非對稱開挖下雙連拱隧道變形三維數(shù)值模擬分析

林立華

(廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361026)

1 概述

雙連拱隧道具有適用于地形狹窄區(qū)域、節(jié)約土體、接線順暢、減少工程量等優(yōu)點，在國內(nèi)多個市政公路工程中被采用。同時，其相對于單拱隧洞又存在開挖面大、圍巖變形難以控制、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等難題。傳統(tǒng)的雙聯(lián)拱隧道大多為對稱結(jié)構(gòu)，主要采用對稱開挖方式。黃章君[1]研究了雙連拱隧道施工中的地表沉降問題，提出對稱開挖時大斷面雙連拱隧道施工變形控制技術(shù)。楊濤等[2]從圍巖條件特殊性出發(fā)，對雙聯(lián)拱隧道對稱施工的導(dǎo)洞開挖與支護、主洞開挖與支護及中隔墻基底處理和混凝土澆筑等方面，提出了施工技術(shù)要點。楊奎等[3]通過數(shù)值模擬研究對稱施工的明暗挖隧道轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)靜力相應(yīng)及中隔墻動力響應(yīng)，提出了轉(zhuǎn)換過程中主動和中隔墻動力響應(yīng)的變化規(guī)律。李登科[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法對對稱施工過程中大斷面雙連拱隧道沉降變形進行分析，并提出預(yù)測方法。Jia Yanling等[5]通過模型試驗和數(shù)值模擬，研究從單拱隧道擴展中間先導(dǎo)頭構(gòu)造的雙拱形隧道的力學(xué)性能，分析隧道擴建過程中地表沉降、圍巖應(yīng)力、中隔墻和襯砌應(yīng)力和應(yīng)變的變化特征，及左右隧道間的應(yīng)力和應(yīng)變傳遞機理。部分學(xué)者[6-8]還利用三維數(shù)值模型，嘗試分析連拱隧道對稱開挖過程中各洞及中墻的受力和變形特性。

除對稱結(jié)構(gòu)外，部分雙連拱隧道結(jié)構(gòu)存在不對稱情況，為了保證工程安全，在施工工法上仍主要采取對稱開挖的方法，即開挖從中導(dǎo)洞開始。通過三維連續(xù)介質(zhì)分析方法，周勇[9]、聶雄[10]、陳秋南[11]研究了對稱開挖過程中非對稱結(jié)構(gòu)聯(lián)拱隧道及襯砌結(jié)構(gòu)的受力不對稱和變形不對稱特征，并提出了優(yōu)化以及位移預(yù)測方法，給隧道的設(shè)計和施工提供了參考。此外，趙陽[12]、Liu Chan[13]對偏壓淺埋連拱隧道通過有限元從靜力和動力等角度進行了三維分析，其本質(zhì)上仍屬于連拱隧道的結(jié)構(gòu)不對稱性問題。研究表明，其圍巖塑性區(qū)分布的非對稱特征問題更為突出，且部分仰拱和襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了拉應(yīng)力。在對受力、變形以及地下水問題研究的基礎(chǔ)上，Wang Shuren[14]、Li Jun[15]、Bao Jin[16]、Sun Shaorui[17]等從連拱隧道整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析多拱形態(tài)特征，對多拱隧道的加固設(shè)計和施工安全提出建議。

然而，在特殊地形和周邊環(huán)境下，雙聯(lián)拱隧道常無法進行對稱開挖施工，必須采用非對稱開挖形式，而非對稱開挖的連拱隧道在施工過程中的力學(xué)響應(yīng)又異常復(fù)雜，隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)變形預(yù)測與控制難度極大。廈門海滄海底隧道由于地形所限，需采用非對稱開挖施工方法，給方案論證和施工組織帶來了很大困難。本文借助三維數(shù)值模擬技術(shù)，對廈門海滄海底隧道雙連拱段開挖引起的變形進行分析預(yù)測，論證非對稱開挖形式的合理性，并結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，所得結(jié)論可為今后同類型工程施工提供參考。

