龙凤溪区间隧道下穿外环高速公路有限元分析

李岳，郭艳华

（1林同棪国际（重庆）工程咨询有限公司 重庆 401121 2厦门市政工程设计院重庆分院 重庆 400015）

龙凤溪区间隧道下穿外环高速公路有限元分析

李岳1，郭艳华2

（1林同棪国际（重庆）工程咨询有限公司 重庆 401121 2厦门市政工程设计院重庆分院 重庆 400015）

龙凤溪区间隧道是重庆轨道六号线二期工程中的一段线路，该隧道下穿重庆外环高速公路和临近匝道，并与两个重力式桥台距离较近。为了确保区间隧道施工不影响高速公路的正常运营，本文用三维弹塑性有限元方法，对龙凤溪区间隧道的施工进行有限元仿真模拟，预测隧道施工对高速公路和桥台变形影响。计算结果表明，龙凤溪区间隧道施工仅引起1号匝道产生较大变形，需要加固，外环高速公路和临近桥台在施工过程中可以正常运营。这一结论为该工程的顺利实施提供了依据。

隧道；有限元分析；管棚

1 工程概述

龙凤溪区间隧道是重庆轨道六号线二期工程中的一段线路，该隧道位于北碚新城绕城高速西侧匝道边坡底部，线路长180m。区间隧道为左、右两条单线单洞隧道，洞跨5.47m，洞高4.60～6.81m，隧道中心线间距15.0m，属小净距隧道。

龙凤溪区间隧道上方是重庆外环高速公路和临近匝道，如图1所示。区间隧道采用下穿形式穿越外环高速公路和1、2号匝道。外环高速公路路面宽度40m，1、2号匝道路面宽度10m。区间隧道除穿越三条高速公路外，还与公路范围内两个结构物距离较近——刘家沟大桥桥台和2号匝道重力式桥台，隧道施工会对临近建筑物有较大影响。

图1 区间隧道与高速公路和结构物关系

刘家沟大桥桥台为重力式桥台，扩大基础，桥台宽度约40m。桥台左侧挡墙与区间隧道右线重合，如图2所示。设计方在保证满足列车限界前提下，通过优化截面，降低隧道高度，使桥台与隧道衬砌间的围岩厚度有3.848m。因保留岩层厚度仅有0.5倍的隧道开挖高度，所以区间隧道施工存在一定风险。

图2 区间隧道与刘家沟大桥桥台立面关系

区间隧道左线从2号匝道下方的重力式桥台穿过。2号匝道桥台为U型重力式桥台，扩展基础，桥台宽10.0m。在立面关系上，2号匝道桥台基础底标高246.00m，与区间隧道洞顶之间有6.51m的高差。桥台与区间隧道右线的立面关系见图3。

图3 区间隧道与2号匝道桥台立面关系

龙凤溪区间隧道穿越地层围岩条件较差，并且隧道范围内又有外环高速公路、高速公路匝道和桥台等建筑物，因此龙凤溪区间隧道的施工对外环高速公路的运营具有一定影响，需要通过有限元仿真分析对其可行性进行安全性评估。

2 三维有限元模型

2.1 计算范围和单元划分

计算采用ANSYS有限元程序进行数值模拟。根据影响范围为开挖半径5倍的原则[1]，计算模型沿线路纵向取160m，沿线路横向取200m，从地表向下取60m。计算土体采用SOLID45实体单元，隧道衬砌采用SHELL63壳体单元，屈服条件采用Drucker－Prager屈服准则。建好的三维有限元模型如图4、5。

图4 三维有限元模型

图5 区间隧道与桥台三维有限元模型

2.2 围岩参数

龙凤溪区间隧道所穿越的地层有人工填土层（围岩1）、中等风化砂岩层（围岩2）和泥岩层（围岩3）三类，这三类岩层的分布见地质纵剖面图6,围岩力学参数见表1。区间隧道洞口段，因外环高速公路及匝道的修建存在大量的填土层，对隧道施工不利。区间隧道其他区段主要以中等风化砂岩层和砂质泥岩层为主，隧道施工相对有利。

