新奧法隧道穿越下伏斷層破碎帶高速公路有限元分析

鄭 杰

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300)

自20 世紀50 年代，新奧法隧道施工(NATM)技術在奧地利取得成功以來， 在隧道開挖建設中受到越來越廣泛的應用[1-6]。然而新奧法施工在開挖過程中，不可避免對地層產生擾動，同時由于地層損失率較大，造成圍巖體的應力重分布， 導致圍巖的變形和沉降， 在線路交叉工程中，隧道的下穿施工往往引起上部建(構)筑物的二次應力和變形，對于高速公路而言，隧道的下穿施工極易引起較大的路面沉降， 進而引起高速公路路面開裂甚至路基失穩，危機路面交通安全[7-9]。高速公路運營對路面沉降要求較為嚴格，為了減小隧道施工對路基的擾動，隧道下穿路基施工時需采取可靠的變形控制措施[10]。

本文使用巖土工程有限元計算分析軟件MIDAS GTS 建立三維模型進行計算，通過建模和數值模擬，對龍海市浮南大道(二期)道路工程下穿招銀疏港高速公路項目， 建立三維模型分析了隧道在開挖過程中對高速公路路面地表變形的變化情況及隧道受力變形情況， 同時對隧道的支護結構采用地層結構法進行了受力分析， 研究成果可為類似工程提供參考， 也可為相關研究提供基礎資料。

1 工程概況

浮南大道(二期)道路工程位于龍海市浮宮鎮東側，作為龍海經濟開發區的基礎配套設施工程之一， 起點位于興安路交叉附近，與浮南大道(一期)對接，沿招銀高速路北側由西向東分別經過平埔村、丹溪村、后寶村、嶺兜村，設置隧道下穿招銀高速，終點接于浮宮鎮與港尾鎮交界處附近，與浮南大道港尾段起點相接，道路全長約4.741 km，如圖1 所示。

圖1 工程項目平面位置圖

招銀疏港高速目前為運營高速公路， 采用六車道高速公路標準，路基寬度33.5 m，設計速度100 km/h。 結合基本農田范圍、周邊地形地貌及規劃路網情況，采用隧道(平嶺隧道) 下穿招銀疏港高速公路設計方案。 平嶺隧道(右線YK2+370～YK4+410，左線ZK2+370～ZK4+410)全長1730 m， 整體呈北西-南東走向， 屬長隧道。 右線里程YK2+679.914 與下穿招銀疏港高速公路里程K11+125.647 交叉，左線里程ZK2+773.579 與下穿招銀疏港高速公路里程K11+214.888 交叉， 交叉角度呈23°～24°夾角，如圖2 所示。

圖2 下穿隧道與招銀疏港高速平面關系圖

交叉段主線設計高程與高速公路主線路面高程差約23.41～24.74 m。 高速公路路面距隧道開挖輪廓拱頂約14.93 ～16.26 m。 進口標高10.56 m，出口標高19.21 m，最大埋深81 m。

2 工程地質條件

隧址區地層巖性較單一，覆蓋層主要為殘坡積(Qel+dl)粉質黏土、礫質黏性土，下伏燕山早期侵入巖(γ52(3)c)花崗巖，局部有近期人工填土分布。 隧道穿越斷層破碎帶F1，該破碎帶與隧道軸線約呈45°斜交，與隧道左線、右線相交里程分別為ZK2+730、YK2+670，斷層破碎帶的產狀為162°∠82°，近乎直立， 受構造影響圍巖巖體較破碎，Rc=66.3MPa，Kv=0.25，[BQ]=220，地下水較發育，主要為基巖裂隙水，開挖時呈淋雨狀出水，圍巖穩定性很差，易坍塌。平嶺隧道下穿招銀疏港高速公路段以IV 級圍巖為主， 僅斷層破碎帶段為V 級圍巖。 各地層工程地質特征描述見表1。

