基于数值分析的大跨度隧道拓宽沉降规律研究

刘庆斌（厦门市政府投资项目评审中心，厦门361000）

基于数值分析的大跨度隧道拓宽沉降规律研究

刘庆斌
（厦门市政府投资项目评审中心，厦门361000）

基于福州二环路金鸡山隧道扩建工程，采用有限元分析软件，针对金鸡山四车道隧道拓宽两个开挖方案进行沉降研究，得出隧道各部位沉降关系曲线。通过分析不同工况下隧道各部位的相互影响，并和监控量测数据进行对比分析，总结大断面隧道开挖沉降规律，提出工程建设措施和建议，为类似工程建设提供参考。

大跨度隧道拓宽沉降规律监控量测

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，交通量增长迅速，一些修建年代久远的公路、甚至是高速公路由于设计标准低，满足不了现有交通需求，影响经济的发展，需要改扩建才能达到相匹配的服务水平。改扩建的形式主要有既有单线隧道改建，既有单线隧道扩建为双线或多线隧道，以及既有单线隧道改建并增建复线隧道，目前国内外隧道拓宽案例有厦门大帽山隧道，浙江新岭隧道，鞍山玉佛山隧道；日本天王山隧道、大藏隧道等。

目前，国内学者和研究人员针对隧道改扩建也开展了大量研究，缪圆冰[1]针对连拱隧道中墙及二衬结构进行了研究，并提出加强措施；唐颖[2]针对特大跨度连拱隧道设计提出施工方法的分析，陈潇洋[3]针对城市大跨小净距隧道原位扩建工程施工力学进行分析，李健[4]针对既有隧道改扩建工程的结构安全性进行了研究。以上研究内容偏重于结构和安全性分析，对于隧道拓宽的沉降规律等暂无涉及。本文以金鸡山隧道扩建为例，基于有限元分析和监控量测数据的基础上，将工程可行性研究阶段k0+ 680和k0+800典型断面的两个对比开挖方案进行分析，并结合实际监控量测数据总结隧道各部位的沉降规律，提出工程建设措施和建议，为类似工程建设提供参考。

1 工程概况

金鸡山隧道位于福州市城市主干道二环路东北段，主洞隧道于1995年建成通车，设计行车速度50km/h，其平面呈分离双洞布置，按单洞两车道设计，行车道宽度为2×3.5=7m，双洞中心距离约38m，隧道长约577m。隧道东洞口紧接鹤林高架桥，与桥台的最小距离约64m。2005年在隧道的北侧约30m处又修建了一座双向混行的行人和非机动车隧道，其路面净宽约6.5m，隧道长约605m，。目前二环现状两个主要的交通瓶颈就是金鸡山隧道和象山隧道，两者均为双向4车道，与全线8车道严重不匹配。东二环目前日交通流量达到14万PCU/D，金鸡山隧道高峰小时流量达6400PCU/H，高峰严重拥堵。同时，金鸡山隧道从建成至今已有16年，由于材料老化及当时设计施工水平等原因，隧道局部出现混凝土剥落及二次衬砌完全脱空，从重庆公路工程检测中心提供的《试验检验报告》（2007年）[5]检测结果看：不同程度的病害已严重影响隧道的结构安全及正常使用，因此，金鸡山隧道急需进行拓宽改造，拓宽断面由原来的宽10.9m增加到18.8m，轮廓高度由原来的9.4m增加到13.0m，左右洞中线距离由37.65m至38.55m变为22.60至32.60m。拓宽平面及典型断面见图1～3。

图1 隧道拓宽与既有隧道关系图

图2 K0+680里程处拓宽断面图

图3 K0+800里程处拓宽断面图

2 地质构造及水文地质情况

2.1 地质构造

金鸡山隧道地处福州北部北东走向的大梦山—铁坑山—金鸡山断裂北侧相距0.5km，该断裂为压扭性力学结构面，隧道区内构造格局主要受该断裂带影响，花岗岩体风化构造线走向多呈北东向，均已被后期侵入的正长斑岩及基性辉绿玢岩脉所填充。

2.2 水文地质、工程地质

隧道所在区域内没有明显地表水，仅在局部山谷（K0+480和K0+620）西南侧存在两条山间沟谷，多数情况下为干涸状况。隧道洞身基本处于13○中风化粗粒花岗岩、13○1中风化花岗斑岩和13○2中风化辉绿岩中，围岩等级为Ⅳ-Ⅴ级。拓宽段在K0+460-K0+470、K0+640-K0+ 800段拟建隧道洞底上方15～20m处存在多个人防工程。

