双连拱隧道施工地表沉降及结构稳定性分析*

王学斌

(厦门路桥工程投资发展有限公司，福建 厦门 361026)

0 引言

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，城市公路网也随之快速发展，城市路网面临的挑战愈发严峻。因此发展立体交通的需求愈发强烈，除了修建城市地上高架桥外，地下交通的发展也进入快车道。在城市地下交通的建设中，双连拱隧道及其暗挖进洞的施工方法满足城市人口密集区域施工以及减小对居民生活影响等基本要求。

中隔墙是连拱隧道的重要组成部分，研究发现，在连拱隧道施工过程中，中隔墙受力情况非常复杂[1-2]。中隔墙的应力与位移变化对隧道整体稳定性影响较大。李英勇等[3]发现若中隔墙顶部回填不密实极易引发顶部围岩的大变形或塌方，并提出了有针对性的预防措施。张志刚等[4]通过研究在建大跨、浅埋偏压高速公路连拱隧道，提出了浅埋连拱隧道中隔墙的合理厚度。谭杰[5]通过研究得出中隔墙的作用机理和使用效果，分析了施加中隔墙临时横撑在连拱隧道开挖中的重要性。袁树成[6]研究了中隔墙底部压力的变化规律，利用改进的中隔墙稳定性判断公式对中隔墙的稳定性进行了验算，并提出了加强中隔墙稳定性的措施。

隧道衬砌是为了防止围岩变形或坍塌的永久性支护结构。王云隆等[7-8]通过模拟黄土岭隧道施工过程，在隧道偏压情况下先开挖偏压较大一侧洞室有利于降低隧道围岩变形量，并得出3次衬砌中第1次衬砌相较于第2次衬砌对降低围岩变形量的影响更大。张春洪等[9]通过现场试验研究双连拱隧道施工过程初期支护和二次衬砌的受力得出：二次衬砌的存在使得隧道快速达到受力稳定状态。陈华艳等[10]采用有限元数值模拟的分析方法，考虑隧道所处的特殊地质条件，模拟隧道开挖施工全过程，采取拟定的衬砌修筑工程措施，可以保证隧道施工过程中地面建筑物与隧道自身安全。马福彬等[11]通过数值模拟研究二次衬砌受力状态，指导二次衬砌的合理设置，降低衬砌破坏的概率。

在隧道施工过程中，由于对岩体的开挖导致围岩应力应变的变化，继而存在诸多工程问题。陈青帅[12]通过对连拱隧道的研究得出连拱隧道在不同开挖过程中围岩的变形与应力变化规律，为类似双连拱隧道的设计和施工提供参考。李新志等[13]对隧道施工地表沉降进行研究，分析了施工措施对地表沉降的影响规律，得到了地表沉降的量值和分布特征。李永斌[14]揭示出施工各阶段围岩应力集中位置和潜在塑性破坏区，不仅为隧道的安全顺利施工提供了预警信息和直接指导，同时为连拱隧道的优化设计提供可靠的理论依据。白家设等[15]通过现场监测和三维数值模拟研究双连拱隧道的位移变化规律，研究表明：支护结构变形以竖向沉降为主，水平收敛较小；及时使支护结构封闭成环，能有效改善结构受力，抑制隧道结构变形。

在厦门第二西通道(海沧隧道)双连拱隧道工程中[16-17]，采用中导洞加主洞双侧壁暗挖进洞以及“双初支、单二衬”的施工方法，研究该工法基于超浅埋、变截面、复杂地质等条件下，不同工况下双连拱隧道开挖对隧道上部地表沉降的影响，降低隧道开挖对周围建筑和市民生产生活的影响，对比分析变截面相较于普通断面所受应力的不同，继而预测整个隧道工程中危险截面的位置，以及施工过程中隧道结构的应力变化规律，分析双连拱隧道不同部件所受应力的规律，加大双连拱隧道受力较大部件的强度，为后续双连拱隧道的施工提供了理论和实际工程依据。

1 工程概况

厦门第二西通道(海沧隧道)是穿越厦门西海域，连接海沧区和本岛湖里的重要通道，也是厦门公路骨干网“两环八射”中的重要组成部分，对缓解厦门的交通压力，提升厦门岛西部交通能力有重要意义。

针对160m双连拱暗挖对临近结构的影响，研究采用中导洞加主洞双侧壁开挖以及“双初支、单二衬”的双连拱隧道施工方法的安全可靠性。依据文献 [18]中的规定：当拱顶覆土厚度(H)与结构跨度(D)符合H/D≤0.6的条件时，称为超浅埋隧道，隧道整体埋深为5.9～13.4m，横向结构跨度为41.05～45.95m，因此该双连拱隧道均为超浅埋。双连拱隧道如图1,2所示，隧道分为4个衬砌截面，分别在原有三车道的基础上加宽1.5，3，4.5，5.1m。

