鄭 杰

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

自20 世紀(jì)50 年代，新奧法隧道施工(NATM)技術(shù)在奧地利取得成功以來(lái)， 在隧道開(kāi)挖建設(shè)中受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-6]。然而新奧法施工在開(kāi)挖過(guò)程中，不可避免對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，同時(shí)由于地層損失率較大，造成圍巖體的應(yīng)力重分布， 導(dǎo)致圍巖的變形和沉降， 在線路交叉工程中，隧道的下穿施工往往引起上部建(構(gòu))筑物的二次應(yīng)力和變形，對(duì)于高速公路而言，隧道的下穿施工極易引起較大的路面沉降， 進(jìn)而引起高速公路路面開(kāi)裂甚至路基失穩(wěn)，危機(jī)路面交通安全[7-9]。高速公路運(yùn)營(yíng)對(duì)路面沉降要求較為嚴(yán)格，為了減小隧道施工對(duì)路基的擾動(dòng)，隧道下穿路基施工時(shí)需采取可靠的變形控制措施[10]。

本文使用巖土工程有限元計(jì)算分析軟件MIDAS GTS 建立三維模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)建模和數(shù)值模擬，對(duì)龍海市浮南大道(二期)道路工程下穿招銀疏港高速公路項(xiàng)目， 建立三維模型分析了隧道在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)高速公路路面地表變形的變化情況及隧道受力變形情況， 同時(shí)對(duì)隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行了受力分析， 研究成果可為類(lèi)似工程提供參考， 也可為相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料。

1 工程概況

浮南大道(二期)道路工程位于龍海市浮宮鎮(zhèn)東側(cè)，作為龍海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)配套設(shè)施工程之一， 起點(diǎn)位于興安路交叉附近，與浮南大道(一期)對(duì)接，沿招銀高速路北側(cè)由西向東分別經(jīng)過(guò)平埔村、丹溪村、后寶村、嶺兜村，設(shè)置隧道下穿招銀高速，終點(diǎn)接于浮宮鎮(zhèn)與港尾鎮(zhèn)交界處附近，與浮南大道港尾段起點(diǎn)相接，道路全長(zhǎng)約4.741 km，如圖1 所示。

圖1 工程項(xiàng)目平面位置圖

招銀疏港高速目前為運(yùn)營(yíng)高速公路， 采用六車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度33.5 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h。 結(jié)合基本農(nóng)田范圍、周邊地形地貌及規(guī)劃路網(wǎng)情況，采用隧道(平嶺隧道) 下穿招銀疏港高速公路設(shè)計(jì)方案。 平嶺隧道(右線YK2+370～YK4+410，左線ZK2+370～ZK4+410)全長(zhǎng)1730 m， 整體呈北西-南東走向， 屬長(zhǎng)隧道。 右線里程YK2+679.914 與下穿招銀疏港高速公路里程K11+125.647 交叉，左線里程ZK2+773.579 與下穿招銀疏港高速公路里程K11+214.888 交叉， 交叉角度呈23°～24°夾角，如圖2 所示。

圖2 下穿隧道與招銀疏港高速平面關(guān)系圖

交叉段主線設(shè)計(jì)高程與高速公路主線路面高程差約23.41～24.74 m。 高速公路路面距隧道開(kāi)挖輪廓拱頂約14.93 ～16.26 m。 進(jìn)口標(biāo)高10.56 m，出口標(biāo)高19.21 m，最大埋深81 m。

2 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)地層巖性較單一，覆蓋層主要為殘坡積(Qel+dl)粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏性土，下伏燕山早期侵入巖(γ52(3)c)花崗巖，局部有近期人工填土分布。 隧道穿越斷層破碎帶F1，該破碎帶與隧道軸線約呈45°斜交，與隧道左線、右線相交里程分別為ZK2+730、YK2+670，斷層破碎帶的產(chǎn)狀為162°∠82°，近乎直立， 受構(gòu)造影響圍巖巖體較破碎，Rc=66.3MPa，Kv=0.25，[BQ]=220，地下水較發(fā)育，主要為基巖裂隙水，開(kāi)挖時(shí)呈淋雨?duì)畛鏊瑖鷰r穩(wěn)定性很差，易坍塌。平嶺隧道下穿招銀疏港高速公路段以IV 級(jí)圍巖為主， 僅斷層破碎帶段為V 級(jí)圍巖。 各地層工程地質(zhì)特征描述見(jiàn)表1。