3 有限元模拟结果分析

3.1 有限元模型建立

隧道开挖模拟分析采用midas NX分析软件，基于地层结构分析法，沿结构纵向取1m长结构进行平面分析，针对大跨度小净距隧道设计的关键点，着重对围岩位移场、塑性区分布及变化、洞顶人防工程竖向位移变化等情况进行计算分析，进而指导设计和施工。

有限元计算模型如图4、5所示。根据提供的岩土工程勘察报告，提取相关参数，各地层围岩和支护结构的具体参数取值如表1、2所示。围岩采用平面应变单元，本构模型为Drucker－Prager模型；由于分析施工阶段，因此只考虑初支及临时支护的作用，二衬未参与分析。用刚度等效方法模拟初期支护及临时支护里的喷混和钢支撑，用梁单元模拟。

图4 K0+680典型断面有限元模型

图5 K0+800典型断面有限元模型

表1 隧道衬砌支护参数

表2 支护计算参数表

3.2 开挖设计方案

在K0+680里程处2种不同方案开挖顺序见图6、7，临时支撑采用14号工字钢，根据施工中实测数据反馈，原来为弧形的工字钢调整为竖直和水平支撑。在模型建立阶段按照刚度等效为厚度混凝土10cm。当右洞开挖完毕后，拆除右洞临时支撑。

图6 K0+680典型断面原开挖方案施工步骤示意图

图7 K0+680典型断面新开挖方案施工步骤示意图

图8 K0+800典型断面开挖原方案施工步骤示意图

图9 K0+800典型断面新开挖方案施工步骤示意图

3.3 数值模拟结果分析

根据有限元分析结果，选取左右洞拱顶、拱腰及拱底几个典型特征点，根据各个开挖阶段沉降数据绘制曲线如下：

图10 K0+680里程处右洞拱顶开挖沉降曲线图

图11 K0+680里程处右洞拱腰开挖沉降曲线图

图12 K0+680里程处右洞拱底处开挖沉降曲线图

图13 K0+680里程处左洞拱顶处开挖沉降曲线图

图14 K0+680里程处左洞拱腰处开挖沉降曲线图

图15 K0+680里程处左洞拱底处开挖沉降曲线图

从图10可看出，两个开挖方案拱顶的趋势与沉降值基本一致，原开挖方案最大沉降量为4.7mm，新开挖方案为4.6mm，隧道施工过程中，开挖阶段沉降约占总沉降量的75%~78%，拆除临时支护后沉降增加约25%~30%，但总体沉降量较少。施工过程中除应控制好开挖过程中的沉降外，拆临时支护后，二衬应及时制作，并加强对拱顶沉降的监控量测。

从图11可看出，右洞拆除临时支护后，原开挖和新开挖方案拱腰处位移都增大约1mm，且新开挖方案拱腰处位移比原开挖方案的位移大，新开挖方案待左洞临近右洞侧开挖支护完毕后，右洞拱腰处位移有明显的减小，说明左洞顶部强度达到强度后，可有效的减小侧向土压力。

从图12可看出，右洞初始开挖阶段，因新开挖方案先开挖左右侧土体，对拱底沉降作用不明显，到第八工况左洞开挖时，右洞拱底的位移有明显增加，说明左洞土体的侧压力对于右洞拱底沉降有显著影响，开挖时应尽快做好左洞的支护，避免对右洞的影响。原开挖方案中，在拆除右洞临时支护时位移有较大突变，当左洞支护完成后，对右洞拱底的影响逐渐减小。

通过对比分析，可以看出靠近左洞右半侧的支护施做对于右洞位移减小有明显的影响，因此在施工中应先做好开挖左洞右侧部分的支护，保证右洞的结构稳定。

从图13可看出，左洞开挖顺序不同对于拱顶的影响不大，与右洞拱顶类似，通过对比分析，可以看出靠近左洞右半侧的支护施做对于右洞位移减小有明显的影响，因此在施工中应先做好开挖左洞右侧部分的支护，保证右洞的结构稳定。

从图14可看出，左洞拱腰处在右洞临时支撑拆除时有较大影响，原方案与新方案最终沉降量大约一致，特别是新开挖方案中，右洞结构稳定后对左洞拱腰处沉降影响较大，应及时施做左洞处靠右侧的支护。