图6 围岩分布

表1 三维模型计算参数

2.3 计算荷载

根据荷载类型可将荷载分成结构自重、隧道开挖产生的围岩释放荷载、高速公路车辆荷载和桥台荷载这四部分。隧道开挖产生的围岩释放荷载由有限元程序模拟开挖计算得到，高速公路车辆荷载按20kPa计算，刘家沟大桥桥台荷载按200kPa计算，2号匝道桥台按167kPa计算。施加荷载边界条件的有限元模型见图7所示。

图7 荷载边界条件

2.4 计算步

在地下工程有限元计算中，通常只考虑初期支护中的喷射混凝土层和二次衬砌对隧道开挖变形进行约束，锚杆、钢拱架等其他初期支护作为安全储备，计算中不予考虑。在本方案中，区间隧道入口段处于填土层中，区间隧道中间段下穿刘家沟大桥桥台基础，所以设计方采用大量管棚提高隧道开挖时地层的纵向刚度。如果计算中完全忽略管棚作用，会导致隧道开挖后地表沉降较大，与设计方案采用管棚降低地表沉降的初衷相悖。因此，本次计算采用两个计算工况对区间隧道开挖进行模拟。工况1：不考虑管棚作用，只模拟隧道开挖和喷射混凝土、二次衬砌的支护；工况2：考虑管棚作用，将管棚作用区域内围岩的弹性模量提高10倍，其它围岩参数不变，管棚加固围岩在区间隧道开挖前一个计算步更改材料属性。工况1、2的计算模型差异见图8、图9。

图8 施工阶段有限元模型

图9 运营阶段有限元模型

计算模型采用13个算步模拟龙凤溪区间隧道土体的开挖和衬砌支护。计算步1模拟在自重应力场、高速公路地面超载、桥台荷载作用下围岩的初始应力状态；计算步2～13，模拟区间隧道开挖和衬砌支护过程，每个计算步的开挖和支护长度约为16m。模拟计算中，右线隧道比左线隧道提前一个计算步先开挖，而隧道衬砌支护落后于围岩开挖一个计算步。区间隧道开挖和支护在ANSYS中可采用“死”、“生”单元的方法实现[2]。

3 计算结果

3.1 计算结果比较

按照上面所述的计算工况和开挖步计算，可以得到不同工况下位移计算结果，见表2。

表2 位移计算结果（单位：mm）

龙凤溪区间隧道施工，对1号匝道的位移影响最大，外环高速公路次之，2号匝道影响最小,这主要与围岩分布有关。1号匝道全部由填土层构成，隧道施工完全在填土层中进行，因此施工引起1号匝道位移沉降最大，最大沉降达到29.6mm。外环高速公路一半道路修建在中风化砂岩层，另一半在地面填土层。这使外环高速公路在填土层的坡脚处产生较大变形，而高速公路路面竖向位移只有5.4mm，能满足公路行车平顺的要求。2号匝道修建在砂岩层上，所以隧道施工产生的竖向变形最小，最大沉降4.0mm。隧道施工对刘家沟大桥桥台和2号匝道桥台位移影响较小，这是因为这两座桥台基础均位于中风化砂岩层中，可以抵抗隧道开挖引起的围岩变形。工况2模拟了初期支护管棚提高围岩纵向刚度的效果，这使工况2的变形值要小于工况1。这一结果说明设计方采用管棚提高围岩纵向刚度的方法是有效的。计算得到的高速公路位移云图如图10所示。区间隧道施工除了对1号匝道影响较大以外，其他公路和桥台结构均满足行车平顺和安全要求。对1号匝道变形较大的处理方法可采取预先注浆加固，或者隧道施工完成后对匝道路面进行修补方法，弥补隧道施工产生的不利影响。

图10 地表位移云图(m)

3.2 位移沉降曲线

为了更好地了解龙凤溪区间隧道施工对外环高速公路和1、2号匝道的位移影响，在有限元模型中取三条公路的中心线A-A、B-B和C-C作为位移观测截面，得到隧道施工完成后，三条公路的位移沉降。观测截面如图11所示，位移曲线结果见图12。