表1 隧址區(qū)地層概況

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算方案的確定

為評(píng)估平嶺隧道的開(kāi)挖對(duì)運(yùn)營(yíng)招銀疏港高速可能帶來(lái)的影響，以及分析隧道結(jié)構(gòu)自身的受力及變形特征，使用巖土工程有限元計(jì)算分析軟件MIDAS GTS 建立三維模型進(jìn)行計(jì)算， 確保高速公路的正常運(yùn)營(yíng)以及交叉段平嶺隧道的安全施工和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 因此建立如下計(jì)算方案：

(1)左右線隧道的掘進(jìn)采用新奧法施工，全斷面開(kāi)挖并利用錨桿進(jìn)行初支護(hù)，隨后進(jìn)行二次襯砌，大斷面的開(kāi)挖使得土層存在一定的損失，對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，上覆圍巖體的應(yīng)力產(chǎn)生重分布，并伴隨沉降的產(chǎn)生，特別是在斷層破碎帶處，土體受到擾動(dòng)的影響更為敏感。 因此，為考慮隧道的開(kāi)挖對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響， 模擬分析時(shí)依據(jù)新奧法工藝進(jìn)行計(jì)算， 隧道隨挖隨支護(hù)， 先完成右線隧道的貫通，隨后完成左線貫通，隨后提取高速公路線路軸線方向上地表的位移曲線，觀測(cè)其變化特征。

(2)隧道的開(kāi)挖和支護(hù)，是圍巖與結(jié)構(gòu)力學(xué)體系的重構(gòu)，在隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，也應(yīng)觀測(cè)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮支護(hù)剛度和圍巖應(yīng)力的釋放，使計(jì)算結(jié)果剔除了初始應(yīng)力和應(yīng)變的影響。

(3)為保證運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，隧道開(kāi)挖和支護(hù)的安全性和穩(wěn)定性，交叉段隧道考慮車(chē)輛的超載作用，對(duì)最不利斷面位置處即斷層破碎帶處的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力和位移計(jì)算，考慮上覆車(chē)輛超載為10 kPa。

3.2 數(shù)值計(jì)算三維模型的建立

為了避免邊界效應(yīng)， 在建立是隧道-公路-土體整體模型時(shí)，可以取3～5D(D 為隧道直徑)范圍進(jìn)行計(jì)算，因此建立模型尺寸寬×長(zhǎng)×高(x×y×z)為100 m×180 m×82 m(最大高度98 m)，模型網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌程序進(jìn)行自動(dòng)劃分，如圖3 所示，兩側(cè)邊界約束水平方向的位移，底部邊界約束豎向位移，頂板邊界自由，且可在高速公路面上施加車(chē)輛超載。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬，錨桿采用桿單元進(jìn)行模擬，如圖4～5 所示。

圖3 隧道-高速公路-土體整體三維模型

圖4 左、右線隧道三維模型

圖5 隧道支護(hù)體系三維模型

3.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)、本構(gòu)關(guān)系及計(jì)算步驟的確定

模擬時(shí)，假設(shè)所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性的，圍巖采用符合莫爾-庫(kù)倫屈服條件的材料模擬，混凝土結(jié)構(gòu)以及錨桿等符合線彈性虎克準(zhǔn)則， 采用三維實(shí)體計(jì)算模型。 圍巖體的計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)及支護(hù)錨桿的規(guī)格型號(hào)見(jiàn)表3～4。

表2 隧址區(qū)土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

表4 支護(hù)錨桿的規(guī)格型號(hào)

施工模擬時(shí)按設(shè)計(jì)的開(kāi)挖步驟進(jìn)行； 設(shè)計(jì)文件中要求，為減少網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，對(duì)此模型隧道，采用全斷面模擬開(kāi)挖，從大里程向小里程方向開(kāi)挖，先挖右洞，再挖左洞， 具體步驟為①初始地應(yīng)力分析②位移清零③右洞施工：第一次開(kāi)挖④右洞施工：第一次初支⑤左洞施工：第一次開(kāi)挖⑥左洞施工：第一次初支。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 隧道開(kāi)挖對(duì)運(yùn)營(yíng)高速公路影響