从图15可看出，原开挖方案拱底最大沉降为6.0mm，新开挖方案为3.2mm，因此及时施做顶部的衬砌对于降低拱底的沉降有明显作用。

图16 K0+800里程处右洞拱顶处开挖沉降曲线图

图17 K0+800里程处右洞拱腰处开挖沉降曲线图

图18 K0+800里程处右洞拱底处开挖沉降曲线图

图19 K0+800里程处左洞拱顶处开挖沉降曲线图

图20 K0+800里程处左洞拱腰处开挖沉降曲线图

图21 K0+800里程处左洞拱底处开挖沉降曲线图

从图16可看出，与K0+680断面拱顶趋势一致，说明开挖方式变化对于拱顶影响较小。

从图17可看出，新开挖方案下右洞拱腰最终沉降量为5.5mm，原开挖方案为5.0mm，，工况1-7的沉降占总沉降比的80%，说明在施工中要遵循“短进尺，快封闭”的原则，达到控制围岩变形的目的。

从图18可看出，左洞顶部的开挖对于右洞拱底的沉降有较大影响，沉降由3.2mm增加到6.2mm，占总沉降的50%，原方案和新方案最终沉降量大致相同。

从图19可看出，右洞稳定后，左洞拱顶沉降随开挖工况缓慢增加，从4.5mm增加到6.2mm，顶部开挖阶段的沉降占最终沉降的72%。且原方案和新方案最终沉降量大致相同，说明开挖方式对拱顶沉降影响不大，与k0+ 680断面趋势一致。

从从图20可看出，左洞拱腰沉降随开挖工况缓慢增加，从3.5mm增加到5.0mm，顶部开挖阶段的沉降占最终沉降的70%。且原方案和新方案最终沉降量大致相同，说明开挖方式对拱腰沉降影响不大。

从图21可看出，左洞拱底在第9工况下原方案和新方案有较大差别，说明预先开挖左洞右侧对拱底的沉降影响较小。

3.4 与实测数据对比分析

鉴于k0+680，k0+800里程右洞处无实测数据，根据《金鸡山隧道监控量测报告》[8]提供的数据，选取左洞处实测数据对比分析。Zk0+680断面无实测数据，选取临近的Zk0+643断面作为对比，根据报告数据实测沉降量约为7.35mm，模拟分析沉降量约为7.0mm，；同理Zk0+800处取Zk0+803断面作为对比，实测数据约为6.0mm，模拟分析沉降量约为6.2mm，误差较小，鉴于数据及沉降趋势与模拟相符合，说明模拟数据较为真实客观。

4 结语

本文通过有限元软件midas NX开展两种不同开挖方案下隧道各个部位的沉降规律分析。结论与建议如下：

（1）拱顶沉降与开挖方式无关，隧道拱顶沉降以开挖阶段沉降为主，约占70%~80%，施工中应做好监控量测。

（2）左洞顶部的开挖对右洞拱腰、拱底有较大影响，应先开挖左洞右侧土体，做好支护左洞右侧的支护，有利于减小右洞拱腰、拱底的位移。

（3）右洞拱腰处新开挖方案拱腰处位移比原开挖方案的位移大，说明先支护周边岩土体后开挖可有效的减小侧向土压力。

（4）隧道顶部人防工程沉降在控制范围内，为整体沉降，无不均匀沉降，对金鸡山隧道影响较小，说明施工措施得当。

（5）左右洞拆除临时支护后各部位位移有较大增加，临时支护及初支内力较大，主要受力不利点位于拱顶、仰拱拱脚及初支、临时支撑节点处，施工中应加强对这几个部位的监控量测，可以考虑设置大拱脚或加设型钢牛腿等措施。

[1]缪圆冰.双向8车道连拱隧道中墙及二衬结构分析[J].公路隧道，2011（3），25-29.

[2]唐颖.金鸡山特大跨度连拱隧道设计[J].公路，2007（8），216-220.

[3]陈潇洋.城市大跨小净距隧道原位扩建工程施工力学分析[M].重庆大学硕士毕业论文.

[4]李健，李昕.既有隧道改扩建工程结构安全性研究.[J].公路隧道，2013（1），7-11.

[5]重庆公路工程检测中心.金鸡山隧道试验检验报告.2007.

[6]刘建光.芜湖铁路枢纽改扩建方案探讨[J].铁路工程学报，2011（10）101-105.

[7]陈七林.金鸡山隧道拓宽结构设计[J].福建建筑，2014（9），79-86.

[8]福建省建筑工程质量检测中心有限公司福州市二环路金鸡山隧道监控量测项目部.福州市二环路金鸡山隧道监控量测简报.［JKLC-JJS-001］－［JKLC-JJS-020］.