从图13所示位移曲线中可以看出1号匝道中心线最大沉降19.12mm，会影响路面车辆平顺行驶，区间隧道施工完成后需要对路面进行改造；外环高速公路路面最大沉降5.4mm，满足路面车辆平顺行驶的要求；2号匝道路面最大沉降2.09mm，满足路面车辆平顺行驶的要求。区间隧道施工完毕后，三条公路的变形如图13所示。

图11 位移观测截面

图12 观测截面竖向位移

3.3 隧道结构内力安全性评价

图13 高速公路变形图

龙凤溪区间隧道修建完成后，在刘家沟大桥桥台和2号匝道桥台处会产生较大结构内力。取刘家沟大桥桥台下的隧道截面为截面1，2号匝道桥台下的隧道截面为截面2，对这两个位置进行横向截面内力计算。这两处截面的隧道衬砌弯矩图见图14、15。

将所计算出的结构内力，按照 《铁路隧道设计规范》（TB10003—2005）可以计算各截面在偏心受压下的安全系数和截面指定位置的裂缝宽度，区间隧道二次衬砌厚350mm，横向截面按Φ25@150配筋，计算结果见表3所示。

图14 截面1衬砌弯矩图（N·m）

图15 截面2衬砌弯矩图（N·m）

表3 衬砌内力验算

表3表明龙凤溪区间隧道的截面尺寸和配筋设计能够承受地面高速公路荷载和桥台荷载的作用，并满足隧道结构的承载能力要求和正常使用要求，因此区间隧道的设计是安全的。

4 结论

（1）龙凤溪区间隧道施工引起外环高速公路、2号匝道路面以及刘家沟大桥桥台、2号匝道桥台的变形较小，满足行车平顺要求，可不进行加固处理。但施工引起1号匝道路面竖向变形过大，需要进行加固处理。

（2）对比分析表明，设计方案采用管棚进行超前支护，可以在隧道施工时更有效控制围岩变形和地表沉降，是合理的施工方案。

（3）计算分析表明，当前龙凤溪站后区间隧道的设计、施工方案可以确保施工过程中和施工完成后外环高速公路、2号匝道以及刘家沟大桥桥台、2号匝道桥台的安全。1号匝道因位于填土层上，隧道施工会产生有较大变形，需要采取相应的处理措施。

[1]关宝树.隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社.1993：49-54.

[2]吴波,高波,等.城市地铁小间距隧道施工性态的力学模拟与分析[J].中国公路学报,2005;（3）84-89.

[3]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[4]TB10003-2005,铁路隧道设计规范[S].

[5]李强,王明年.浅埋隧道近接施工地表沉降有限元分析[J].四川建筑.2004,24(5):98-101.

[6]章立峰,刘建国.地铁区间隧道施工过程动态模拟分析[J].隧道建设.2003,23(6):3-5.

Finite-ElementAnalysisover Longfengxi Interval TunnelCrossing Under theOuter Ring Expressway

Longfengxi Interval Tunnel is partof Chongqing Rail Transiton the 6th line in the Second-Phase Project.The tunnel,adjacent to a ramp and close to two gravity abutments,crossed thewhole Chongqing Outer Ring Expressway.To ensure that the construction of the interval tunnelwould notaffect the normal operation of the expressway,the paper,by using the three-dimensional elastic-plastic finite-elementanalysismethod,did finite-element analogue simulation of the construction of Longfengxi Interval Tunneland predicted its deformation influence on the expressway and bridge abutments.The calculation resultsshowed that the construction of Longfengxi Interval Tunnelwould cause comparatively large deformation for Ramp 1 which is in need of reinforcement.But the Outer Ring Expressway and adjacent gravity abutments could operate normally.This conclusion provided basis for the successfulconstruction of thisproject.

tunnel;finite-elementanalysis;tube shelter

U455.4

A

1671-9107（2011）07-0014-05

10.3969/j.issn.1671-9107.2011.07.014

2011-03-21

李岳（1980-），女，工程师，工学硕士，主要从事桥梁与隧道结构设计。

余咏梅