新奥法隧道穿越下伏断层破碎带高速公路有限元分析

郑 杰

(中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300)

自20 世纪50 年代，新奥法隧道施工(NATM)技术在奥地利取得成功以来， 在隧道开挖建设中受到越来越广泛的应用[1-6]。然而新奥法施工在开挖过程中，不可避免对地层产生扰动，同时由于地层损失率较大，造成围岩体的应力重分布， 导致围岩的变形和沉降， 在线路交叉工程中，隧道的下穿施工往往引起上部建(构)筑物的二次应力和变形，对于高速公路而言，隧道的下穿施工极易引起较大的路面沉降， 进而引起高速公路路面开裂甚至路基失稳，危机路面交通安全[7-9]。高速公路运营对路面沉降要求较为严格，为了减小隧道施工对路基的扰动，隧道下穿路基施工时需采取可靠的变形控制措施[10]。

本文使用岩土工程有限元计算分析软件MIDAS GTS 建立三维模型进行计算，通过建模和数值模拟，对龙海市浮南大道(二期)道路工程下穿招银疏港高速公路项目， 建立三维模型分析了隧道在开挖过程中对高速公路路面地表变形的变化情况及隧道受力变形情况， 同时对隧道的支护结构采用地层结构法进行了受力分析， 研究成果可为类似工程提供参考， 也可为相关研究提供基础资料。

1 工程概况

浮南大道(二期)道路工程位于龙海市浮宫镇东侧，作为龙海经济开发区的基础配套设施工程之一， 起点位于兴安路交叉附近，与浮南大道(一期)对接，沿招银高速路北侧由西向东分别经过平埔村、丹溪村、后宝村、岭兜村，设置隧道下穿招银高速，终点接于浮宫镇与港尾镇交界处附近，与浮南大道港尾段起点相接，道路全长约4.741 km，如图1 所示。

图1 工程项目平面位置图

招银疏港高速目前为运营高速公路， 采用六车道高速公路标准，路基宽度33.5 m，设计速度100 km/h。 结合基本农田范围、周边地形地貌及规划路网情况，采用隧道(平岭隧道) 下穿招银疏港高速公路设计方案。 平岭隧道(右线YK2+370～YK4+410，左线ZK2+370～ZK4+410)全长1730 m， 整体呈北西-南东走向， 属长隧道。 右线里程YK2+679.914 与下穿招银疏港高速公路里程K11+125.647 交叉，左线里程ZK2+773.579 与下穿招银疏港高速公路里程K11+214.888 交叉， 交叉角度呈23°～24°夹角，如图2 所示。

图2 下穿隧道与招银疏港高速平面关系图

交叉段主线设计高程与高速公路主线路面高程差约23.41～24.74 m。 高速公路路面距隧道开挖轮廓拱顶约14.93 ～16.26 m。 进口标高10.56 m，出口标高19.21 m，最大埋深81 m。

2 工程地质条件

隧址区地层岩性较单一，覆盖层主要为残坡积(Qel+dl)粉质黏土、砾质黏性土，下伏燕山早期侵入岩(γ52(3)c)花岗岩，局部有近期人工填土分布。 隧道穿越断层破碎带F1，该破碎带与隧道轴线约呈45°斜交，与隧道左线、右线相交里程分别为ZK2+730、YK2+670，断层破碎带的产状为162°∠82°，近乎直立， 受构造影响围岩岩体较破碎，Rc=66.3MPa，Kv=0.25，[BQ]=220，地下水较发育，主要为基岩裂隙水，开挖时呈淋雨状出水，围岩稳定性很差，易坍塌。平岭隧道下穿招银疏港高速公路段以IV 级围岩为主， 仅断层破碎带段为V 级围岩。 各地层工程地质特征描述见表1。

表1 隧址区地层概况

3 数值模拟分析

3.1 数值计算方案的确定

为评估平岭隧道的开挖对运营招银疏港高速可能带来的影响，以及分析隧道结构自身的受力及变形特征，使用岩土工程有限元计算分析软件MIDAS GTS 建立三维模型进行计算， 确保高速公路的正常运营以及交叉段平岭隧道的安全施工和隧道结构的稳定。 因此建立如下计算方案：

(1)左右线隧道的掘进采用新奥法施工，全断面开挖并利用锚杆进行初支护，随后进行二次衬砌，大断面的开挖使得土层存在一定的损失，对地层产生扰动，上覆围岩体的应力产生重分布，并伴随沉降的产生，特别是在断层破碎带处，土体受到扰动的影响更为敏感。 因此，为考虑隧道的开挖对运营隧道的影响， 模拟分析时依据新奥法工艺进行计算， 隧道随挖随支护， 先完成右线隧道的贯通，随后完成左线贯通，随后提取高速公路线路轴线方向上地表的位移曲线，观测其变化特征。

(2)隧道的开挖和支护，是围岩与结构力学体系的重构，在隧道的开挖过程中，也应观测衬砌结构的应力和变形，因此，计算时应考虑支护刚度和围岩应力的释放，使计算结果剔除了初始应力和应变的影响。

