基于數(shù)值分析的大跨度隧道拓寬沉降規(guī)律研究

劉慶斌（廈門市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心，廈門361000）

基于數(shù)值分析的大跨度隧道拓寬沉降規(guī)律研究

劉慶斌
（廈門市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心，廈門361000）

基于福州二環(huán)路金雞山隧道擴(kuò)建工程，采用有限元分析軟件，針對(duì)金雞山四車道隧道拓寬兩個(gè)開(kāi)挖方案進(jìn)行沉降研究，得出隧道各部位沉降關(guān)系曲線。通過(guò)分析不同工況下隧道各部位的相互影響，并和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)大斷面隧道開(kāi)挖沉降規(guī)律，提出工程建設(shè)措施和建議，為類似工程建設(shè)提供參考。

大跨度隧道拓寬沉降規(guī)律監(jiān)控量測(cè)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量增長(zhǎng)迅速，一些修建年代久遠(yuǎn)的公路、甚至是高速公路由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，滿足不了現(xiàn)有交通需求，影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要改擴(kuò)建才能達(dá)到相匹配的服務(wù)水平。改擴(kuò)建的形式主要有既有單線隧道改建，既有單線隧道擴(kuò)建為雙線或多線隧道，以及既有單線隧道改建并增建復(fù)線隧道，目前國(guó)內(nèi)外隧道拓寬案例有廈門大帽山隧道，浙江新嶺隧道，鞍山玉佛山隧道；日本天王山隧道、大藏隧道等。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者和研究人員針對(duì)隧道改擴(kuò)建也開(kāi)展了大量研究，繆圓冰[1]針對(duì)連拱隧道中墻及二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并提出加強(qiáng)措施；唐穎[2]針對(duì)特大跨度連拱隧道設(shè)計(jì)提出施工方法的分析，陳瀟洋[3]針對(duì)城市大跨小凈距隧道原位擴(kuò)建工程施工力學(xué)進(jìn)行分析，李健[4]針對(duì)既有隧道改擴(kuò)建工程的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了研究。以上研究?jī)?nèi)容偏重于結(jié)構(gòu)和安全性分析，對(duì)于隧道拓寬的沉降規(guī)律等暫無(wú)涉及。本文以金雞山隧道擴(kuò)建為例，基于有限元分析和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將工程可行性研究階段k0+ 680和k0+800典型斷面的兩個(gè)對(duì)比開(kāi)挖方案進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)隧道各部位的沉降規(guī)律，提出工程建設(shè)措施和建議，為類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

金雞山隧道位于福州市城市主干道二環(huán)路東北段，主洞隧道于1995年建成通車，設(shè)計(jì)行車速度50km/h，其平面呈分離雙洞布置，按單洞兩車道設(shè)計(jì)，行車道寬度為2×3.5=7m，雙洞中心距離約38m，隧道長(zhǎng)約577m。隧道東洞口緊接鶴林高架橋，與橋臺(tái)的最小距離約64m。2005年在隧道的北側(cè)約30m處又修建了一座雙向混行的行人和非機(jī)動(dòng)車隧道，其路面凈寬約6.5m，隧道長(zhǎng)約605m，。目前二環(huán)現(xiàn)狀兩個(gè)主要的交通瓶頸就是金雞山隧道和象山隧道，兩者均為雙向4車道，與全線8車道嚴(yán)重不匹配。東二環(huán)目前日交通流量達(dá)到14萬(wàn)PCU/D，金雞山隧道高峰小時(shí)流量達(dá)6400PCU/H，高峰嚴(yán)重?fù)矶?。同時(shí)，金雞山隧道從建成至今已有16年，由于材料老化及當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)施工水平等原因，隧道局部出現(xiàn)混凝土剝落及二次襯砌完全脫空，從重慶公路工程檢測(cè)中心提供的《試驗(yàn)檢驗(yàn)報(bào)告》（2007年）[5]檢測(cè)結(jié)果看：不同程度的病害已嚴(yán)重影響隧道的結(jié)構(gòu)安全及正常使用，因此，金雞山隧道急需進(jìn)行拓寬改造，拓寬斷面由原來(lái)的寬10.9m增加到18.8m，輪廓高度由原來(lái)的9.4m增加到13.0m，左右洞中線距離由37.65m至38.55m變?yōu)?2.60至32.60m。拓寬平面及典型斷面見(jiàn)圖1～3。