隧道開(kāi)挖之前，為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，應(yīng)對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，并在計(jì)算結(jié)果中提出初始應(yīng)力的影響。圖6 為圍巖初始應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，從圖6 中可以看出，模型底部最大豎向應(yīng)力為1654 kPa， 模型底部最大水平應(yīng)力為797 kPa，模型最大高度為98 m，由于高速路兩側(cè)為削坡，存在偏壓的影響，結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖7～8 分別是右線隧道貫通和左線隧道貫通后模型的位移云圖，從圖中可以看出，在相同方向上，左線隧道的開(kāi)挖都會(huì)在右線隧道開(kāi)挖的基礎(chǔ)上， 促進(jìn)圍巖體的位移進(jìn)一步增加。 隧道開(kāi)挖對(duì)地表高速公路x、y 水平方向變形影響很小，當(dāng)隧道雙洞貫通后，水平x 方向最大變形為1.6 mm，水平y(tǒng) 方向的最大變形為0.7 mm，主要在斷層破碎帶附近。豎直z 方向即地表沉降變形相對(duì)較大；為了充分研究高速公路地表的沉降變形， 在左右雙洞貫通后，沿高速路走向，提取地表變形值。

圖6 隧道開(kāi)挖前初始地應(yīng)力分析

圖7 隧道右洞貫通后地表變形

圖8 隧道左洞貫通后地表變形

如圖9 所示，當(dāng)隧道左右洞貫通后，沿著招銀疏港高速公路方向， 地表豎向沉降變形呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化。 隨著隧道的開(kāi)挖，地表沉降變形逐漸增加，越靠近斷層破碎帶處，地表沉降變形值越大，遠(yuǎn)離斷層破碎帶處，地表沉降變形越小。 當(dāng)越過(guò)斷層破碎帶后，隨著右洞持續(xù)開(kāi)挖，地表變形逐漸減小；當(dāng)左洞貫通后，地表相同位置的沉降變形持續(xù)增大，在大里程方向，地表沉降變形增幅較大；隧道雙洞貫通后，高速公路地表在靠近斷層處的地表最大沉降約為2.03 mm，其它部位的地表沉降約為1.2 mm，因此，計(jì)算分析認(rèn)為隧道開(kāi)挖對(duì)地表路面影響很小。

圖9 高速公路地表沉降曲線

4.2 隧道開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形影響

圖10 隧道襯砌受力云圖

圖11 隧道襯砌彎矩云圖

圖12 隧道襯砌剪力云圖

圖10～12 分別為雙洞貫通時(shí)初期支護(hù)受力云圖、彎矩云圖、剪力云圖。從圖中可以看出，靠近山體內(nèi)側(cè)，隧道內(nèi)力變化越明顯。 當(dāng)左右雙洞貫通后，隧道初支的受力x方向呈現(xiàn)出隧道外側(cè)受力明顯偏大，最大達(dá)-1974 kN，集中在隧道外側(cè)墻處，兩隧道間的側(cè)墻初支受力相對(duì)較小，主要是由右洞出口及左洞進(jìn)口存在山坡體引起的偏壓造成的；y 向受力最大達(dá)-962 kN， 主要集中在左洞靠近斷層破碎帶的仰拱部位，拱頂最大達(dá)244 kN。 彎矩方向，x方向最大彎矩為-115 kN·m， 位于左洞拱腳與仰拱相交處，y 向彎矩最大為-39 kN·m，位于右洞仰拱部位。 拱頂?shù)膹澗匾话銥?7 kN·m。錨桿的軸力量值相對(duì)較小，當(dāng)雙洞貫通后，最大軸力值為24 kN，主要集中在斷層破碎帶附近，其它部位軸力值最大為19 kN。

按右洞先貫通時(shí)、 左洞貫通后對(duì)右洞初支沉降的影響及左洞貫通后， 將隧道初期支護(hù)拱頂?shù)某两底冃沃颠M(jìn)行提取統(tǒng)計(jì)，并繪制成初期支護(hù)拱頂沉降曲線變形圖，如圖13 所示，隧道水平變形較小，主要在斷層破碎帶處，水平變形最大達(dá)1.6 mm；隧道豎向變形相對(duì)較大，仰拱最大變形約為3.4 mm， 主要集中在隧道右洞出口段處，受山坡地形的影響較大。隧道右洞先貫通時(shí)，隧道拱頂初支的沉降變形呈先大后小的規(guī)律， 這主要是由于右洞出口段位于山坡之下，向進(jìn)口段為下穿高速公路段，因此，隧道拱頂以上覆蓋越厚，土壓力就越大，初支的沉降變形值就越大。 隧道左洞施工開(kāi)挖對(duì)已貫通的隧道右洞沉降變形影響相對(duì)較小，在經(jīng)過(guò)斷層破碎帶后，隧道左洞施工對(duì)右洞的沉降變形影響稍大， 主要是此段受斷層破碎帶和隧道凈距的影響；隧道在進(jìn)口段凈距較小，而出口段凈距較大。當(dāng)隧道左洞貫通后，沿著隧道軸線方向的拱頂沉降變形呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。 其原因是隧道左洞出口位于高速公路下方， 而進(jìn)口靠近山坡的坡腳與高速公路的交匯處，中間段受斷層破碎帶的影響產(chǎn)生較大的沉降變形。 當(dāng)隧道雙洞均貫通后，隧道初期支護(hù)拱頂最大沉降變形約為4.2 mm，位于模型中右洞出口段。 主要是由隧道拱頂上覆坡體較厚造成的。 而在斷層破碎帶附近，左洞的初支最大沉降約為3.6 mm。

