基于數值分析的大跨度隧道拓寬沉降規律研究

劉慶斌（廈門市政府投資項目評審中心，廈門361000）

基于數值分析的大跨度隧道拓寬沉降規律研究

劉慶斌
（廈門市政府投資項目評審中心，廈門361000）

基于福州二環路金雞山隧道擴建工程，采用有限元分析軟件，針對金雞山四車道隧道拓寬兩個開挖方案進行沉降研究，得出隧道各部位沉降關系曲線。通過分析不同工況下隧道各部位的相互影響，并和監控量測數據進行對比分析，總結大斷面隧道開挖沉降規律，提出工程建設措施和建議，為類似工程建設提供參考。

大跨度隧道拓寬沉降規律監控量測

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，交通量增長迅速，一些修建年代久遠的公路、甚至是高速公路由于設計標準低，滿足不了現有交通需求，影響經濟的發展，需要改擴建才能達到相匹配的服務水平。改擴建的形式主要有既有單線隧道改建，既有單線隧道擴建為雙線或多線隧道，以及既有單線隧道改建并增建復線隧道，目前國內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，國內學者和研究人員針對隧道改擴建也開展了大量研究，繆圓冰[1]針對連拱隧道中墻及二襯結構進行了研究，并提出加強措施；唐穎[2]針對特大跨度連拱隧道設計提出施工方法的分析，陳瀟洋[3]針對城市大跨小凈距隧道原位擴建工程施工力學進行分析，李健[4]針對既有隧道改擴建工程的結構安全性進行了研究。以上研究內容偏重于結構和安全性分析，對于隧道拓寬的沉降規律等暫無涉及。本文以金雞山隧道擴建為例，基于有限元分析和監控量測數據的基礎上，將工程可行性研究階段k0+ 680和k0+800典型斷面的兩個對比開挖方案進行分析，并結合實際監控量測數據總結隧道各部位的沉降規律，提出工程建設措施和建議，為類似工程建設提供參考。

1 工程概況

金雞山隧道位于福州市城市主干道二環路東北段，主洞隧道于1995年建成通車，設計行車速度50km/h，其平面呈分離雙洞布置，按單洞兩車道設計，行車道寬度為2×3.5=7m，雙洞中心距離約38m，隧道長約577m。隧道東洞口緊接鶴林高架橋，與橋臺的最小距離約64m。2005年在隧道的北側約30m處又修建了一座雙向混行的行人和非機動車隧道，其路面凈寬約6.5m，隧道長約605m，。目前二環現狀兩個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車道嚴重不匹配。東二環目前日交通流量達到14萬PCU/D，金雞山隧道高峰小時流量達6400PCU/H，高峰嚴重擁堵。同時，金雞山隧道從建成至今已有16年，由于材料老化及當時設計施工水平等原因，隧道局部出現混凝土剝落及二次襯砌完全脫空，從重慶公路工程檢測中心提供的《試驗檢驗報告》（2007年）[5]檢測結果看：不同程度的病害已嚴重影響隧道的結構安全及正常使用，因此，金雞山隧道急需進行拓寬改造，拓寬斷面由原來的寬10.9m增加到18.8m，輪廓高度由原來的9.4m增加到13.0m，左右洞中線距離由37.65m至38.55m變為22.60至32.60m。拓寬平面及典型斷面見圖1～3。

圖1 隧道拓寬與既有隧道關系圖

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 地質構造及水文地質情況

2.1 地質構造

金雞山隧道地處福州北部北東走向的大夢山—鐵坑山—金雞山斷裂北側相距0.5km，該斷裂為壓扭性力學結構面，隧道區內構造格局主要受該斷裂帶影響，花崗巖體風化構造線走向多呈北東向，均已被后期侵入的正長斑巖及基性輝綠玢巖脈所填充。

2.2 水文地質、工程地質

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

3 有限元模擬結果分析

3.1 有限元模型建立

隧道開挖模擬分析采用midas NX分析軟件，基于地層結構分析法，沿結構縱向取1m長結構進行平面分析，針對大跨度小凈距隧道設計的關鍵點，著重對圍巖位移場、塑性區分布及變化、洞頂人防工程豎向位移變化等情況進行計算分析，進而指導設計和施工。

有限元計算模型如圖4、5所示。根據提供的巖土工程勘察報告，提取相關參數，各地層圍巖和支護結構的具體參數取值如表1、2所示。圍巖采用平面應變單元，本構模型為Drucker－Prager模型；由于分析施工階段，因此只考慮初支及臨時支護的作用，二襯未參與分析。用剛度等效方法模擬初期支護及臨時支護里的噴混和鋼支撐，用梁單元模擬。

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 隧道襯砌支護參數

表2 支護計算參數表

3.2 開挖設計方案

在K0+680里程處2種不同方案開挖順序見圖6、7，臨時支撐采用14號工字鋼，根據施工中實測數據反饋，原來為弧形的工字鋼調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。當右洞開挖完畢后，拆除右洞臨時支撐。

圖6 K0+680典型斷面原開挖方案施工步驟示意圖

圖7 K0+680典型斷面新開挖方案施工步驟示意圖

圖8 K0+800典型斷面開挖原方案施工步驟示意圖

圖9 K0+800典型斷面新開挖方案施工步驟示意圖

3.3 數值模擬結果分析

根據有限元分析結果，選取左右洞拱頂、拱腰及拱底幾個典型特征點，根據各個開挖階段沉降數據繪制曲線如下：

圖10 K0+680里程處右洞拱頂開挖沉降曲線圖

圖11 K0+680里程處右洞拱腰開挖沉降曲線圖

圖12 K0+680里程處右洞拱底處開挖沉降曲線圖

圖13 K0+680里程處左洞拱頂處開挖沉降曲線圖

圖14 K0+680里程處左洞拱腰處開挖沉降曲線圖

圖15 K0+680里程處左洞拱底處開挖沉降曲線圖

從圖10可看出，兩個開挖方案拱頂的趨勢與沉降值基本一致，原開挖方案最大沉降量為4.7mm，新開挖方案為4.6mm，隧道施工過程中，開挖階段沉降約占總沉降量的75%~78%，拆除臨時支護后沉降增加約25%~30%，但總體沉降量較少。施工過程中除應控制好開挖過程中的沉降外，拆臨時支護后，二襯應及時制作，并加強對拱頂沉降的監控量測。