表1 隧址區地層概況

3 數值模擬分析

3.1 數值計算方案的確定

為評估平嶺隧道的開挖對運營招銀疏港高速可能帶來的影響，以及分析隧道結構自身的受力及變形特征，使用巖土工程有限元計算分析軟件MIDAS GTS 建立三維模型進行計算， 確保高速公路的正常運營以及交叉段平嶺隧道的安全施工和隧道結構的穩定。 因此建立如下計算方案：

(1)左右線隧道的掘進采用新奧法施工，全斷面開挖并利用錨桿進行初支護，隨后進行二次襯砌，大斷面的開挖使得土層存在一定的損失，對地層產生擾動，上覆圍巖體的應力產生重分布，并伴隨沉降的產生，特別是在斷層破碎帶處，土體受到擾動的影響更為敏感。 因此，為考慮隧道的開挖對運營隧道的影響， 模擬分析時依據新奧法工藝進行計算， 隧道隨挖隨支護， 先完成右線隧道的貫通，隨后完成左線貫通，隨后提取高速公路線路軸線方向上地表的位移曲線，觀測其變化特征。

(2)隧道的開挖和支護，是圍巖與結構力學體系的重構，在隧道的開挖過程中，也應觀測襯砌結構的應力和變形，因此，計算時應考慮支護剛度和圍巖應力的釋放，使計算結果剔除了初始應力和應變的影響。

(3)為保證運營環境下，隧道開挖和支護的安全性和穩定性，交叉段隧道考慮車輛的超載作用，對最不利斷面位置處即斷層破碎帶處的支護結構進行受力和位移計算，考慮上覆車輛超載為10 kPa。

3.2 數值計算三維模型的建立

為了避免邊界效應， 在建立是隧道-公路-土體整體模型時，可以取3～5D(D 為隧道直徑)范圍進行計算，因此建立模型尺寸寬×長×高(x×y×z)為100 m×180 m×82 m(最大高度98 m)，模型網格劃分采用軟件內嵌程序進行自動劃分，如圖3 所示，兩側邊界約束水平方向的位移，底部邊界約束豎向位移，頂板邊界自由，且可在高速公路面上施加車輛超載。隧道襯砌結構采用板單元進行模擬，錨桿采用桿單元進行模擬，如圖4～5 所示。

圖3 隧道-高速公路-土體整體三維模型

圖4 左、右線隧道三維模型

圖5 隧道支護體系三維模型

3.2 數值計算參數、本構關系及計算步驟的確定

模擬時，假設所有材料均為均質、連續、各項同性的，圍巖采用符合莫爾-庫倫屈服條件的材料模擬，混凝土結構以及錨桿等符合線彈性虎克準則， 采用三維實體計算模型。 圍巖體的計算參數如表2 所示。

混凝土結構的計算參數及支護錨桿的規格型號見表3～4。

表2 隧址區土層物理力學參數

表3 混凝土襯砌結構的物理力學參數

表4 支護錨桿的規格型號

施工模擬時按設計的開挖步驟進行； 設計文件中要求，為減少網格和節點數量，對此模型隧道，采用全斷面模擬開挖，從大里程向小里程方向開挖，先挖右洞，再挖左洞， 具體步驟為①初始地應力分析②位移清零③右洞施工：第一次開挖④右洞施工：第一次初支⑤左洞施工：第一次開挖⑥左洞施工：第一次初支。

4 計算結果分析

4.1 隧道開挖對運營高速公路影響

隧道開挖之前，為保證計算結果的可靠性，應對初始應力場進行分析，并在計算結果中提出初始應力的影響。圖6 為圍巖初始應力計算結果，從圖6 中可以看出，模型底部最大豎向應力為1654 kPa， 模型底部最大水平應力為797 kPa，模型最大高度為98 m，由于高速路兩側為削坡，存在偏壓的影響，結果符合實際情況。

