雙連拱隧道施工地表沉降及結構穩定性分析*

王學斌

(廈門路橋工程投資發展有限公司，福建 廈門 361026)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，城市公路網也隨之快速發展，城市路網面臨的挑戰愈發嚴峻。因此發展立體交通的需求愈發強烈，除了修建城市地上高架橋外，地下交通的發展也進入快車道。在城市地下交通的建設中，雙連拱隧道及其暗挖進洞的施工方法滿足城市人口密集區域施工以及減小對居民生活影響等基本要求。

中隔墻是連拱隧道的重要組成部分，研究發現，在連拱隧道施工過程中，中隔墻受力情況非常復雜[1-2]。中隔墻的應力與位移變化對隧道整體穩定性影響較大。李英勇等[3]發現若中隔墻頂部回填不密實極易引發頂部圍巖的大變形或塌方，并提出了有針對性的預防措施。張志剛等[4]通過研究在建大跨、淺埋偏壓高速公路連拱隧道，提出了淺埋連拱隧道中隔墻的合理厚度。譚杰[5]通過研究得出中隔墻的作用機理和使用效果，分析了施加中隔墻臨時橫撐在連拱隧道開挖中的重要性。袁樹成[6]研究了中隔墻底部壓力的變化規律，利用改進的中隔墻穩定性判斷公式對中隔墻的穩定性進行了驗算，并提出了加強中隔墻穩定性的措施。

隧道襯砌是為了防止圍巖變形或坍塌的永久性支護結構。王云隆等[7-8]通過模擬黃土嶺隧道施工過程，在隧道偏壓情況下先開挖偏壓較大一側洞室有利于降低隧道圍巖變形量，并得出3次襯砌中第1次襯砌相較于第2次襯砌對降低圍巖變形量的影響更大。張春洪等[9]通過現場試驗研究雙連拱隧道施工過程初期支護和二次襯砌的受力得出：二次襯砌的存在使得隧道快速達到受力穩定狀態。陳華艷等[10]采用有限元數值模擬的分析方法，考慮隧道所處的特殊地質條件，模擬隧道開挖施工全過程，采取擬定的襯砌修筑工程措施，可以保證隧道施工過程中地面建筑物與隧道自身安全。馬福彬等[11]通過數值模擬研究二次襯砌受力狀態，指導二次襯砌的合理設置，降低襯砌破壞的概率。

在隧道施工過程中，由于對巖體的開挖導致圍巖應力應變的變化，繼而存在諸多工程問題。陳青帥[12]通過對連拱隧道的研究得出連拱隧道在不同開挖過程中圍巖的變形與應力變化規律，為類似雙連拱隧道的設計和施工提供參考。李新志等[13]對隧道施工地表沉降進行研究，分析了施工措施對地表沉降的影響規律，得到了地表沉降的量值和分布特征。李永斌[14]揭示出施工各階段圍巖應力集中位置和潛在塑性破壞區，不僅為隧道的安全順利施工提供了預警信息和直接指導，同時為連拱隧道的優化設計提供可靠的理論依據。白家設等[15]通過現場監測和三維數值模擬研究雙連拱隧道的位移變化規律，研究表明：支護結構變形以豎向沉降為主，水平收斂較小；及時使支護結構封閉成環，能有效改善結構受力，抑制隧道結構變形。

在廈門第二西通道(海滄隧道)雙連拱隧道工程中[16-17]，采用中導洞加主洞雙側壁暗挖進洞以及“雙初支、單二襯”的施工方法，研究該工法基于超淺埋、變截面、復雜地質等條件下，不同工況下雙連拱隧道開挖對隧道上部地表沉降的影響，降低隧道開挖對周圍建筑和市民生產生活的影響，對比分析變截面相較于普通斷面所受應力的不同，繼而預測整個隧道工程中危險截面的位置，以及施工過程中隧道結構的應力變化規律，分析雙連拱隧道不同部件所受應力的規律，加大雙連拱隧道受力較大部件的強度，為后續雙連拱隧道的施工提供了理論和實際工程依據。

1 工程概況

廈門第二西通道(海滄隧道)是穿越廈門西海域，連接海滄區和本島湖里的重要通道，也是廈門公路骨干網“兩環八射”中的重要組成部分，對緩解廈門的交通壓力，提升廈門島西部交通能力有重要意義。

針對160m雙連拱暗挖對臨近結構的影響，研究采用中導洞加主洞雙側壁開挖以及“雙初支、單二襯”的雙連拱隧道施工方法的安全可靠性。依據文獻 [18]中的規定：當拱頂覆土厚度(H)與結構跨度(D)符合H/D≤0.6的條件時，稱為超淺埋隧道，隧道整體埋深為5.9～13.4m，橫向結構跨度為41.05～45.95m，因此該雙連拱隧道均為超淺埋。雙連拱隧道如圖1,2所示，隧道分為4個襯砌截面，分別在原有三車道的基礎上加寬1.5，3，4.5，5.1m。