圖1 隧道拓寬與既有隧道關(guān)系圖

圖2 K0+680里程處拓寬斷面圖

圖3 K0+800里程處拓寬斷面圖

2 地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

金雞山隧道地處福州北部北東走向的大夢(mèng)山—鐵坑山—金雞山斷裂北側(cè)相距0.5km，該斷裂為壓扭性力學(xué)結(jié)構(gòu)面，隧道區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局主要受該斷裂帶影響，花崗巖體風(fēng)化構(gòu)造線走向多呈北東向，均已被后期侵入的正長(zhǎng)斑巖及基性輝綠玢巖脈所填充。

2.2 水文地質(zhì)、工程地質(zhì)

隧道所在區(qū)域內(nèi)沒(méi)有明顯地表水，僅在局部山谷（K0+480和K0+620）西南側(cè)存在兩條山間溝谷，多數(shù)情況下為干涸狀況。隧道洞身基本處于13○中風(fēng)化粗粒花崗巖、13○1中風(fēng)化花崗斑巖和13○2中風(fēng)化輝綠巖中，圍巖等級(jí)為Ⅳ-Ⅴ級(jí)。拓寬段在K0+460-K0+470、K0+640-K0+ 800段擬建隧道洞底上方15～20m處存在多個(gè)人防工程。

3 有限元模擬結(jié)果分析

3.1 有限元模型建立

隧道開(kāi)挖模擬分析采用midas NX分析軟件，基于地層結(jié)構(gòu)分析法，沿結(jié)構(gòu)縱向取1m長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面分析，針對(duì)大跨度小凈距隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，著重對(duì)圍巖位移場(chǎng)、塑性區(qū)分布及變化、洞頂人防工程豎向位移變化等情況進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

有限元計(jì)算模型如圖4、5所示。根據(jù)提供的巖土工程勘察報(bào)告，提取相關(guān)參數(shù)，各地層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)取值如表1、2所示。圍巖采用平面應(yīng)變單元，本構(gòu)模型為Drucker－Prager模型；由于分析施工階段，因此只考慮初支及臨時(shí)支護(hù)的作用，二襯未參與分析。用剛度等效方法模擬初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)里的噴混和鋼支撐，用梁?jiǎn)卧M。

圖4 K0+680典型斷面有限元模型

圖5 K0+800典型斷面有限元模型

表1 隧道襯砌支護(hù)參數(shù)

表2 支護(hù)計(jì)算參數(shù)表

3.2 開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案

在K0+680里程處2種不同方案開(kāi)挖順序見(jiàn)圖6、7，臨時(shí)支撐采用14號(hào)工字鋼，根據(jù)施工中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，原來(lái)為弧形的工字鋼調(diào)整為豎直和水平支撐。在模型建立階段按照剛度等效為厚度混凝土10cm。當(dāng)右洞開(kāi)挖完畢后，拆除右洞臨時(shí)支撐。

圖6 K0+680典型斷面原開(kāi)挖方案施工步驟示意圖

圖7 K0+680典型斷面新開(kāi)挖方案施工步驟示意圖

圖8 K0+800典型斷面開(kāi)挖原方案施工步驟示意圖

圖9 K0+800典型斷面新開(kāi)挖方案施工步驟示意圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，選取左右洞拱頂、拱腰及拱底幾個(gè)典型特征點(diǎn)，根據(jù)各個(gè)開(kāi)挖階段沉降數(shù)據(jù)繪制曲線如下：

圖10 K0+680里程處右洞拱頂開(kāi)挖沉降曲線圖

圖11 K0+680里程處右洞拱腰開(kāi)挖沉降曲線圖

圖12 K0+680里程處右洞拱底處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖13 K0+680里程處左洞拱頂處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖14 K0+680里程處左洞拱腰處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖15 K0+680里程處左洞拱底處開(kāi)挖沉降曲線圖

