孫興山， 董會飛， 蘇興炬， 艾小威

(1. 武漢大學土木建筑工程學院， 湖北 武漢　430072； 2. 龍巖市漳龍高速擴建工程有限公司， 福建 龍巖　364000)

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漳龍高速公路擴建隧道圍巖力學特性三維有限元分析

孫興山1， 董會飛1， 蘇興炬2， 艾小威1

(1. 武漢大學土木建筑工程學院， 湖北 武漢430072； 2. 龍巖市漳龍高速擴建工程有限公司， 福建 龍巖364000)

摘要:為分析隧道擴建過程中圍巖的力學特性，確保施工期間圍巖的穩(wěn)定性，以漳龍高速公路后祠隧道擴建工程為依托，建立了反映實際地形的三維有限元模型,對后祠擴建隧道施工期間地表沉降、拱頂下沉、周邊位移的特征以及拱腳和拱頂?shù)膽ψ兓?guī)律進行計算分析。計算結果表明： 原位擴建隧道位移變化規(guī)律不同于普通新建隧道位移變化規(guī)律，隧道原位擴建施工過程中，地表沉降曲線表現(xiàn)出了明顯的非對稱性； 隧道掌子面前方12 m及掌子面后方24 m范圍內變形較為迅速，為非穩(wěn)定變形段； 根據(jù)隧道拱頂位移曲線，提出了針對擴建隧道位移空間變化規(guī)律的公式，該公式能預測后祠隧道的變形，從而為施工提供建議和指導； 隧道拱腳表現(xiàn)為壓應力集中區(qū)，隨著開挖的進行，拱腳主應力逐漸增大，而拱頂主應力逐漸減小并向拉應力過渡，最終拱頂呈現(xiàn)出較小的拉應力。

關鍵詞:后祠隧道； 擴建隧道； 大跨度； 力學特性； 三維有限元分析； 圍巖位移

3D Finite Element Analysis on Mechanical Characteristics of Surrounding

0引言

隨著公路交通運輸量的大幅度增加，越來越多的高速公路隧道因交通量的飽和而被提上擴建日程。隧道原位擴建是在既有隧道的基礎上，拆除原有的隧道結構，實現(xiàn)隧道斷面的擴大[1]。隧道原位擴建是新型結構形式，擴建施工過程中圍巖力學變化復雜，目前尚缺乏足夠的理論知識和工程經驗。

目前，已有的研究主要通過現(xiàn)場試驗、模型試驗和有限元方法來預測隧道的變形和應力[2-3]。劉泉聲等[4]通過現(xiàn)場監(jiān)控量測試驗，研究了龍?zhí)端淼朗┕て陂g圍巖的位移和襯砌接觸壓力的變化規(guī)律，并由此判斷圍巖的穩(wěn)定性。林從謀等[5]針對大帽山原位擴建隧道，基于現(xiàn)場監(jiān)測，分析了CD工法下不同圍巖地表下沉、拱頂沉降規(guī)律，并對比分析了數(shù)值模擬結果，提出了錨桿支護參數(shù)的優(yōu)化建議。工程設計時，廣泛采用經驗方法判斷隧道開挖引起的沉降，然而由于地質條件和施工方法的不同，經驗方法的應用具有一定的局限性。楊靈等[6]利用有限元方法對比分析了不同工法下圍巖和支護結構受力與變形規(guī)律的差異，并對不同的工法進行了比選分析。然而，以上研究對隧道擴建具有一定的指導作用，但尚未對隧道擴建過程中圍巖位移和應力的變化規(guī)律作出全面的分析。

本文以福建漳龍高速后祠隧道工程為依托，建立三維有限元數(shù)值仿真模型，研究隧道原位擴建過程中圍巖的力學響應，分析圍巖的變形規(guī)律，以期為后祠隧道和類似工程建設提供理論指導。

1工程概況

后祠隧道位于龍巖市適中鎮(zhèn)，原為兩洞雙向4車道隧道，隧道跨度12 m，全長990 m。由于高速公路擴建的需要，該隧道將擴建成三洞9車道隧道。擴建施工方案為： 在既有左洞的左側新建3車道隧道，同時將既有右洞擴建為4車道隧道。擴建后隧道跨度為20 m。隧道擴建過程中，左側新建隧道先行施工，保持既有隧道通車狀態(tài)，新建隧道通車后再擴建右側隧道。后祠隧道位置關系如圖1所示。

