浅埋暗挖连拱隧道的衬砌结构数值分析

陈华艳，叶建峰，罗才松

(福建工程学院土木工程学院，福州350108)

随着城市基础设施建设的快速发展，城市道路中新建隧道越来越多，特别在中国发达城市地区，由于经济的快速发展，现有的交通路网已不能满足日益增加的车流量运输要求，在此状况下，越来越多的市政工程得以实施，城市道路通过隧道下穿既有构筑物工程逐年增多，使得对于在役结构的安全性评价越来越得到重视［1］.丁茂瑞［1］、王建秀［2］、蔺云宏［3］，阳军生［4］分别对隧道下穿既有建筑物、公路、铁路、高压输电塔等进行了分析，得出了隧道在下穿这些在役结构时应采取的措施.拟建隧道从既有高层建筑物下穿过，虽然中国有类似工程的成功经验，甚至更为复杂，但考虑到下穿过程每个地方有各自的地质环境，施工技术要求高，需要进行专项计算，以确保施工和运营安全.

1 工程概况

沿海某环岛路隧道为三车道Ⅵ级浅埋连拱隧道.需在高层房屋下穿过，隧道埋置深度仅10～30 m.地质条件差，主要穿越残积土、全风化岩和砂砾状强风化岩，具有泡水易软化、崩解，强度降低的特征;地下水位较浅，在较长时间的地下水作用下易产生“流泥”、“流砂”等的不良地质现象.设计中采取了全断面帏幕注浆止水、管棚及小导管超前支护、隔离桩切断围岩边侧变形、加强初期支护刚度及双层二次衬砌结构控制沉降、房屋基底采用高压旋喷桩加固房屋基础、三导洞法及CD法组织施工、控制爆破震动速率等措施确保围岩的稳定和控制地面房屋的变形［5］.

如何在不破坏地面建筑物及地下管线的情况下顺利穿越该地段是本工程成功的关键.为此，对该段隧道结构及施工对地表房屋的影响进行数值模拟分析十分有必要.

2 隧道结构计算

计算采用大型岩土分析软件MIDAS/GTS［6］，该软件是基于Visual C++在Windows环境下开发的岩土隧道结构专用有限元分析软件，提供了多样化的建模方式，具有强大的分析功能与图形处理能力.

2.1 计算断面的选取

按房屋与隧道的空间关系、预加固措施，分别选取2个典型断面进行计算分析.

2.1.1 第1 断面

该段隧道处于砂砾状强风化正长岩和花岗岩内，地质结构松散，渗透性弱.洞顶以上10 m范围内主要由残积亚黏土、全风化岩和砂砾状强风化岩组成，其中残积亚黏土和全风化岩压缩性中等，渗透性弱，其细粒土呈流塑状，稳定性极差，土体易出现流土变形.地下水埋深3.2～4.7 m，综合评价为V－Ⅵ级围岩.洞顶征地范围以内房屋可拆除，但是位于房屋两侧的受影响房屋有14栋，其中已查明8栋房屋基本完好，2栋房屋一般损坏.房屋离开挖线的最短平面距离只有5.6 m，拟定预加固方案为:沿房屋基础纵向采用φ120 cm隔离桩护壁，于桩顶设地梁，以增强隔离桩的纵向刚度，沿地梁每隔4.8 m设置一道横向支撑，以限制桩顶的侧向位移.

2.1.2 第2 断面

该段隧道围岩主要由泥质粗砂、残积黏土和全风化层组成，多呈松软至松散结构，稳定性均极差土体压缩性中等，土体扰动极易变形，地下水埋深2～3 m，综合评价为Ⅵ级围岩.据调查，该段房屋主要位于线路正上方和线路两侧，受影响的房屋有24栋，其中已查明基本完好的房屋7栋，一般损坏的房屋13栋，严重损坏的房屋1栋.

2.2 结构分析中围岩体采用的范围

按照一般岩石力学基本原理，围岩可选用3倍或以上洞径范围作为有限元分析区域，岩体选取范围以左线中心线为基准，左侧延伸到87.4 m，右侧延伸到113.2 m;上部延伸到地表;下部延伸到边墙圆弧中心点以下58.6 m.

2.3 边界条件及强度准则

计算模型的围岩体左边界只有水平方向约束(X方向)，右边界也只有水平方向约束(X方向)，顶部地表为自由面，底部只有竖直方向约束(Y方向)(自边墙圆弧中心点以下38.1 m).强度校核采用“摩尔－库仑”(Mohr－Coulomb)强度准则.