圖7～8 分別是右線隧道貫通和左線隧道貫通后模型的位移云圖，從圖中可以看出，在相同方向上，左線隧道的開挖都會在右線隧道開挖的基礎上， 促進圍巖體的位移進一步增加。 隧道開挖對地表高速公路x、y 水平方向變形影響很小，當隧道雙洞貫通后，水平x 方向最大變形為1.6 mm，水平y 方向的最大變形為0.7 mm，主要在斷層破碎帶附近。豎直z 方向即地表沉降變形相對較大；為了充分研究高速公路地表的沉降變形， 在左右雙洞貫通后，沿高速路走向，提取地表變形值。

圖6 隧道開挖前初始地應力分析

圖7 隧道右洞貫通后地表變形

圖8 隧道左洞貫通后地表變形

如圖9 所示，當隧道左右洞貫通后，沿著招銀疏港高速公路方向， 地表豎向沉降變形呈現明顯的規律性變化。 隨著隧道的開挖，地表沉降變形逐漸增加，越靠近斷層破碎帶處，地表沉降變形值越大，遠離斷層破碎帶處，地表沉降變形越小。 當越過斷層破碎帶后，隨著右洞持續開挖，地表變形逐漸減小；當左洞貫通后，地表相同位置的沉降變形持續增大，在大里程方向，地表沉降變形增幅較大；隧道雙洞貫通后，高速公路地表在靠近斷層處的地表最大沉降約為2.03 mm，其它部位的地表沉降約為1.2 mm，因此，計算分析認為隧道開挖對地表路面影響很小。

圖9 高速公路地表沉降曲線

4.2 隧道開挖對隧道結構的受力和變形影響

圖10 隧道襯砌受力云圖

圖11 隧道襯砌彎矩云圖

圖12 隧道襯砌剪力云圖

圖10～12 分別為雙洞貫通時初期支護受力云圖、彎矩云圖、剪力云圖。從圖中可以看出，靠近山體內側，隧道內力變化越明顯。 當左右雙洞貫通后，隧道初支的受力x方向呈現出隧道外側受力明顯偏大，最大達-1974 kN，集中在隧道外側墻處，兩隧道間的側墻初支受力相對較小，主要是由右洞出口及左洞進口存在山坡體引起的偏壓造成的；y 向受力最大達-962 kN， 主要集中在左洞靠近斷層破碎帶的仰拱部位，拱頂最大達244 kN。 彎矩方向，x方向最大彎矩為-115 kN·m， 位于左洞拱腳與仰拱相交處，y 向彎矩最大為-39 kN·m，位于右洞仰拱部位。 拱頂的彎矩一般為27 kN·m。錨桿的軸力量值相對較小，當雙洞貫通后，最大軸力值為24 kN，主要集中在斷層破碎帶附近，其它部位軸力值最大為19 kN。

按右洞先貫通時、 左洞貫通后對右洞初支沉降的影響及左洞貫通后， 將隧道初期支護拱頂的沉降變形值進行提取統計，并繪制成初期支護拱頂沉降曲線變形圖，如圖13 所示，隧道水平變形較小，主要在斷層破碎帶處，水平變形最大達1.6 mm；隧道豎向變形相對較大，仰拱最大變形約為3.4 mm， 主要集中在隧道右洞出口段處，受山坡地形的影響較大。隧道右洞先貫通時，隧道拱頂初支的沉降變形呈先大后小的規律， 這主要是由于右洞出口段位于山坡之下，向進口段為下穿高速公路段，因此，隧道拱頂以上覆蓋越厚，土壓力就越大，初支的沉降變形值就越大。 隧道左洞施工開挖對已貫通的隧道右洞沉降變形影響相對較小，在經過斷層破碎帶后，隧道左洞施工對右洞的沉降變形影響稍大， 主要是此段受斷層破碎帶和隧道凈距的影響；隧道在進口段凈距較小，而出口段凈距較大。當隧道左洞貫通后，沿著隧道軸線方向的拱頂沉降變形呈現出先增大后減小的規律。 其原因是隧道左洞出口位于高速公路下方， 而進口靠近山坡的坡腳與高速公路的交匯處，中間段受斷層破碎帶的影響產生較大的沉降變形。 當隧道雙洞均貫通后，隧道初期支護拱頂最大沉降變形約為4.2 mm，位于模型中右洞出口段。 主要是由隧道拱頂上覆坡體較厚造成的。 而在斷層破碎帶附近，左洞的初支最大沉降約為3.6 mm。