圖1　后祠隧道位置關系圖(單位： m)

地質勘探資料表明，隧址區(qū)地表上覆第四系殘坡積層；下臥燕山早期侵入花崗巖及其風化層，局部見閃長玢巖、花崗斑巖巖脈侵入。隧道洞身總體圍巖以Ⅳ～Ⅴ級為主，隧道進出口段及斷層構造帶和節(jié)理密集帶內圍巖級別為Ⅴ級。

2三維計算模型

結合勘察結果和現(xiàn)場實際地形情況，建立三維有限元數(shù)值模型，如圖2所示。巖體采用實體單元模擬，襯砌采用殼單元模擬，錨桿采用桿單元模擬。模型左右邊界水平約束，下邊界豎向約束。數(shù)值計算采用摩爾-庫侖屈服準則。根據(jù)地質勘查報告及設計資料，圍巖與支護結構物理力學參數(shù)見表1。

圖2　三維有限元模型

數(shù)值模擬過程中，左側新建隧道根據(jù)實際開挖方案采用臺階法開挖，原位擴建隧道根據(jù)設計方案采用中隔壁法開挖。隧道的開挖和支護分步進行，通過移除單元模擬隧道的開挖，每一步開挖進尺為6 m，隨后激活襯砌單元和錨桿單元，以模擬支護過程。

隧道的開挖和支護是應力緩慢釋放的過程，如果不采取任何支護措施，則圍巖的卸荷力完全由圍巖承受；如果開挖后立即支護，則支護將承受全部的卸荷載力。在新奧法施工過程中，實際上是圍巖和支護結構共同受力的結果[7]。隧道開挖后，襯砌發(fā)揮作用的時間可以決定洞周節(jié)點的位移以及支護上的壓力。根據(jù)工程經驗和施作支護結構的時機，將待開挖單元應力釋放到70%。應力釋放過程采用參數(shù)折減法來實現(xiàn)，即將待開挖巖體的參數(shù)折減70%后再開挖相應部分。具體模擬過程如下。

1)建立模型的邊界條件，通過自重荷載作用下的應力場，將得到的初始應力場和自重應力場一起施加于模型，獲得地應力平衡狀態(tài)。

2)在第n分析步時，將既有隧道待開挖單元的參數(shù)折減至70%，以模擬應力的釋放。

3)在第n+1分析步時，移除待開挖單元，激活相應的支護結構(襯砌和錨桿)，并獲得平衡。

4)重復步驟2)和步驟3)，完成既有隧道的施工過程(分析步2～33)。既有隧道開挖完成后，即獲得隧道擴建時的初始應力場和變形場。在新建隧道開挖前，既有隧道已經變形穩(wěn)定。為分析隧道擴建過程中的變形，將已發(fā)生的變形作為初始位移場。

表1圍巖與支護結構物理力學參數(shù)

Table 1Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structures

名稱重度γ/(kN/m3)變形模量E/GPa泊松比μ內摩擦角φ/(°)黏聚力c/MPa剪脹角/(°)Ⅳ級圍巖233.30.32330.450Ⅴ級圍巖211.20.32280.120噴射混凝土25300.22402.20錨桿(長3.5m,直徑35mm)2531.50.20

5)重復步驟2)和步驟3)，完成新建隧道(分析步34～65)和原位擴建隧道(分析步66～97)的開挖，分析過程結束。

3位移計算結果分析

3.1擴建隧道施工時地表位移

地表位移是隧道圍巖變形過程中反饋出的重要信息，了解地表位移的變化規(guī)律，可以對隧道的變形發(fā)展趨勢進行預測，及時掌握圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)[8]。原位擴建施工階段橫斷面地表沉降曲線如圖3所示(負號表示向下的位移)。