從圖11可看出，右洞拆除臨時支護后，原開挖和新開挖方案拱腰處位移都增大約1mm，且新開挖方案拱腰處位移比原開挖方案的位移大，新開挖方案待左洞臨近右洞側開挖支護完畢后，右洞拱腰處位移有明顯的減小，說明左洞頂部強度達到強度后，可有效的減小側向土壓力。

從圖12可看出，右洞初始開挖階段，因新開挖方案先開挖左右側土體，對拱底沉降作用不明顯，到第八工況左洞開挖時，右洞拱底的位移有明顯增加，說明左洞土體的側壓力對于右洞拱底沉降有顯著影響，開挖時應盡快做好左洞的支護，避免對右洞的影響。原開挖方案中，在拆除右洞臨時支護時位移有較大突變，當左洞支護完成后，對右洞拱底的影響逐漸減小。

通過對比分析，可以看出靠近左洞右半側的支護施做對于右洞位移減小有明顯的影響，因此在施工中應先做好開挖左洞右側部分的支護，保證右洞的結構穩定。

從圖13可看出，左洞開挖順序不同對于拱頂的影響不大，與右洞拱頂類似，通過對比分析，可以看出靠近左洞右半側的支護施做對于右洞位移減小有明顯的影響，因此在施工中應先做好開挖左洞右側部分的支護，保證右洞的結構穩定。

從圖14可看出，左洞拱腰處在右洞臨時支撐拆除時有較大影響，原方案與新方案最終沉降量大約一致，特別是新開挖方案中，右洞結構穩定后對左洞拱腰處沉降影響較大，應及時施做左洞處靠右側的支護。

從圖15可看出，原開挖方案拱底最大沉降為6.0mm，新開挖方案為3.2mm，因此及時施做頂部的襯砌對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挖沉降曲線圖

圖17 K0+800里程處右洞拱腰處開挖沉降曲線圖

圖18 K0+800里程處右洞拱底處開挖沉降曲線圖

圖19 K0+800里程處左洞拱頂處開挖沉降曲線圖

圖20 K0+800里程處左洞拱腰處開挖沉降曲線圖

圖21 K0+800里程處左洞拱底處開挖沉降曲線圖

從圖16可看出，與K0+680斷面拱頂趨勢一致，說明開挖方式變化對于拱頂影響較小。

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

從圖18可看出，左洞頂部的開挖對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，右洞穩定后，左洞拱頂沉降隨開挖工況緩慢增加，從4.5mm增加到6.2mm，頂部開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，說明開挖方式對拱頂沉降影響不大，與k0+ 680斷面趨勢一致。

從從圖20可看出，左洞拱腰沉降隨開挖工況緩慢增加，從3.5mm增加到5.0mm，頂部開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，說明開挖方式對拱腰沉降影響不大。

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，說明預先開挖左洞右側對拱底的沉降影響較小。

3.4 與實測數據對比分析

鑒于k0+680，k0+800里程右洞處無實測數據，根據《金雞山隧道監控量測報告》[8]提供的數據，選取左洞處實測數據對比分析。Zk0+680斷面無實測數據，選取臨近的Zk0+643斷面作為對比，根據報告數據實測沉降量約為7.35mm，模擬分析沉降量約為7.0mm，；同理Zk0+800處取Zk0+803斷面作為對比，實測數據約為6.0mm，模擬分析沉降量約為6.2mm，誤差較小，鑒于數據及沉降趨勢與模擬相符合，說明模擬數據較為真實客觀。

4 結語

本文通過有限元軟件midas NX開展兩種不同開挖方案下隧道各個部位的沉降規律分析。結論與建議如下：

（1）拱頂沉降與開挖方式無關，隧道拱頂沉降以開挖階段沉降為主，約占70%~80%，施工中應做好監控量測。

（2）左洞頂部的開挖對右洞拱腰、拱底有較大影響，應先開挖左洞右側土體，做好支護左洞右側的支護，有利于減小右洞拱腰、拱底的位移。

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

（4）隧道頂部人防工程沉降在控制范圍內，為整體沉降，無不均勻沉降，對金雞山隧道影響較小，說明施工措施得當。

（5）左右洞拆除臨時支護后各部位位移有較大增加，臨時支護及初支內力較大，主要受力不利點位于拱頂、仰拱拱腳及初支、臨時支撐節點處，施工中應加強對這幾個部位的監控量測，可以考慮設置大拱腳或加設型鋼牛腿等措施。

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

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

[3]陳瀟洋.城市大跨小凈距隧道原位擴建工程施工力學分析[M].重慶大學碩士畢業論文.

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

[5]重慶公路工程檢測中心.金雞山隧道試驗檢驗報告.2007.

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

[7]陳七林.金雞山隧道拓寬結構設計[J].福建建筑，2014（9），79-86.

[8]福建省建筑工程質量檢測中心有限公司福州市二環路金雞山隧道監控量測項目部.福州市二環路金雞山隧道監控量測簡報.［JKLC-JJS-001］－［JKLC-JJS-020］.