從圖10可看出，兩個(gè)開(kāi)挖方案拱頂?shù)内厔?shì)與沉降值基本一致，原開(kāi)挖方案最大沉降量為4.7mm，新開(kāi)挖方案為4.6mm，隧道施工過(guò)程中，開(kāi)挖階段沉降約占總沉降量的75%~78%，拆除臨時(shí)支護(hù)后沉降增加約25%~30%，但總體沉降量較少。施工過(guò)程中除應(yīng)控制好開(kāi)挖過(guò)程中的沉降外，拆臨時(shí)支護(hù)后，二襯應(yīng)及時(shí)制作，并加強(qiáng)對(duì)拱頂沉降的監(jiān)控量測(cè)。

從圖11可看出，右洞拆除臨時(shí)支護(hù)后，原開(kāi)挖和新開(kāi)挖方案拱腰處位移都增大約1mm，且新開(kāi)挖方案拱腰處位移比原開(kāi)挖方案的位移大，新開(kāi)挖方案待左洞臨近右洞側(cè)開(kāi)挖支護(hù)完畢后，右洞拱腰處位移有明顯的減小，說(shuō)明左洞頂部強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)度后，可有效的減小側(cè)向土壓力。

從圖12可看出，右洞初始開(kāi)挖階段，因新開(kāi)挖方案先開(kāi)挖左右側(cè)土體，對(duì)拱底沉降作用不明顯，到第八工況左洞開(kāi)挖時(shí)，右洞拱底的位移有明顯增加，說(shuō)明左洞土體的側(cè)壓力對(duì)于右洞拱底沉降有顯著影響，開(kāi)挖時(shí)應(yīng)盡快做好左洞的支護(hù)，避免對(duì)右洞的影響。原開(kāi)挖方案中，在拆除右洞臨時(shí)支護(hù)時(shí)位移有較大突變，當(dāng)左洞支護(hù)完成后，對(duì)右洞拱底的影響逐漸減小。

通過(guò)對(duì)比分析，可以看出靠近左洞右半側(cè)的支護(hù)施做對(duì)于右洞位移減小有明顯的影響，因此在施工中應(yīng)先做好開(kāi)挖左洞右側(cè)部分的支護(hù)，保證右洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

從圖13可看出，左洞開(kāi)挖順序不同對(duì)于拱頂?shù)挠绊懖淮?，與右洞拱頂類似，通過(guò)對(duì)比分析，可以看出靠近左洞右半側(cè)的支護(hù)施做對(duì)于右洞位移減小有明顯的影響，因此在施工中應(yīng)先做好開(kāi)挖左洞右側(cè)部分的支護(hù)，保證右洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

從圖14可看出，左洞拱腰處在右洞臨時(shí)支撐拆除時(shí)有較大影響，原方案與新方案最終沉降量大約一致，特別是新開(kāi)挖方案中，右洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后對(duì)左洞拱腰處沉降影響較大，應(yīng)及時(shí)施做左洞處靠右側(cè)的支護(hù)。

從圖15可看出，原開(kāi)挖方案拱底最大沉降為6.0mm，新開(kāi)挖方案為3.2mm，因此及時(shí)施做頂部的襯砌對(duì)于降低拱底的沉降有明顯作用。

圖16 K0+800里程處右洞拱頂處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖17 K0+800里程處右洞拱腰處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖18 K0+800里程處右洞拱底處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖19 K0+800里程處左洞拱頂處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖20 K0+800里程處左洞拱腰處開(kāi)挖沉降曲線圖

圖21 K0+800里程處左洞拱底處開(kāi)挖沉降曲線圖

從圖16可看出，與K0+680斷面拱頂趨勢(shì)一致，說(shuō)明開(kāi)挖方式變化對(duì)于拱頂影響較小。

從圖17可看出，新開(kāi)挖方案下右洞拱腰最終沉降量為5.5mm，原開(kāi)挖方案為5.0mm，，工況1-7的沉降占總沉降比的80%，說(shuō)明在施工中要遵循“短進(jìn)尺，快封閉”的原則，達(dá)到控制圍巖變形的目的。

從圖18可看出，左洞頂部的開(kāi)挖對(duì)于右洞拱底的沉降有較大影響，沉降由3.2mm增加到6.2mm，占總沉降的50%，原方案和新方案最終沉降量大致相同。

從圖19可看出，右洞穩(wěn)定后，左洞拱頂沉降隨開(kāi)挖工況緩慢增加，從4.5mm增加到6.2mm，頂部開(kāi)挖階段的沉降占最終沉降的72%。且原方案和新方案最終沉降量大致相同，說(shuō)明開(kāi)挖方式對(duì)拱頂沉降影響不大，與k0+ 680斷面趨勢(shì)一致。