圖3　地表沉降曲線

從圖3可以看出： 由于隧道布置不對稱以及之前既有隧道和左側新建隧道的施工，地表沉降曲線不服從典型的正態(tài)分布，而表現(xiàn)出了明顯的非對稱性； 當開挖至6 m時，地表最大沉降為4 mm，當開挖至48 m時，最大沉降量達到5 mm，當開挖至96 m時，最大沉降量為6.2 mm，增量約為55%； 開挖過程中沉降槽的位置由新建隧道中線處向擴建隧道移動，最大沉降量發(fā)生在原位擴建隧道稍左側。由于既有隧道和新建隧道的存在，模型左側的沉降大于模型右側，這是因為左側既有隧道已經先行施工完畢，導致左側發(fā)生了一定的沉降； 但在原位擴建隧道施工過程中，右側的位移增量要大于左側，施工完成后沉降槽寬度約為60 m，即洞徑的3倍。

Peck方法[9]認為隧道開挖引起的橫向地表沉降符合高斯曲線分布。有限元模擬結果表明，對于非對稱分布的非水平地表隧道群結構，如后祠隧道擴建工程項目，由于既有隧道和左側新建隧道的影響，地表累計沉降量隨著擴建的施工不斷增加，沉降槽寬度和反彎點均已發(fā)生明顯變化，地表不均勻沉降比較明顯，施工中應給予足夠重視。

3.2擴建隧道拱頂位移

隧道開挖后，圍巖向臨空面發(fā)生變形，拱頂變形過大可能會導致圍巖的整體失穩(wěn)，造成不必要的經濟損失。原位擴建隧道開挖至42 m時拱頂位移變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出： 在掌子面后方24 m和掌子面前方12 m范圍內，位移變化較為迅速，為非穩(wěn)定變形段，可以預測隨著掌子面的推進，該段范圍內的圍巖會繼續(xù)發(fā)生變形直到趨于穩(wěn)定值； 掌子面前方距離掌子面大于24 m時，變形基本趨于穩(wěn)定并達到最大值，最大變形量為16 mm；在掌子面前方距離掌子面大于12 m的圍巖未發(fā)生變形。

圖4　拱頂位移曲線

孫元春等[10]認為，隧道圍巖變形一般可以分為3個階段： 急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段和流變階段。在圖4所示的曲線中： 掌子面前后各6 m范圍內拱頂位移急劇增長，是急劇變形階段；掌子面前方6～18 m為穩(wěn)定變形階段；掌子面前方距離掌子面大于18 m時，圍巖變形趨于穩(wěn)定，是流變階段。

Hoek基于大量的位移監(jiān)測分析，提出圍巖變形與掌子面距離的關系

(1)

由式(1)計算得出，在掌子面處圍巖累計變形約占總變形的30%，而圖4顯示，掌子面處累計變形約占總變形的50%； 因此，對于擴建隧道，式(1)已不能很好地適用。

本文在式(1)的基礎上，對式(1)進行參數(shù)化，建立能夠反映原位擴建隧道圍巖變形規(guī)律的函數(shù)模型

(2)

式中：a、b為待擬合參數(shù);y為測點位移與變形穩(wěn)定后位移比值。

利用Matlab進行擬合,得到擬合曲線函數(shù)關系(式(3))和擬合曲線(見圖5)。

(3)

則原位擴建隧道拱頂測點的位移可表示為

(4)

現(xiàn)場施工過程中，可以根據(jù)圍巖變形穩(wěn)定后的位移，預測掌子面附近的變形。式(4)能夠較好地預測擴建隧道拱頂位移的演化規(guī)律，能夠為原位擴建隧道施工提供參考。

圖5　位移擬合曲線

根據(jù)上述分析可以得出： 掌子面后方24 m和掌子面前方12 m范圍內為非穩(wěn)定變形區(qū)，拱頂仍在發(fā)生沉降，而在該范圍外，拱頂圍巖已基本穩(wěn)定； 施工過程中應將掌子面后方24 m范圍內的區(qū)域作為重點監(jiān)測對象，并及時施作襯砌結構； 式(4)可作為擴建隧道拱頂變形的預測公式。