2 工程概況

廈門海滄海底隧道雙連拱段位于廈門海滄海底隧道A2標(biāo)段興湖路地下互通段，隧道位于主線與B、C匝道的交叉口、加減速車道及其漸變段上，車道寬度全線漸變。左線車道最大寬度為15.46m，右線車道最大寬度為16.044m。雙線跨度41.01m～45.73m，單線最大跨度22.82m(SJ4斷面)，左右線最大寬度均超過四車道，該段采用復(fù)合式連拱隧道。連拱隧道總長160m。隧道最大埋深約12.9m，最小埋深約5.8m，屬超淺埋短隧道。連拱隧道采用三層襯砌類型，初期支護由型鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)和C25噴射混凝土組成，二襯(初支加強層)由格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)和C25噴射混凝土組成，三次襯砌采用C45防水鋼筋混凝土，導(dǎo)坑側(cè)壁采用噴錨和工字鋼進行支護；中導(dǎo)洞初期支護由導(dǎo)管、藥卷錨桿、工字鋼、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土組成。

該段地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道洞頂以雜填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖、砂礫狀強風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖等為主，洞身段基巖面起伏較大，圍巖為V級，拱頂圍巖自穩(wěn)能力差、變形快，而且施工影響波及地表，在對連拱隧道結(jié)構(gòu)支護參數(shù)、超前支護以及施工工序的確定中，提高結(jié)構(gòu)的承載力和控制地表沉降是關(guān)鍵。

3 物理模型及數(shù)值分析

3.1 基本假設(shè)

為了合理簡化計算，采用以下假設(shè)：① 模擬分析中為簡化計算模型，采用提高材料參數(shù)后的實體單元代替原有圍巖，對管棚注漿區(qū)、地表注漿加固進行模擬，從而獲得支護結(jié)構(gòu)及圍巖的位移和受力特征；②該隧道屬于超淺埋隧道，因此初始地應(yīng)力不考慮構(gòu)造應(yīng)力，自重應(yīng)力通過FLAC-3D初始地應(yīng)力平衡獲得；③圍巖本構(gòu)模型選取最通用的摩爾-庫倫(model mohr)彈塑性本構(gòu)模型。該模型適用于土體、巖石等松動或膠結(jié)的粒狀材料，不考慮土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。中隔墻和襯砌單元采用彈性模型；④因為對鋼拱架的模擬較為困難，通過等效的方法，假設(shè)將鋼拱架彈性模量的貢獻折算到襯砌的彈性模量上。

3.2 計算模型

選取超淺埋洞口段里程BYK16+948～YK16+968處為計算斷面建立模型，本段為單線最大跨度SJ4斷面處，計算埋深取6.8m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工。建模范圍考慮由于邊界效應(yīng)的計算誤差，模型在隧道洞身橫斷面方向每側(cè)約取大于2倍洞寬，隧道軸線方向取實際長度20m，底部厚度約取大于1倍洞高，向上取實際埋深。模型左右設(shè)橫向約束，前后設(shè)縱向約束，底部設(shè)豎向約束，上部為自由邊界。模型尺寸高53.97m，寬174m，長20m，采用solid六面體實體單元，共有177520個單元，189777個節(jié)點。整體計算模型如圖1(a)所示，隧道局部模型如圖1(b)所示。

(a) 隧道整體模型

(b) 隧道局部模型圖1 隧道計算模型

3.3 計算參數(shù)選擇

數(shù)值計算結(jié)果的可靠性很大程度上依賴于計算模型的巖體力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型和邊界條件選取的可靠性與合理性。在工程穩(wěn)定性分析中，力學(xué)參數(shù)的選取會對計算結(jié)果產(chǎn)生重大影響，甚至有可能得出無法接受的計算結(jié)果。基于本計算的基本假設(shè)、《公路隧道設(shè)計規(guī)范》及計算分析，巖土體及隧道材料的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 巖土體參數(shù)

表2 隧道材料參數(shù)

