厦门文兴路隧道台阶法施工数值模拟

罗炽华 李正波

(中铁二十三局集团第八工程有限公司，四川 成都 610091)

1 工程概况

厦门市文兴路隧道工程地质状况极其复杂，左线隧道ZK1+200～ZK1+600段东侧临近水库，平面最小距离20 m左右，隧道顶距离水库底部40多米，隧道与水库的平面关系见图1。隧道洞身穿越F3断层破碎带(ZK1+309～ZK1+328，YK1+335～YK1+390)，断层破碎带与东山水库相连，属于压扭性断裂带。该地区构造裂隙发育，不排除其他地段裂隙水与东山水库地表水有连贯的可能性等状况。

图1 水库与隧道的平面关系

东山水库平行于左线隧道，在其东侧20 m。枯水期水库储量不大，有水面积小，枯水期水深3 m～4 m，库容量5万m3～6万m3，雨季水库最大容量75万m3。如果水库在断层带存在渗漏，对隧道开挖将产生严重影响，且隧道开挖引起的水库渗漏没有合理的治理，将给水库蓄水带来较大影响。

2 数值模拟

本次数值模拟基于大型岩土工程有限差分软件FLAC3D，由于三维模型计算分析相当耗时，为了节约计算时间，提高计算效率，考虑各种最不利的因素，仅取 ZK1+250～ZK1+300段做分析，此段里程含有构造裂隙发育带、紧急停车带，隧道施工为短台阶法和CD法，三维有限差分模型如图2，图3所示，总共155100个单元，161874个节点。

弱风化花岗岩岩层和支护混凝土采用弹性的本构模型，强风化花岗岩和裂隙发育带采用m-c理想弹塑性本构模型，各岩层和混凝土参数分别见表1，表2。

水库的边界条件比较复杂，本次计算仅对水库的水压作等效水压力处理，未考虑库水渗流及其流固耦合。

计算结果如下:

图2 整体三维有限差分模型

图3 局部隧道模型

三维模型中隧道里程方向前10 m采用短台阶法开挖，中间30 m采用CD法开挖，后10 m采用短台阶法开挖，并且隧道断面采用紧急停车带的断面。计算过程中开挖阶段考虑荷载释放30%，初期支护阶段荷载释放60%，复合式衬砌阶段荷载释放10%，对于坐标轴的Y向对应为竖直方向，X向对应为隧道横断面方向，Z向对应为隧道里程方向，实际的ZK1+250～ZK1+300段对应模型中的0 m～－50 m。

表1 地层参数

表2 混凝土参数

1)左侧隧道0 m～－10 m台阶法开挖完后初期支护结果。

从图4～图8可以看出隧道的最大拱顶沉降为0.7 mm，侧墙为0.2 mm，初期支护的最大压应力为5 MPa，最大拉应力为0.8 MPa。因此，隧道在弱风化的花岗岩中掘进时，围岩、初期支护的位移、应力都处于可控范围之内，隧道施工安全。

图4 初期支护Y向位移（一）

图5 初期支护X向位移（一）

2)左侧隧道CD法开挖－10 m～－40 m和右侧隧道台阶法开挖0 m～－5 m。

图6 初期支护第一主应力（一）

图7 初期支护第二主应力（一）

图8 初期支护第三主应力（一）

图9 初期支护Y向位移（二）

a.初期支护的位移、应力结果。

基于隧道施工最不利的力学影响因素以及模型简化的考虑，计算过程中假设模型中的隧道里程－10 m～－40 m段全部穿越裂隙发育带，并且左隧道超前右隧道35 m开挖。初期支护的位移、应力结果见图9～图13。

图10 初期支护X向位移（二）

图11 初期支护第一主应力（二）

图12 初期支护第二主应力（二）

图13 初期支护第三主应力（二）

b.复合式衬砌的位移、应力结果。

从图14～图18可以看出隧道的初期支护施作完后，初期支护的最大拱顶沉降为5.5 mm，而复合式衬砌施作完成后，初期支护的最大拱顶沉降为5.9 mm，原因是由于隧道开挖引起的荷载释放在开挖阶段和初期支护阶段已经基本完成，因此，二次衬砌承受荷载较小，符合二次衬砌作为支护储备的设计原则，因此，二衬完成后，隧道沉降值变化不大。

图14 复合式衬砌Y向位移

图15 复合式衬砌X向位移

从上述应力云图可以得出初期支护的最大压应力为10 MPa，最大拉应力为1 MPa，而复合式衬砌的最大压应力为10 MPa，最大拉应力为2 MPa，最大拉应力出现在拱脚附近，因此，在施工过程中应重点保证这部分的施工质量。

图16 复合式衬砌第一主应力

图17 复合式衬砌第二主应力

图18 复合式衬砌第三主应力

3 结语

隧道在开挖的过程中遭遇构造裂隙发育带，所以在此过程中，开挖引起的位移较隧道在弱风化岩层中推进工况的大，并且该区与水库之间存在水力联系的可能性，一旦水力联系存在，势必会进一步引起隧道围岩的弱化，并且会进一步加速开挖后围岩位移的发展。

[1]厦门市市政建设开发总公司.厦门富水复杂地层城市隧道修建关键技术研究[R].厦门:厦门市市政建设开发总公司，2011.

[2]陈 涛.隧道玻璃纤维锚杆全断面预加固技术的应用研究[R].北京:中国铁道科学研究院，2008.

[3]李传富，梅志荣.高原高寒冻土隧道渗漏水防治技术的试验研究[J].现代隧道技术，2004，42(4):44-49.