(3)为保证运营环境下，隧道开挖和支护的安全性和稳定性，交叉段隧道考虑车辆的超载作用，对最不利断面位置处即断层破碎带处的支护结构进行受力和位移计算，考虑上覆车辆超载为10 kPa。

3.2 数值计算三维模型的建立

为了避免边界效应， 在建立是隧道-公路-土体整体模型时，可以取3～5D(D 为隧道直径)范围进行计算，因此建立模型尺寸宽×长×高(x×y×z)为100 m×180 m×82 m(最大高度98 m)，模型网格划分采用软件内嵌程序进行自动划分，如图3 所示，两侧边界约束水平方向的位移，底部边界约束竖向位移，顶板边界自由，且可在高速公路面上施加车辆超载。隧道衬砌结构采用板单元进行模拟，锚杆采用杆单元进行模拟，如图4～5 所示。

图3 隧道-高速公路-土体整体三维模型

图4 左、右线隧道三维模型

图5 隧道支护体系三维模型

3.2 数值计算参数、本构关系及计算步骤的确定

模拟时，假设所有材料均为均质、连续、各项同性的，围岩采用符合莫尔-库伦屈服条件的材料模拟，混凝土结构以及锚杆等符合线弹性虎克准则， 采用三维实体计算模型。 围岩体的计算参数如表2 所示。

混凝土结构的计算参数及支护锚杆的规格型号见表3～4。

表2 隧址区土层物理力学参数

表3 混凝土衬砌结构的物理力学参数

表4 支护锚杆的规格型号

施工模拟时按设计的开挖步骤进行； 设计文件中要求，为减少网格和节点数量，对此模型隧道，采用全断面模拟开挖，从大里程向小里程方向开挖，先挖右洞，再挖左洞， 具体步骤为①初始地应力分析②位移清零③右洞施工：第一次开挖④右洞施工：第一次初支⑤左洞施工：第一次开挖⑥左洞施工：第一次初支。

4 计算结果分析

4.1 隧道开挖对运营高速公路影响

隧道开挖之前，为保证计算结果的可靠性，应对初始应力场进行分析，并在计算结果中提出初始应力的影响。图6 为围岩初始应力计算结果，从图6 中可以看出，模型底部最大竖向应力为1654 kPa， 模型底部最大水平应力为797 kPa，模型最大高度为98 m，由于高速路两侧为削坡，存在偏压的影响，结果符合实际情况。

图7～8 分别是右线隧道贯通和左线隧道贯通后模型的位移云图，从图中可以看出，在相同方向上，左线隧道的开挖都会在右线隧道开挖的基础上， 促进围岩体的位移进一步增加。 隧道开挖对地表高速公路x、y 水平方向变形影响很小，当隧道双洞贯通后，水平x 方向最大变形为1.6 mm，水平y 方向的最大变形为0.7 mm，主要在断层破碎带附近。竖直z 方向即地表沉降变形相对较大；为了充分研究高速公路地表的沉降变形， 在左右双洞贯通后，沿高速路走向，提取地表变形值。

图6 隧道开挖前初始地应力分析

图7 隧道右洞贯通后地表变形

图8 隧道左洞贯通后地表变形

如图9 所示，当隧道左右洞贯通后，沿着招银疏港高速公路方向， 地表竖向沉降变形呈现明显的规律性变化。 随着隧道的开挖，地表沉降变形逐渐增加，越靠近断层破碎带处，地表沉降变形值越大，远离断层破碎带处，地表沉降变形越小。 当越过断层破碎带后，随着右洞持续开挖，地表变形逐渐减小；当左洞贯通后，地表相同位置的沉降变形持续增大，在大里程方向，地表沉降变形增幅较大；隧道双洞贯通后，高速公路地表在靠近断层处的地表最大沉降约为2.03 mm，其它部位的地表沉降约为1.2 mm，因此，计算分析认为隧道开挖对地表路面影响很小。

图9 高速公路地表沉降曲线

4.2 隧道开挖对隧道结构的受力和变形影响

图10 隧道衬砌受力云图

图11 隧道衬砌弯矩云图

图12 隧道衬砌剪力云图

图10～12 分别为双洞贯通时初期支护受力云图、弯矩云图、剪力云图。从图中可以看出，靠近山体内侧，隧道内力变化越明显。 当左右双洞贯通后，隧道初支的受力x方向呈现出隧道外侧受力明显偏大，最大达-1974 kN，集中在隧道外侧墙处，两隧道间的侧墙初支受力相对较小，主要是由右洞出口及左洞进口存在山坡体引起的偏压造成的；y 向受力最大达-962 kN， 主要集中在左洞靠近断层破碎带的仰拱部位，拱顶最大达244 kN。 弯矩方向，x方向最大弯矩为-115 kN·m， 位于左洞拱脚与仰拱相交处，y 向弯矩最大为-39 kN·m，位于右洞仰拱部位。 拱顶的弯矩一般为27 kN·m。锚杆的轴力量值相对较小，当双洞贯通后，最大轴力值为24 kN，主要集中在断层破碎带附近，其它部位轴力值最大为19 kN。