3.3擴建隧道周邊位移

為分析隧道位移的分布規(guī)律，選取距離洞口Z=48 m的斷面為量測斷面，研究掌子面掘進至不同斷面時隧道量測斷面周邊位移的變化。圖6為原位擴建隧道量測斷面的位移在極坐標下的變化規(guī)律，其中方位角θ沿順時針方向，該方位角所對應的隧道周邊位移為極徑ρ。

當掌子面尚未開挖至量測斷面時，由于原隧道的影響，原位擴建隧道中線左側位移明顯大于右側位移。當掌子面從Z=24 m推進至量測斷面Z=48 m時，除拱腳位置外，周邊位移迅速增加，最大位移點向中線移動，非對稱的位移曲線有對稱分布的趨勢，此時累積變形量約達到總變形量的50%左右。當掌子面從Z=48 m推進至Z=72 m時，變形基本趨于穩(wěn)定，且在隨后的施工中位移不再明顯變化，開挖結束后，原位擴建隧道的周邊位移曲線以中心線為界呈對稱分布。由原位擴建隧道周邊位移演化規(guī)律可知，由于原位擴建隧道的特殊結構形式，施工過程中位移變化更加復雜，主要表現(xiàn)為隧道周邊位移發(fā)生非均勻變化，施工中應予以重點考慮。

圖6　隧道周邊位移

4應力計算結果分析

對于擴建隧道而言，其開挖過程實質上是在既有隧道地應力平衡的基礎上對圍巖的二次擾動過程，整個施工過程中圍巖應力路徑復雜，研究施工過程中圍巖的應力演化規(guī)律有利于預測施工期間圍巖的穩(wěn)定性[11]。選取距離洞口為24、48、78 m的斷面為量測斷面，研究該量測斷面上特定點圍巖的應力演化規(guī)律。需要指出的是計算過程分為3個階段： Ⅰ階段(分析步1～33)獲取初始地應力場并模擬既有隧道的施工； Ⅱ階段(分析步34～65)模擬左側新建隧道的施工過程； Ⅲ階段(分析步66～97)模擬右側原位擴建隧道的施工過程。

圖7和圖8為隧道拱腳測點、拱頂測點的最大主應力和最小主應力。由圖7和圖8可以看出，原位擴建隧道拱腳為壓應力集中區(qū)，而拱頂則表現(xiàn)為拉應力集中區(qū)。由于擴建隧道是在既有隧道右洞的基礎上進行擴挖，既有隧道開挖至測點所在的量測斷面時，拱腳應力迅速增大并且隨著開挖的進行趨于穩(wěn)定，而拱頂應力則迅速減小。新建隧道施工時，由于距離測點較遠，測點應力沒有發(fā)生明顯變化，說明新建隧道和原位擴建隧道之間相互作用影響較小。原位擴建隧道自身施工時，隨著掌子面逐漸接近量測斷面，拱腳測點的應力迅速增加，最大應力值為3.2 MPa，拱頂測點的應力迅速減小并逐漸向拉應力過渡，最大拉應力值為0.2 MPa，期間應力上下波動并最終趨于穩(wěn)定，說明擴建施工過程表現(xiàn)出了反復的加卸荷過程，這是應力重分布的結果。隧道開挖后，圍巖向臨空面發(fā)生變形，拱頂位置由于不能承受開挖后的應力，應力向圍巖深部和隧道兩側轉移，此時拱腳壓應力迅速增加，而拱頂壓應力迅速減小并向拉應力過渡，最終達到新的平衡狀態(tài)。

(a)最大主應力

(a)最大主應力

5結論與討論

對于大斷面擴建隧道，建立了反映實際地形的三維有限元數(shù)值模型，對隧道原位擴建施工過程中的力學特性進行了分析，得出以下結論：

1)由于隧道布置的非對稱性以及鄰近隧道的影響，地表沉降曲線不再服從典型的正態(tài)曲線分布，而呈現(xiàn)出非對稱性。

2)原位擴建隧道圍巖變形可以分為3個階段： 急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段和流變階段。掌子面后方24 m和掌子面前方12 m范圍內為非穩(wěn)定區(qū)，應作為重點監(jiān)測對象。