2.4 单元划分

根据本段浅埋衬砌段落较长的情况，采用平面应变单元.主要考虑到该断面附近围岩比较破碎，开挖过程中掌子面对围岩体的空间约束作用不会太强;同时掌子面对开挖的围岩和支护结构有一定的约束作用，作为安全储备.计算中，第一步模拟在预注浆后，隧道未开挖时的原始地应力状态，采用有限元平面应变等参单元划分网格;随着计算过程的继续(模拟围岩开挖，施加初期支护等)，逐步减去围岩体的平面应变单元，加入锚杆单元、喷射混凝土体的线应变单元，如图1所示.

图2 隧道施工过程模拟

2.5 计算模型

1)土体采用D－P屈服准则;2)房屋采用实体单元;3)超前支护(管棚、小导管、注浆)采用等代层刚度来模拟;4)初衬、二衬及仰拱采用梁单元模拟;5)锚杆采用杆单元模拟;6)按照设计隧道施工方案来模拟隧道开挖;7)围岩的无支护应力释放率为40%，支护承担60%的围岩应力释放.

2.6 计算参数的选取

见表1.

表1 计算参数取值

2.7 隧道开挖的模拟步序

计算模型中隧道开挖步序共16步，如图2.

3 计算结果分析

3.1 地表房屋安全性分析

根据各典型断面的计算模型，可计算出以上断面地表房屋的变形值，各计算断面的竖直位移分布云图如图3所示.表2列出了典型断面房屋最大沉降值、最大扰度比和最大水平应变，各房屋变形均在最小损坏等级内.仅仅26号房和34号房的绝对最大沉降值超过了30 mm，但是这两栋房屋所受应变均小于1‰，表面这两栋房屋还处于安全状态，但在施工中需要注意监测.从分析结果可见，设计措施对房屋的保护措施是有效的.

图3 各断面竖向位移云图

表2 房屋变形评价表

3.2 隧道结构安全性分析

同理，由上述计算模型，按照三导洞配合交叉中隔壁法施工，可计算出隧道自身结构的受力情况，其计算结果见图4所示.根据以上应力计算分布图可知，采用设计施工方案施工时，以上各典型断面初期支护产生的最大拉应力和最大压应力见表3所示.

表3 各断面初期支护产生的最大应力值

由表3可知，该隧道开挖后，在第2断面处，最大拉应力与最大压应力均最大，分别为1.5 MPa和3.5 MPa.均小于钢筋混凝土的极限拉应力和极限压应力.因此，从隧道结构自身看来，设计措施是可行的、安全的.

图4 各断面主应力云图

4 结语

本文通过对拟建隧道结构及地面建筑物进行有限元分析，考虑隧道所处的特殊地质条件，模拟隧道开挖的施工全过程，得出了隧道与上部地面建筑物的竖向位移云图，以及隧道自身结构的主应力云图.计算结果表明:采取设计拟定的工程措施是可以保证隧道施工过程中地面建筑物与隧道自身安全的.同时，由于有限元模拟分析是建立在均值围岩和各道工序都完全按照设计意图开展的理想状态之下，没有考虑施工过程中地下水对围岩的影响、爆破震动对地面建筑物的影响等因素，这就要求隧道施工过程中密切关注围岩的变化情况，严格注浆工艺，保证注浆质量，严格控制爆破施工，各道工序也应衔接紧密.即必须对隧道进行动态施工监测管理和安全隐患预报.

［1］丁茂瑞.新建隧道穿越既有建筑物的影响性研究［J］.中外公路，2011，31(4):210－212.

［2］王建秀，邹宝平，陈学军，等.填海区地铁盾构隧道下穿公路施工地层沉降规律的数值模拟［J］.中国铁道科学，2013，34(4):33－39.

［3］蔺云宏，李冀伟，王 飞.暗挖地铁隧道斜交下穿既有铁路的施工研究［J］.铁道工程学报，2012(11):82－86.

［4］阳军生，杨元洪，晏 莉，等.大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及其应用［J］.岩石力学与工程学报，2012，31(6):1184－1194.

［5］胡学兵，马建清，李 勇，等.密集建筑群下城市浅埋大跨隧道设计研究［J］.公路交通技术，2007，增刊:91－95.

［6］王海涛，易富民.MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计［M］.大连:大连理工大学出版社，2013.