從從圖20可看出，左洞拱腰沉降隨開(kāi)挖工況緩慢增加，從3.5mm增加到5.0mm，頂部開(kāi)挖階段的沉降占最終沉降的70%。且原方案和新方案最終沉降量大致相同，說(shuō)明開(kāi)挖方式對(duì)拱腰沉降影響不大。

從圖21可看出，左洞拱底在第9工況下原方案和新方案有較大差別，說(shuō)明預(yù)先開(kāi)挖左洞右側(cè)對(duì)拱底的沉降影響較小。

3.4 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

鑒于k0+680，k0+800里程右洞處無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)《金雞山隧道監(jiān)控量測(cè)報(bào)告》[8]提供的數(shù)據(jù)，選取左洞處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。Zk0+680斷面無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取臨近的Zk0+643斷面作為對(duì)比，根據(jù)報(bào)告數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)沉降量約為7.35mm，模擬分析沉降量約為7.0mm，；同理Zk0+800處取Zk0+803斷面作為對(duì)比，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)約為6.0mm，模擬分析沉降量約為6.2mm，誤差較小，鑒于數(shù)據(jù)及沉降趨勢(shì)與模擬相符合，說(shuō)明模擬數(shù)據(jù)較為真實(shí)客觀。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元軟件midas NX開(kāi)展兩種不同開(kāi)挖方案下隧道各個(gè)部位的沉降規(guī)律分析。結(jié)論與建議如下：

（1）拱頂沉降與開(kāi)挖方式無(wú)關(guān)，隧道拱頂沉降以開(kāi)挖階段沉降為主，約占70%~80%，施工中應(yīng)做好監(jiān)控量測(cè)。

（2）左洞頂部的開(kāi)挖對(duì)右洞拱腰、拱底有較大影響，應(yīng)先開(kāi)挖左洞右側(cè)土體，做好支護(hù)左洞右側(cè)的支護(hù)，有利于減小右洞拱腰、拱底的位移。

（3）右洞拱腰處新開(kāi)挖方案拱腰處位移比原開(kāi)挖方案的位移大，說(shuō)明先支護(hù)周邊巖土體后開(kāi)挖可有效的減小側(cè)向土壓力。

（4）隧道頂部人防工程沉降在控制范圍內(nèi)，為整體沉降，無(wú)不均勻沉降，對(duì)金雞山隧道影響較小，說(shuō)明施工措施得當(dāng)。

（5）左右洞拆除臨時(shí)支護(hù)后各部位位移有較大增加，臨時(shí)支護(hù)及初支內(nèi)力較大，主要受力不利點(diǎn)位于拱頂、仰拱拱腳及初支、臨時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)處，施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這幾個(gè)部位的監(jiān)控量測(cè)，可以考慮設(shè)置大拱腳或加設(shè)型鋼牛腿等措施。

[1]繆圓冰.雙向8車道連拱隧道中墻及二襯結(jié)構(gòu)分析[J].公路隧道，2011（3），25-29.

[2]唐穎.金雞山特大跨度連拱隧道設(shè)計(jì)[J].公路，2007（8），216-220.

[3]陳瀟洋.城市大跨小凈距隧道原位擴(kuò)建工程施工力學(xué)分析[M].重慶大學(xué)碩士畢業(yè)論文.

[4]李健，李昕.既有隧道改擴(kuò)建工程結(jié)構(gòu)安全性研究.[J].公路隧道，2013（1），7-11.

[5]重慶公路工程檢測(cè)中心.金雞山隧道試驗(yàn)檢驗(yàn)報(bào)告.2007.

[6]劉建光.蕪湖鐵路樞紐改擴(kuò)建方案探討[J].鐵路工程學(xué)報(bào)，2011（10）101-105.

[7]陳七林.金雞山隧道拓寬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].福建建筑，2014（9），79-86.

[8]福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司福州市二環(huán)路金雞山隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目部.福州市二環(huán)路金雞山隧道監(jiān)控量測(cè)簡(jiǎn)報(bào).［JKLC-JJS-001］－［JKLC-JJS-020］.