圖1 雙連拱隧道剖面

圖2 雙連拱隧道數值模型平面

2 數值模擬

為研究變截面、不同埋深、不同地質條件下隧道施工對周圍地表沉降以及結構變形、受力的影響，分別選取隧道的3種工況如圖3所示，建立有限元數值模型進行分析，分別命名為模型a，b，c。模型a的尺寸為10m×100m×50m，根據地質勘察資料，由上而下的覆蓋層分別為1m厚的雜填土，13m厚的殘積土，13.5m厚的砂礫狀強風化花崗巖，3m厚的砂礫狀強風化花崗巖，20.5m厚的中風化花崗巖。模型b的尺寸為10m×100m×50m，但前后包含兩種隧道截面尺寸，根據勘察資料，由上而下的覆蓋層分別為1m厚的雜填土、4m厚的砂礫狀強風化花崗巖、45m厚的微風化花崗巖。模型c的尺寸為10m×100m×50m，根據地質勘察資料，由上而下的覆蓋層分別為1.8m厚的雜填土，13.3m厚的砂礫狀強風化花崗巖，34.9m厚的微風化花崗巖。3個數值計算斷面分別對應工程中的YK16+790，YK16+840和YK16+946斷面，如圖3所示。

圖3 雙連拱隧道數值模型

在有限元建模中將中隔墻、襯砌和臨時支撐部分的部件利用自定義的場變量(field variable)將該部件的參數從風化花崗巖轉變為鋼筋混凝土的材料參數，最后利用生死單元移除隧道內部的開挖部分。模型中殘積土和雜填土使用莫爾-庫倫模型，風化花崗巖、襯砌、臨時支撐、中隔墻使用線彈性模型，模型中各材料的物理力學參數如表1所示。由于模型部件和接觸面過多會增加計算的難度和精度，因此在模型裝配之后，將所有部件合并成一個整體且保留所有的接觸面，然后利用自重應力定義模型的初始地應力平衡。模型a，c在網格劃分時網格劃分類型選用六面體，計算類型選用C3D8R。

表1 雜填土和殘積土的物理力學參數

3 數值驗證

為驗證模型的有效性需要對比模型的計算值與第三方變形監測值。選取監測點與數值計算結果進行對比分析，左右兩側隧道拱頂下沉的監測結果和數值計算結果如圖4所示，中隔墻在x，y，z不同方向上的位移數值計算結果和監測結果如圖5所示，由圖可知數值計算結果和監測結果趨勢基本一致，因此模型的計算結果是十分有效的。

圖4 隧道拱頂下沉的數值計算結果和監測值

圖5 中隔墻位移的數值計算結果和監測值

4 數值分析

繪制了YK16+790，YK16+840和YK16+9463個不同斷面在開挖過程中地表沉降如圖6所示。

圖6 隧道施工過程中地表沉降

由圖6可知，模型中點位于距左側50m處。隨著隧道的開挖地表的沉降逐漸增大，特別是臨時襯砌的移除對隧道表面的沉降影響最大。模型a由于上覆層是土層彈性模量較小、泊松比較大所以地表沉降和沉降影響范圍較大，且下部隧道和中隔墻對地表沉降的影響是不同的。模型b，c由于上覆層是風化花崗巖整體性較好、彈性模量較大、泊松比較小，因此地表沉降較小。

YK16+790，YK16+840和YK16+946這3個不同斷面在開挖完成后隧道襯砌的豎向應力云圖如圖7所示。

圖7 隧道施工過程中襯砌與中隔墻豎向應力

由圖7可知，由于隧道內部,開挖，隧道上部和底部因為自重荷載的消散進而隧道內部應力分布發生變化，會產生垂直隧道開挖法線方向的應力，在雙連拱隧道的中隔墻和拱腳位置會產生應力集中現象，因此承擔了更大的應力，變截面雙連拱隧道相較于普通截面，其所受應力遠大于其他截面，需要重點監測和研究該部分的穩定性。

5 結語

1)在相似上覆層及地質條件下，隧道截面面積越大，地表沉降越大，隧道在開挖過程中臨時支撐起重要作用，隧道分步開挖有效減弱了隧道地表的沉降速率。當上覆層由殘積土變為風化花崗巖時，隧道上部地表沉降和地表沉降影響范圍會減小。在隧道的變截面施工過程中，小截面開挖對隧道上部沉降的影響小于大截面開挖。

2)在隧道開挖過程中，由于隧道開挖部分自重應力的消失，導致隧道頂部和底部會產生垂直隧道開挖方向的垂直應力，由于應力的重分布，隧道在開挖后，中隔墻和拱腳位置產生應力集中現象，相較于其他位置中隔墻需要承擔較大應力，變截面隧道的中隔墻承受了更大的豎向應力，需要進行特殊加固處理。

3)通過研究隧道施工過程中危險截面的位置和隧道開挖對地表沉降的影響，表明降低隧道的截面面積和加大埋深可降低對地表的影響，隧道的變截面處拱腳和中隔墻所受應力遠大于其他截面，需要進行局部加強處理。