雙連拱隧道施工地表沉降及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析*

王學(xué)斌

(廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361026)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，城市公路網(wǎng)也隨之快速發(fā)展，城市路網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴(yán)峻。因此發(fā)展立體交通的需求愈發(fā)強烈，除了修建城市地上高架橋外，地下交通的發(fā)展也進入快車道。在城市地下交通的建設(shè)中，雙連拱隧道及其暗挖進洞的施工方法滿足城市人口密集區(qū)域施工以及減小對居民生活影響等基本要求。

中隔墻是連拱隧道的重要組成部分，研究發(fā)現(xiàn)，在連拱隧道施工過程中，中隔墻受力情況非常復(fù)雜[1-2]。中隔墻的應(yīng)力與位移變化對隧道整體穩(wěn)定性影響較大。李英勇等[3]發(fā)現(xiàn)若中隔墻頂部回填不密實極易引發(fā)頂部圍巖的大變形或塌方，并提出了有針對性的預(yù)防措施。張志剛等[4]通過研究在建大跨、淺埋偏壓高速公路連拱隧道，提出了淺埋連拱隧道中隔墻的合理厚度。譚杰[5]通過研究得出中隔墻的作用機理和使用效果，分析了施加中隔墻臨時橫撐在連拱隧道開挖中的重要性。袁樹成[6]研究了中隔墻底部壓力的變化規(guī)律，利用改進的中隔墻穩(wěn)定性判斷公式對中隔墻的穩(wěn)定性進行了驗算，并提出了加強中隔墻穩(wěn)定性的措施。

隧道襯砌是為了防止圍巖變形或坍塌的永久性支護結(jié)構(gòu)。王云隆等[7-8]通過模擬黃土嶺隧道施工過程，在隧道偏壓情況下先開挖偏壓較大一側(cè)洞室有利于降低隧道圍巖變形量，并得出3次襯砌中第1次襯砌相較于第2次襯砌對降低圍巖變形量的影響更大。張春洪等[9]通過現(xiàn)場試驗研究雙連拱隧道施工過程初期支護和二次襯砌的受力得出：二次襯砌的存在使得隧道快速達到受力穩(wěn)定狀態(tài)。陳華艷等[10]采用有限元數(shù)值模擬的分析方法，考慮隧道所處的特殊地質(zhì)條件，模擬隧道開挖施工全過程，采取擬定的襯砌修筑工程措施，可以保證隧道施工過程中地面建筑物與隧道自身安全。馬福彬等[11]通過數(shù)值模擬研究二次襯砌受力狀態(tài)，指導(dǎo)二次襯砌的合理設(shè)置，降低襯砌破壞的概率。

在隧道施工過程中，由于對巖體的開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力應(yīng)變的變化，繼而存在諸多工程問題。陳青帥[12]通過對連拱隧道的研究得出連拱隧道在不同開挖過程中圍巖的變形與應(yīng)力變化規(guī)律，為類似雙連拱隧道的設(shè)計和施工提供參考。李新志等[13]對隧道施工地表沉降進行研究，分析了施工措施對地表沉降的影響規(guī)律，得到了地表沉降的量值和分布特征。李永斌[14]揭示出施工各階段圍巖應(yīng)力集中位置和潛在塑性破壞區(qū)，不僅為隧道的安全順利施工提供了預(yù)警信息和直接指導(dǎo)，同時為連拱隧道的優(yōu)化設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。白家設(shè)等[15]通過現(xiàn)場監(jiān)測和三維數(shù)值模擬研究雙連拱隧道的位移變化規(guī)律，研究表明：支護結(jié)構(gòu)變形以豎向沉降為主，水平收斂較小；及時使支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，能有效改善結(jié)構(gòu)受力，抑制隧道結(jié)構(gòu)變形。

在廈門第二西通道(海滄隧道)雙連拱隧道工程中[16-17]，采用中導(dǎo)洞加主洞雙側(cè)壁暗挖進洞以及“雙初支、單二襯”的施工方法，研究該工法基于超淺埋、變截面、復(fù)雜地質(zhì)等條件下，不同工況下雙連拱隧道開挖對隧道上部地表沉降的影響，降低隧道開挖對周圍建筑和市民生產(chǎn)生活的影響，對比分析變截面相較于普通斷面所受應(yīng)力的不同，繼而預(yù)測整個隧道工程中危險截面的位置，以及施工過程中隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律，分析雙連拱隧道不同部件所受應(yīng)力的規(guī)律，加大雙連拱隧道受力較大部件的強度，為后續(xù)雙連拱隧道的施工提供了理論和實際工程依據(jù)。

1 工程概況

廈門第二西通道(海滄隧道)是穿越廈門西海域，連接海滄區(qū)和本島湖里的重要通道，也是廈門公路骨干網(wǎng)“兩環(huán)八射”中的重要組成部分，對緩解廈門的交通壓力，提升廈門島西部交通能力有重要意義。

針對160m雙連拱暗挖對臨近結(jié)構(gòu)的影響，研究采用中導(dǎo)洞加主洞雙側(cè)壁開挖以及“雙初支、單二襯”的雙連拱隧道施工方法的安全可靠性。依據(jù)文獻 [18]中的規(guī)定：當(dāng)拱頂覆土厚度(H)與結(jié)構(gòu)跨度(D)符合H/D≤0.6的條件時，稱為超淺埋隧道，隧道整體埋深為5.9～13.4m，橫向結(jié)構(gòu)跨度為41.05～45.95m，因此該雙連拱隧道均為超淺埋。雙連拱隧道如圖1,2所示，隧道分為4個襯砌截面，分別在原有三車道的基礎(chǔ)上加寬1.5，3，4.5，5.1m。