3.4 計算步驟

雙連拱隧道與單洞隧道的最大區(qū)別在于其有中隔墻作為連體結(jié)構(gòu)將兩側(cè)洞身相連，施工方法與單洞隧道有所差異。為保證雙連拱隧道開挖安全，常采用多導(dǎo)坑形式的分步開挖法，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、上下臺階法等。尤其是在大跨度的雙連拱隧道施工中的施工工序比較復(fù)雜，對圍巖的擾動次數(shù)較多，導(dǎo)致圍巖、支護結(jié)構(gòu)和中隔墻的應(yīng)力變化復(fù)雜，詳細(xì)分析施工過程中各施工步序?qū)Υ罂缍?、連拱隧道受力狀態(tài)的影響格外重要。本次計算模擬了隧道實際施工過程，詳細(xì)分析了大跨度的雙連拱隧道在開挖過程中隧道圍巖的位移場變化和支護結(jié)構(gòu)的受力情況等。

廈門海滄隧道開挖面如圖2(a)所示。本次雙連拱隧道施工中，將隧道斷面劃分為0號中導(dǎo)洞，1～6號洞及其下導(dǎo)洞，隧道開挖面標(biāo)記如圖2(b)所示。

(a) 隧道開挖面

(b) 隧道部分標(biāo)記圖2 隧道開挖步序

雙連拱隧道開挖步序共簡化為以下14步，如表3所示。對于單元的挖除，通過model null命令賦予該部分單元空白材料參數(shù)來實現(xiàn)。

表3 雙連拱隧道開挖步序

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于隧道開挖過程中所產(chǎn)生的位移變化一般比應(yīng)力變化更加直觀、容易地被測量和控制，因此對計算過程中的位移變化進行分析。

(1)右線1、2部分及中導(dǎo)洞的開挖與支護(包含step1、2、3、4)。開挖右線1號洞,施作初期支護、臨時仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯，開挖并支護0號中導(dǎo)洞；澆筑中隔墻。計算結(jié)果見圖3、4。由圖3分析可得，右線1號洞開挖后洞周位移場與普通單洞小跨度隧道類似，由于隧道埋深較淺，1號洞上方影響區(qū)一直擴散至地表，1號洞底部受地應(yīng)力作用有明顯隆起趨勢，此階段應(yīng)及時施作臨時仰拱，控制1號洞底部的進一步變形。此階段1號洞上下部為變形最大部位，拱頂最大豎向位移1.82mm，洞底4.04mm；拱頂最大水平向位移1.29mm，洞底0.87mm。因此監(jiān)控量測需在拱頂和臨時仰拱處布置測點，嚴(yán)密監(jiān)控施工過程中拱頂沉降和臨時仰拱隆起的變化和發(fā)展，從而確保1號洞安全開挖，控制變形。0號中導(dǎo)洞開挖后，拱頂沉降3.12mm左右，拱底隆起7.16mm左右，此步應(yīng)及時將中導(dǎo)洞支護閉合成環(huán)，保證洞底鋼花管注漿質(zhì)量，控制中導(dǎo)洞進一步變形。中隔墻澆筑后，由于模擬計算軟件認(rèn)為中隔墻與上下圍巖完全貼合，所以0號中導(dǎo)洞周邊位移場無明顯變化，但應(yīng)注意洞底隆起的影響，注意中隔墻基底 找平和中隔墻上方回填等關(guān)鍵步驟，保證中隔墻與圍巖的貼合。