图1 双连拱隧道剖面

图2 双连拱隧道数值模型平面

2 数值模拟

为研究变截面、不同埋深、不同地质条件下隧道施工对周围地表沉降以及结构变形、受力的影响，分别选取隧道的3种工况如图3所示，建立有限元数值模型进行分析，分别命名为模型a，b，c。模型a的尺寸为10m×100m×50m，根据地质勘察资料，由上而下的覆盖层分别为1m厚的杂填土，13m厚的残积土，13.5m厚的砂砾状强风化花岗岩，3m厚的砂砾状强风化花岗岩，20.5m厚的中风化花岗岩。模型b的尺寸为10m×100m×50m，但前后包含两种隧道截面尺寸，根据勘察资料，由上而下的覆盖层分别为1m厚的杂填土、4m厚的砂砾状强风化花岗岩、45m厚的微风化花岗岩。模型c的尺寸为10m×100m×50m，根据地质勘察资料，由上而下的覆盖层分别为1.8m厚的杂填土，13.3m厚的砂砾状强风化花岗岩，34.9m厚的微风化花岗岩。3个数值计算断面分别对应工程中的YK16+790，YK16+840和YK16+946断面，如图3所示。

图3 双连拱隧道数值模型

在有限元建模中将中隔墙、衬砌和临时支撑部分的部件利用自定义的场变量(field variable)将该部件的参数从风化花岗岩转变为钢筋混凝土的材料参数，最后利用生死单元移除隧道内部的开挖部分。模型中残积土和杂填土使用莫尔-库伦模型，风化花岗岩、衬砌、临时支撑、中隔墙使用线弹性模型，模型中各材料的物理力学参数如表1所示。由于模型部件和接触面过多会增加计算的难度和精度，因此在模型装配之后，将所有部件合并成一个整体且保留所有的接触面，然后利用自重应力定义模型的初始地应力平衡。模型a，c在网格划分时网格划分类型选用六面体，计算类型选用C3D8R。

表1 杂填土和残积土的物理力学参数

3 数值验证

为验证模型的有效性需要对比模型的计算值与第三方变形监测值。选取监测点与数值计算结果进行对比分析，左右两侧隧道拱顶下沉的监测结果和数值计算结果如图4所示，中隔墙在x，y，z不同方向上的位移数值计算结果和监测结果如图5所示，由图可知数值计算结果和监测结果趋势基本一致，因此模型的计算结果是十分有效的。

图4 隧道拱顶下沉的数值计算结果和监测值

图5 中隔墙位移的数值计算结果和监测值

4 数值分析

绘制了YK16+790，YK16+840和YK16+9463个不同断面在开挖过程中地表沉降如图6所示。

图6 隧道施工过程中地表沉降

由图6可知，模型中点位于距左侧50m处。随着隧道的开挖地表的沉降逐渐增大，特别是临时衬砌的移除对隧道表面的沉降影响最大。模型a由于上覆层是土层弹性模量较小、泊松比较大所以地表沉降和沉降影响范围较大，且下部隧道和中隔墙对地表沉降的影响是不同的。模型b，c由于上覆层是风化花岗岩整体性较好、弹性模量较大、泊松比较小，因此地表沉降较小。

YK16+790，YK16+840和YK16+946这3个不同断面在开挖完成后隧道衬砌的竖向应力云图如图7所示。

图7 隧道施工过程中衬砌与中隔墙竖向应力

由图7可知，由于隧道内部,开挖，隧道上部和底部因为自重荷载的消散进而隧道内部应力分布发生变化，会产生垂直隧道开挖法线方向的应力，在双连拱隧道的中隔墙和拱脚位置会产生应力集中现象，因此承担了更大的应力，变截面双连拱隧道相较于普通截面，其所受应力远大于其他截面，需要重点监测和研究该部分的稳定性。

5 结语

1)在相似上覆层及地质条件下，隧道截面面积越大，地表沉降越大，隧道在开挖过程中临时支撑起重要作用，隧道分步开挖有效减弱了隧道地表的沉降速率。当上覆层由残积土变为风化花岗岩时，隧道上部地表沉降和地表沉降影响范围会减小。在隧道的变截面施工过程中，小截面开挖对隧道上部沉降的影响小于大截面开挖。

2)在隧道开挖过程中，由于隧道开挖部分自重应力的消失，导致隧道顶部和底部会产生垂直隧道开挖方向的垂直应力，由于应力的重分布，隧道在开挖后，中隔墙和拱脚位置产生应力集中现象，相较于其他位置中隔墙需要承担较大应力，变截面隧道的中隔墙承受了更大的竖向应力，需要进行特殊加固处理。

3)通过研究隧道施工过程中危险截面的位置和隧道开挖对地表沉降的影响，表明降低隧道的截面面积和加大埋深可降低对地表的影响，隧道的变截面处拱脚和中隔墙所受应力远大于其他截面，需要进行局部加强处理。