圖1 雙連拱隧道剖面

圖2 雙連拱隧道數(shù)值模型平面

2 數(shù)值模擬

為研究變截面、不同埋深、不同地質(zhì)條件下隧道施工對周圍地表沉降以及結(jié)構(gòu)變形、受力的影響，分別選取隧道的3種工況如圖3所示，建立有限元數(shù)值模型進行分析，分別命名為模型a，b，c。模型a的尺寸為10m×100m×50m，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，由上而下的覆蓋層分別為1m厚的雜填土，13m厚的殘積土，13.5m厚的砂礫狀強風(fēng)化花崗巖，3m厚的砂礫狀強風(fēng)化花崗巖，20.5m厚的中風(fēng)化花崗巖。模型b的尺寸為10m×100m×50m，但前后包含兩種隧道截面尺寸，根據(jù)勘察資料，由上而下的覆蓋層分別為1m厚的雜填土、4m厚的砂礫狀強風(fēng)化花崗巖、45m厚的微風(fēng)化花崗巖。模型c的尺寸為10m×100m×50m，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，由上而下的覆蓋層分別為1.8m厚的雜填土，13.3m厚的砂礫狀強風(fēng)化花崗巖，34.9m厚的微風(fēng)化花崗巖。3個數(shù)值計算斷面分別對應(yīng)工程中的YK16+790，YK16+840和YK16+946斷面，如圖3所示。

圖3 雙連拱隧道數(shù)值模型

在有限元建模中將中隔墻、襯砌和臨時支撐部分的部件利用自定義的場變量(field variable)將該部件的參數(shù)從風(fēng)化花崗巖轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻罨炷恋牟牧蠀?shù)，最后利用生死單元移除隧道內(nèi)部的開挖部分。模型中殘積土和雜填土使用莫爾-庫倫模型，風(fēng)化花崗巖、襯砌、臨時支撐、中隔墻使用線彈性模型，模型中各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于模型部件和接觸面過多會增加計算的難度和精度，因此在模型裝配之后，將所有部件合并成一個整體且保留所有的接觸面，然后利用自重應(yīng)力定義模型的初始地應(yīng)力平衡。模型a，c在網(wǎng)格劃分時網(wǎng)格劃分類型選用六面體，計算類型選用C3D8R。

表1 雜填土和殘積土的物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值驗證

為驗證模型的有效性需要對比模型的計算值與第三方變形監(jiān)測值。選取監(jiān)測點與數(shù)值計算結(jié)果進行對比分析，左右兩側(cè)隧道拱頂下沉的監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果如圖4所示，中隔墻在x，y，z不同方向上的位移數(shù)值計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，由圖可知數(shù)值計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果趨勢基本一致，因此模型的計算結(jié)果是十分有效的。

圖4 隧道拱頂下沉的數(shù)值計算結(jié)果和監(jiān)測值

圖5 中隔墻位移的數(shù)值計算結(jié)果和監(jiān)測值

4 數(shù)值分析

繪制了YK16+790，YK16+840和YK16+9463個不同斷面在開挖過程中地表沉降如圖6所示。

圖6 隧道施工過程中地表沉降

由圖6可知，模型中點位于距左側(cè)50m處。隨著隧道的開挖地表的沉降逐漸增大，特別是臨時襯砌的移除對隧道表面的沉降影響最大。模型a由于上覆層是土層彈性模量較小、泊松比較大所以地表沉降和沉降影響范圍較大，且下部隧道和中隔墻對地表沉降的影響是不同的。模型b，c由于上覆層是風(fēng)化花崗巖整體性較好、彈性模量較大、泊松比較小，因此地表沉降較小。

YK16+790，YK16+840和YK16+946這3個不同斷面在開挖完成后隧道襯砌的豎向應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 隧道施工過程中襯砌與中隔墻豎向應(yīng)力

由圖7可知，由于隧道內(nèi)部,開挖，隧道上部和底部因為自重荷載的消散進而隧道內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生變化，會產(chǎn)生垂直隧道開挖法線方向的應(yīng)力，在雙連拱隧道的中隔墻和拱腳位置會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此承擔(dān)了更大的應(yīng)力，變截面雙連拱隧道相較于普通截面，其所受應(yīng)力遠大于其他截面，需要重點監(jiān)測和研究該部分的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

1)在相似上覆層及地質(zhì)條件下，隧道截面面積越大，地表沉降越大，隧道在開挖過程中臨時支撐起重要作用，隧道分步開挖有效減弱了隧道地表的沉降速率。當(dāng)上覆層由殘積土變?yōu)轱L(fēng)化花崗巖時，隧道上部地表沉降和地表沉降影響范圍會減小。在隧道的變截面施工過程中，小截面開挖對隧道上部沉降的影響小于大截面開挖。

2)在隧道開挖過程中，由于隧道開挖部分自重應(yīng)力的消失，導(dǎo)致隧道頂部和底部會產(chǎn)生垂直隧道開挖方向的垂直應(yīng)力，由于應(yīng)力的重分布，隧道在開挖后，中隔墻和拱腳位置產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，相較于其他位置中隔墻需要承擔(dān)較大應(yīng)力，變截面隧道的中隔墻承受了更大的豎向應(yīng)力，需要進行特殊加固處理。

3)通過研究隧道施工過程中危險截面的位置和隧道開挖對地表沉降的影響，表明降低隧道的截面面積和加大埋深可降低對地表的影響，隧道的變截面處拱腳和中隔墻所受應(yīng)力遠大于其他截面，需要進行局部加強處理。