(a)豎直位移

(b)水平位移圖3 step2開挖后位移場

(a)豎直位移

(b)水平位移圖4 step3中隔墻澆筑后位移場

(2)step4、5、6。開挖右線2號洞，施作初期支護、臨時仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯；破除右線中導(dǎo)洞初支，回填右線側(cè)中導(dǎo)洞，開挖右線3號洞,施作初期支護、臨時仰拱及二襯；破除左線中導(dǎo)洞初支，回填左線側(cè)中導(dǎo)洞，開挖左線4號洞，施作初期支護、臨時仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯。右線2號洞開挖后，2號洞拱頂沉降8.15mm左右，2號洞拱底隆起7.29mm左右，導(dǎo)坑側(cè)壁對底部隆起有明顯的控制作用，導(dǎo)坑側(cè)壁的臨時支撐對1號、2號洞的穩(wěn)定有貢獻，施工過程中應(yīng)注意對導(dǎo)坑側(cè)壁的保護，盡量減少對導(dǎo)坑側(cè)壁的擾動與破壞。2號洞右上方出現(xiàn)3.0mm左右的水平位移，此處和拱頂、拱底是監(jiān)控量測應(yīng)密切注意的部位。右線3號洞開挖后，2號洞拱頂沉降、拱底隆起變化不大，2號洞拱頂最大豎向位移為9.19mm，洞底為8.18mm，兩處導(dǎo)坑側(cè)壁的臨時支撐作用貢獻明顯。3號洞開挖及右線側(cè)中導(dǎo)洞回填后，3號洞拱頂最大水平位移2.72mm，中隔墻最大水平位移2.22mm，3號洞的臨時仰拱和中隔墻的水平位移有擴大趨勢，因此應(yīng)及時進行左線側(cè)中導(dǎo)洞回填，以抵消中隔墻兩側(cè)的不平衡力的作用，條件允許時應(yīng)同步進行右線3號洞、左線4號洞的開挖和中導(dǎo)洞兩側(cè)的回填。

(a)豎向位移

(b)水平位移圖5 step5開挖后位移場

(3)step7、8、9、10、11。開挖左線5號洞,施作初期支護、臨時仰拱、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯；開挖左線6號洞,施作初期支護、臨時仰拱及二襯；開挖右線1號洞下導(dǎo)洞,施作初期支護、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯；開挖右線3號洞下導(dǎo)洞,施作初期支護、導(dǎo)坑側(cè)壁；開挖右線2號洞下導(dǎo)洞,破除右線導(dǎo)坑側(cè)壁，施作右線三襯。左線5號洞開挖后，變形量與右線3號洞開挖后的變形量相差無異，由于隧道埋深較淺，5號洞上方影響區(qū)一直擴散至地表。左線6號洞開挖支護后，對比左右線豎直位移可以發(fā)現(xiàn)右線上方的沉降和下方的隆起比左線范圍稍大，右線上方的水平位移也比左線要大一些，由此可以看出，先開挖的導(dǎo)洞周邊圍巖受到的影響大于后開挖導(dǎo)洞的周邊圍巖。右線1號洞下導(dǎo)洞、右線3號洞下導(dǎo)洞的開挖對右線拱頂沉降影響不大，豎直位移無明顯發(fā)展，但上導(dǎo)洞和下導(dǎo)洞的導(dǎo)坑側(cè)壁搭接后，兩處上導(dǎo)洞導(dǎo)坑側(cè)壁的水平位移由2mm左右增至3mm左右。

(a)豎直位移

(b)水平位移圖6 step6開挖后位移場

(a)豎向位移

(b)水平位移圖7 step10開挖后位移場

右線導(dǎo)坑側(cè)壁破除后，右線整個隧洞上下變形明顯，右線拱頂處位移達(dá)到18mm左右，拱底隆起達(dá)10mm左右，水平位移最大值分別出現(xiàn)在中隔墻上方和遠(yuǎn)離中隔墻一側(cè)的邊墻處，由此可以看出兩處導(dǎo)坑側(cè)壁對整個右線隧洞的支護貢獻較大，此階段應(yīng)在右線2號洞下導(dǎo)洞開挖完畢并已穩(wěn)定后逐步拆除導(dǎo)坑側(cè)壁部分，及時施作三襯和仰拱，盡快將支護閉合成環(huán)以控制隧道進一步變形，并在施工過程中密切注意拱頂、仰拱、中隔墻和邊墻的位移變化，提高監(jiān)控量測頻率,必要時應(yīng)在施工過程中增設(shè)臨時橫向支撐。

