案，通過必要的動態(tài)設(shè)計以使隧道支護結(jié)構(gòu)更加適應(yīng)于圍巖實際情況，隧道施工過程中如發(fā)現(xiàn)圍巖狀況與地勘資料差異明顯時，設(shè)計單位應(yīng)按預(yù)案要求及時進行加強超前支護或增加初期支護厚度等措施的變更設(shè)計。

4 結(jié)語

a. 采用有限差分軟件FLAC3D在主路隧道先建、輔路隧道后建情況下，對主輔路隧道各施工步序進行模擬計算，計算結(jié)果表明: ①錨桿拉應(yīng)力在設(shè)計要求范圍內(nèi)； ②V級圍巖條件下，隧道各施工步序?qū)?yīng)的塑性區(qū)半徑不超過3.0 m，通過超前支護和系統(tǒng)錨桿可以改善圍巖強度；Ⅳ級圍巖條件下，隧道各施工步序沒有形成塑性區(qū)； ③主輔路隧道初期支護各個斷面的受力及安全性均滿足要求。相關(guān)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)以及隧道的順利建成通車表明隧道的設(shè)計和計算是合理的。

b. 輔路隧道和主路隧道不能分開獨立計算，應(yīng)考慮多孔群體隧道的相互影響。計算結(jié)果表明，V級圍巖條件下后建輔路隧道的修建使已建主路連拱隧道個別斷面初期支護軸力增大為原來的兩倍，安全系數(shù)降低35.5%，拱頂位移增大1.8 mm，后建輔路隧道的修建給已建主路連拱隧道帶來的影響是不可忽視的。

c. 主輔路隧道所形成的“小凈距+連拱+小凈距”多孔群體隧道在國內(nèi)十分罕見，未能找到可參照的工程實例，后建輔路隧道會對已建主路隧道造成明顯不利影響，后建輔路隧道的施工安全對已建主路隧道而言十分重要，適當(dāng)加強后建輔路隧道的支護措施是必要的。再者，也要求隧道施工應(yīng)執(zhí)行地質(zhì)預(yù)測方案，通過必要的動態(tài)設(shè)計以使隧道支護結(jié)構(gòu)更加適應(yīng)于圍巖實際情況，并使隧道施工更加安全。

[1] JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JTG/TD70-2010，公路隧道設(shè)計細則[S].

[3] JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 吳明先，趙永國，楊彥民.單洞四車道特大斷面公路隧道設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)[J].公路，2009(10)：317-322.

Some Analyses of the Design for Jinjishan Tunnel and Luohanshan Tunnel on the Third Ring Road in Fuzhou

XIE Qi

(Fuzhou Planning Desin and Research Institude，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350003，China)

The main road tunnel and relief road tunnel of Jinjishan Tunnel and Luohanshan Tunnel on the Third Ring Road in Fuzhou are located side by side and present the nationwide rare group tunnels consisting of the neighborhood tunnel，multi-arch tunnel and neighborhood one，and the relief road tunnel was constructed after the main road tunnel. This article introduces the general situation of the project，analyzes the model building for the porous group tunnels and the relational computed results with the simulation for their each construction step，discusses the adverse effect that the completed main road tunnel was impacted by the relief road tunnel constructed after，clarifies the necessity of strengthening the supporting measures applied to the relief road tunnel constructed after.

group tunnels； relief road tunnel constructed after； design； analyze

2016 — 03 — 08

謝 琪(1965 — )，男，福建龍巖人，教授級高級工程師，從事橋梁隧道工程研究及設(shè)計工作.

U 452.2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0139 — 05