圖13 隧道初期支護沉降變形

4.3 高速公路超載作用下隧道結構受力與變形特征

根據以上受力分析可知，斷層破碎帶處受力較大，因此， 本次選取最不利斷面斷層破碎帶K2+670 處進行初期支護計算。采用2 維地層結構法，如圖14 所示，對支護結構的安全性進行評價?？紤]到高速路上行車問題，路面上超載按10 kN/m2。

圖14 斷層破碎帶K2+670 處平面模型

圖15 隧道K2+670 處雙洞貫通后變形云圖

隧道K2+670 處雙洞貫通后變形云圖如圖15 所示，隧道雙洞施工結束后，地表的最大豎向沉降變形約為1.64 mm，水平最大變形為0.7 mm，主要集中在斷層破碎帶附近。 隧道左洞的拱頂初支的豎向沉降變形值最大達2.4 mm，左洞拱腰處約為1.25 mm；隧道初支最大變形主要集中在拱腰處，這是由于兩側均存在山坡偏壓造成的。

如圖16～17 所示，初期支護的軸力上，雙洞外側的初支所受軸力較雙洞間的大，最大值為-1381 kN；彎矩最值集中在拱腳部位。 錨桿的軸力最大值約為19 kN，以上的受力響應及變形與三維分析基本一致， 說明三維分析是合理的。 隧道K2+670 處雙洞貫通后初期支護CF5d 和CF4a 的安全系數滿足規范要求。

圖16 隧道K2+670 處雙洞貫通后初支襯砌內力云圖

圖17 隧道K2+670 處雙洞貫通后初支錨桿軸力圖

5 結論

在已有的地勘資料基礎上， 對平嶺隧道下穿招銀疏港高速公路建立三維模型進行模擬， 分析了隧道在開挖過程中對高速公路路面地表變形的變化情況及隧道受力變形情況； 同時對隧道的支護結構采用地層結構法和荷載結構法進行了受力分析，得出以下結論。

(1)由三維計算，隧道雙洞貫通后，沿高速公路方向，路面地表變形呈現越靠近斷層破碎帶處變形越大、 遠離斷層破碎帶處變形越小的規律。隧道雙洞貫通后，高速公路地表在靠近斷層處的地表最大沉降約為2.03 mm，其它部位地表沉降約為1.2 mm；地表水平變形很少；同時，二維計算也得出的地表豎向沉降變形值最大為2.4 mm，二維與三維計算結果一致， 說明計算結果的有效性。 因此，分析認為隧道開挖對地表路面沉降變形影響很小。

(2)由三維計算，隧道初期支護的受力呈現出越靠近山體內側，隧道內力變化越明顯。 當左右雙洞貫通后，隧道初支的外側受力明顯較兩隧洞間的偏大， 位于左右洞外拱腰處，主要是由地表山坡體引起偏壓造成的。這與二維計算受的趨勢基本是一致的。 三維與二維計算模擬隧道初期支護變形均發生在拱頂， 初支的最大沉降變形均為4.2 mm。 主要是由隧道拱頂上覆坡體較厚造成的。

(3)經驗算，初期支護的軸力上，雙洞外側的初支所受軸力較雙洞間的大，最大值為-1381 kN；彎矩最值集中在拱腳部位，錨桿的軸力最大值約為19 kN。 隧道初期支護結構的安全系數滿足規范要求。