(4)step12、13、14。開挖左線6號洞下導(dǎo)洞，施作初期支護、導(dǎo)坑側(cè)壁及二襯；開挖左線4號洞下導(dǎo)洞,施作初期支護、導(dǎo)坑側(cè)壁；開挖左線5號洞下導(dǎo)洞,破除左線導(dǎo)坑側(cè)壁，施作左線三襯。開挖左線4號洞下導(dǎo)洞時，上下導(dǎo)洞的導(dǎo)坑側(cè)壁的搭接仍屬于關(guān)鍵控制部分，施工過程中應(yīng)注意對導(dǎo)坑側(cè)壁、中隔墻的保護，盡量減少對導(dǎo)坑側(cè)壁、中隔墻的擾動與破壞。左線三襯施作完畢后，對比左右線隧洞豎直位移可以發(fā)現(xiàn)，右線上方的沉降和下方的隆起比左線范圍稍大，右線邊墻周圍圍巖的水平位移范圍也比左線要大一些。此階段應(yīng)在左線6號洞下導(dǎo)洞開挖完畢并已穩(wěn)定后再逐步拆除導(dǎo)坑側(cè)壁部分，及時施作三襯和仰拱，盡快將支護閉合成環(huán)以控制隧道進一步變形，并在施工過程中密切注意拱頂、仰拱、中隔墻和邊墻的位移變化，提高監(jiān)控量測頻率，必要時應(yīng)在施工過程中增設(shè)臨時橫向支撐。

(a)豎向位移

(b)水平位移

(a)豎向位移

(b)水平位移圖9 step14開挖后位移場

3.6 與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

3.6.1 監(jiān)測點布置

雙連拱隧道在開挖的過程中，布置了相關(guān)監(jiān)測點，對開挖過程中位移進行量控監(jiān)測。

圖10 隧洞監(jiān)測點布置

3.6.2 對比分析

圖11為數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的隧道圍巖拱頂豎向位移結(jié)果。總體上看，從1號洞到6號洞，數(shù)值模擬的圍巖位移量與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比較接近，且隨著時步變化，圍巖位移變化趨勢基本一致，這說明了該模型的可靠性。進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，2號洞和5號洞的數(shù)值模擬計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果差距比較大，且均為模擬計算結(jié)果小于監(jiān)測結(jié)果，這可能是因為:2號洞和5號洞分別包含了兩側(cè)洞拱頂部分，這里通常為圍巖變形最大的位置(從圖中位移變化范圍可看出)，而連續(xù)介質(zhì)計算軟件在大變形問題上會有一定限制，所以會比實際監(jiān)測結(jié)果略小。

圖11 數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的隧道圍巖位移對比

3.6.3 與監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)的比較

由上述計算分析可以得知，該雙連拱隧道分步開挖中，拱頂最大豎向位移為18.56mm，拱底隆起量最大為14.03mm，按照實際施工開挖速度，500mm/天，該段計算長度為20m，因此該段每一步的施工天數(shù)為40天，則該雙連拱隧道拱頂每天變形量為0.46mm/天，拱底每天變形量為0.35mm/天。隧道監(jiān)測采取的控制標(biāo)準(zhǔn)為拱頂沉降絕對量30mm，沉降速率3mm/天，警戒值為控制值的80%，即拱頂沉降絕對量24mm，沉降速率2.4mm/天；拱底絕對隆起量25mm，隆起速度2mm/天，警戒值為控制值的80%，即拱底絕對隆起量20mm，隆起速度1.6mm/天。由此可以看出，拱頂和拱底的變形量以及變形速度都沒有超出監(jiān)測控制值以及警戒值，隧道處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

廈門海滄海底隧道雙連拱段采用了右線導(dǎo)洞進入，然后逐步向左線隧道開挖的非對稱開挖方式。本文通過三維數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，分析該開挖方式下隧道圍巖和結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，得到如下結(jié)論。

①計算結(jié)果顯示，拱頂最大豎向沉降為18.56mm，拱底最大隆起量為14.03mm；中隔墻最大水平位移為3.92mm，拱側(cè)最大水平位移為4.10mm。

②根據(jù)每一步計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場施工，對各步施工給出了施工建議。

③對計算結(jié)果進行了分析，與監(jiān)測控制值以及警戒值進行了比較，隧道施工處于安全狀態(tài)。

上述結(jié)論對今后城市雙聯(lián)拱隧道非對稱開挖施工具有一定借鑒意義。實際工程受地質(zhì)條件特別是地下水條件，以及現(xiàn)場環(huán)境不確定因素等綜合影響，開挖步序、支護時機等對雙聯(lián)拱隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，仍有待進一步深入研究。