圖13 隧道初期支護(hù)沉降變形

4.3 高速公路超載作用下隧道結(jié)構(gòu)受力與變形特征

根據(jù)以上受力分析可知，斷層破碎帶處受力較大，因此， 本次選取最不利斷面斷層破碎帶K2+670 處進(jìn)行初期支護(hù)計(jì)算。采用2 維地層結(jié)構(gòu)法，如圖14 所示，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)?？紤]到高速路上行車(chē)問(wèn)題，路面上超載按10 kN/m2。

圖14 斷層破碎帶K2+670 處平面模型

圖15 隧道K2+670 處雙洞貫通后變形云圖

隧道K2+670 處雙洞貫通后變形云圖如圖15 所示，隧道雙洞施工結(jié)束后，地表的最大豎向沉降變形約為1.64 mm，水平最大變形為0.7 mm，主要集中在斷層破碎帶附近。 隧道左洞的拱頂初支的豎向沉降變形值最大達(dá)2.4 mm，左洞拱腰處約為1.25 mm；隧道初支最大變形主要集中在拱腰處，這是由于兩側(cè)均存在山坡偏壓造成的。

如圖16～17 所示，初期支護(hù)的軸力上，雙洞外側(cè)的初支所受軸力較雙洞間的大，最大值為-1381 kN；彎矩最值集中在拱腳部位。 錨桿的軸力最大值約為19 kN，以上的受力響應(yīng)及變形與三維分析基本一致， 說(shuō)明三維分析是合理的。 隧道K2+670 處雙洞貫通后初期支護(hù)CF5d 和CF4a 的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

圖16 隧道K2+670 處雙洞貫通后初支襯砌內(nèi)力云圖

圖17 隧道K2+670 處雙洞貫通后初支錨桿軸力圖

5 結(jié)論

在已有的地勘資料基礎(chǔ)上， 對(duì)平嶺隧道下穿招銀疏港高速公路建立三維模型進(jìn)行模擬， 分析了隧道在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)高速公路路面地表變形的變化情況及隧道受力變形情況； 同時(shí)對(duì)隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地層結(jié)構(gòu)法和荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行了受力分析，得出以下結(jié)論。

(1)由三維計(jì)算，隧道雙洞貫通后，沿高速公路方向，路面地表變形呈現(xiàn)越靠近斷層破碎帶處變形越大、 遠(yuǎn)離斷層破碎帶處變形越小的規(guī)律。隧道雙洞貫通后，高速公路地表在靠近斷層處的地表最大沉降約為2.03 mm，其它部位地表沉降約為1.2 mm；地表水平變形很少；同時(shí)，二維計(jì)算也得出的地表豎向沉降變形值最大為2.4 mm，二維與三維計(jì)算結(jié)果一致， 說(shuō)明計(jì)算結(jié)果的有效性。 因此，分析認(rèn)為隧道開(kāi)挖對(duì)地表路面沉降變形影響很小。

(2)由三維計(jì)算，隧道初期支護(hù)的受力呈現(xiàn)出越靠近山體內(nèi)側(cè)，隧道內(nèi)力變化越明顯。 當(dāng)左右雙洞貫通后，隧道初支的外側(cè)受力明顯較兩隧洞間的偏大， 位于左右洞外拱腰處，主要是由地表山坡體引起偏壓造成的。這與二維計(jì)算受的趨勢(shì)基本是一致的。 三維與二維計(jì)算模擬隧道初期支護(hù)變形均發(fā)生在拱頂， 初支的最大沉降變形均為4.2 mm。 主要是由隧道拱頂上覆坡體較厚造成的。

(3)經(jīng)驗(yàn)算，初期支護(hù)的軸力上，雙洞外側(cè)的初支所受軸力較雙洞間的大，最大值為-1381 kN；彎矩最值集中在拱腳部位，錨桿的軸力最大值約為19 kN。 隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。