3)在Hoek公式的基礎上，提出了針對擴建隧道位移空間變化規(guī)律的公式，擴建隧道掌子面處累計變形占總變形量的50%。

4)原位擴建隧道周邊位移曲線在開挖初期呈現(xiàn)出明顯的非對稱分布，開挖結束后位移曲線從非對稱分布變?yōu)閷ΨQ分布，隧道拱頂和底板位移大于隧道量測位移。

5)施工過程中，拱腳應力逐漸增大，最大壓應力為3.2 MPa，而拱頂應力逐漸減小，并向拉應力過渡，最大拉應力為0.2 MPa。

本文的研究結論是基于有限元的分析計算，旨在探索施工過程中位移和應力的變化規(guī)律。在后續(xù)研究中，將根據(jù)現(xiàn)場實測結果，驗證計算結果的正確性，以期為類似擴建工程的設計和施工提供理論指導。

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國內最大擁有自主知識產權土壓平衡盾構將由中國中鐵裝備造

2016年中國中鐵工程裝備集團新年第一單就簽下國內最大直徑的擁有完全自主知識產權的土壓平衡盾構合同。

2016年1月8日下午，中鐵裝備和中鐵六局在北京簽約，采購一臺大直徑土壓平衡盾構，用于太原鐵路樞紐西南環(huán)項目。這臺盾構直徑12.14 m，研制下線后，將成為現(xiàn)階段國內最大直徑擁有自主知識產權的土壓平衡盾構。此前，國內大直徑土壓平衡盾構核心技術一直掌握在外方手中，一直都是國內廠家與國外廠家聯(lián)合制造，此設備的制造填補了我國在大直徑土壓平衡盾構領域研發(fā)的空白，我國在大直徑土壓平衡盾構領域將處于國際領先行列。

該臺盾構應用的隧道位于太原市城郊結合區(qū)域，上方建筑物較多，下穿眾多風險源，在綜合測算暗挖法和盾構法的綜合效益之后，決定選用盾構法施工。由于該隧道客貨列車兩用且雙線單洞，所以要求隧道凈空較大，國內最大直徑的土壓平衡盾構也就“應運而生”。

(摘自 中國中鐵工程裝備集團有限公司 http://www.crectbm.com/tabid/1918/InfoID/70764/frtid/1929/Default.aspx2016-01-12)

Rocks of Expansion Project: A Case Study on Houci Tunnel on

Zhangzhou-Longyan Highway

SUN Xingshan1, DONG Huifei1, SU Xingju2, AI Xiaowei1

(1.SchoolofCivilEngineering&Architecture,WuhanUniversity,Wuhan430072,Hubei,China;

2.LongyanExpansionProjectofZhangzhou-LongyanHighwayTunnelCo.,Ltd.,Longyan364000,Fujian,China)

Abstract:To ensure the stability of surrounding rock, the 3D finite element model of Houci tunnel expansion project on Zhangzhou-Longyan highway is established and ground surface settlement, vault subsidence, surrounding rock displacement and variation of stress on tunnel arch feet and crown are analyzed. The calculation results show that: 1) The tunnel displacement law of expansion is different from that of new tunnel construction, and the tunnel displacement curves of expansion shows obvious asymmetry. 2) The deformation speed of the unstable section, 12 m in front of and 24 m behind tunnel working face, is large. 3) The displacement formulas for expansion tunnel, which can predict the deformation of Houci tunnel, is proposed. 4) The tunnel arch feet show a stress concentration trend. The principle stress of tunnel arch feet increases and that of tunnel invert decreases as the excavation goes on. The stress of tunnel vault develops into small tensile stress in the end.

Keywords:Houci tunnel; tunnel expansion; large span; mechanical characteristics; three-dimensional finite element; displacement of surrounding rock

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)01-0052-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.008

作者簡介：第一 孫興山(1991—)，男，湖北十堰人，武漢大學巖土工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為巖土力學與地下工程穩(wěn)定性。E-mail: sunxs@foxmail.com。

基金項目：國家重點基礎研究計劃(973)項目(2014CB046904); 國家自然科學基金重點基金項目(4113072)； 國家自然科學基金資助(11302242)

收稿日期：2015-08-04； 修回日期： 2015-09-06