按右洞先贯通时、 左洞贯通后对右洞初支沉降的影响及左洞贯通后， 将隧道初期支护拱顶的沉降变形值进行提取统计，并绘制成初期支护拱顶沉降曲线变形图，如图13 所示，隧道水平变形较小，主要在断层破碎带处，水平变形最大达1.6 mm；隧道竖向变形相对较大，仰拱最大变形约为3.4 mm， 主要集中在隧道右洞出口段处，受山坡地形的影响较大。隧道右洞先贯通时，隧道拱顶初支的沉降变形呈先大后小的规律， 这主要是由于右洞出口段位于山坡之下，向进口段为下穿高速公路段，因此，隧道拱顶以上覆盖越厚，土压力就越大，初支的沉降变形值就越大。 隧道左洞施工开挖对已贯通的隧道右洞沉降变形影响相对较小，在经过断层破碎带后，隧道左洞施工对右洞的沉降变形影响稍大， 主要是此段受断层破碎带和隧道净距的影响；隧道在进口段净距较小，而出口段净距较大。当隧道左洞贯通后，沿着隧道轴线方向的拱顶沉降变形呈现出先增大后减小的规律。 其原因是隧道左洞出口位于高速公路下方， 而进口靠近山坡的坡脚与高速公路的交汇处，中间段受断层破碎带的影响产生较大的沉降变形。 当隧道双洞均贯通后，隧道初期支护拱顶最大沉降变形约为4.2 mm，位于模型中右洞出口段。 主要是由隧道拱顶上覆坡体较厚造成的。 而在断层破碎带附近，左洞的初支最大沉降约为3.6 mm。

图13 隧道初期支护沉降变形

4.3 高速公路超载作用下隧道结构受力与变形特征

根据以上受力分析可知，断层破碎带处受力较大，因此， 本次选取最不利断面断层破碎带K2+670 处进行初期支护计算。采用2 维地层结构法，如图14 所示，对支护结构的安全性进行评价。考虑到高速路上行车问题，路面上超载按10 kN/m2。

图14 断层破碎带K2+670 处平面模型

图15 隧道K2+670 处双洞贯通后变形云图

隧道K2+670 处双洞贯通后变形云图如图15 所示，隧道双洞施工结束后，地表的最大竖向沉降变形约为1.64 mm，水平最大变形为0.7 mm，主要集中在断层破碎带附近。 隧道左洞的拱顶初支的竖向沉降变形值最大达2.4 mm，左洞拱腰处约为1.25 mm；隧道初支最大变形主要集中在拱腰处，这是由于两侧均存在山坡偏压造成的。

如图16～17 所示，初期支护的轴力上，双洞外侧的初支所受轴力较双洞间的大，最大值为-1381 kN；弯矩最值集中在拱脚部位。 锚杆的轴力最大值约为19 kN，以上的受力响应及变形与三维分析基本一致， 说明三维分析是合理的。 隧道K2+670 处双洞贯通后初期支护CF5d 和CF4a 的安全系数满足规范要求。

图16 隧道K2+670 处双洞贯通后初支衬砌内力云图

图17 隧道K2+670 处双洞贯通后初支锚杆轴力图

5 结论

在已有的地勘资料基础上， 对平岭隧道下穿招银疏港高速公路建立三维模型进行模拟， 分析了隧道在开挖过程中对高速公路路面地表变形的变化情况及隧道受力变形情况； 同时对隧道的支护结构采用地层结构法和荷载结构法进行了受力分析，得出以下结论。

(1)由三维计算，隧道双洞贯通后，沿高速公路方向，路面地表变形呈现越靠近断层破碎带处变形越大、 远离断层破碎带处变形越小的规律。隧道双洞贯通后，高速公路地表在靠近断层处的地表最大沉降约为2.03 mm，其它部位地表沉降约为1.2 mm；地表水平变形很少；同时，二维计算也得出的地表竖向沉降变形值最大为2.4 mm，二维与三维计算结果一致， 说明计算结果的有效性。 因此，分析认为隧道开挖对地表路面沉降变形影响很小。

(2)由三维计算，隧道初期支护的受力呈现出越靠近山体内侧，隧道内力变化越明显。 当左右双洞贯通后，隧道初支的外侧受力明显较两隧洞间的偏大， 位于左右洞外拱腰处，主要是由地表山坡体引起偏压造成的。这与二维计算受的趋势基本是一致的。 三维与二维计算模拟隧道初期支护变形均发生在拱顶， 初支的最大沉降变形均为4.2 mm。 主要是由隧道拱顶上覆坡体较厚造成的。

(3)经验算，初期支护的轴力上，双洞外侧的初支所受轴力较双洞间的大，最大值为-1381 kN；弯矩最值集中在拱脚部位，锚杆的轴力最大值约为19 kN。 隧道初期支护结构的安全系数满足规范要求。