区间隧道下穿高速公路施工过程有限元模拟

区间隧道下穿高速公路施工过程有限元模拟摘要本文使用大型三维岩土工程软件，对地铁区间隧道下穿外环高速公路的施工过程进行数值计算与分析，以探求上部高速公路路基的沉降、隧道洞内收敛变形、支护结构安全性等情况，同时对临时支护措施效果进行检验，给出施工效果评价。

关键词地铁；隧道；高速公路施工；有限元模拟
0、前言
成都地铁1号线孵化园站-会展中心站区间设计起点里程
yck18+897.65（zck18+894.74），终点里程yck20+246.35（zck
20+246.35），区间右线长度1348.7m，左线长度1350.4m(短链
1.210m)。

区间最小埋深1.26m，最大埋深6.2m。

区间在yck19+077～yck19+144里程范围内穿越外环高速路，采用浅埋暗挖法施工。

区间隧道地貌类型单一，为冲洪积扇状平原二级阶地，属侵蚀～堆积地貌。

地层分布如下：
1-2层素填土：呈褐灰色、灰色，湿，结构较松散。

成份以粘性土为主，含夹植物根茎，偶见碎砖、砾卵石，多属耕表土。

层厚0.60-1.60m。

3-1层粉质粘土：灰黄色、褐黄色，湿，可塑为主，部分硬塑。

土体裂隙较发育，含铁、锰质氧化物及其结核和少量钙质结核，断续分布，层厚0.60-1.90m。

3-2层粉土：灰黄色，湿，稍密。

土体含铁、锰质氧化物斑点，
局部夹粉、细砂条带或团块，呈透镜体分布，层厚0.50-3.30m。

3-3层砂土：灰黄色、黄色，湿～饱和，松散。

该层不连续分布于卵石层顶面或夹于卵石层中。

层厚0.40-3.55m。

3-4层卵石土：灰黄、黄色，饱和，以中密卵石为主，部分密实卵石和稍密卵石，夹细砂透镜体。

顶板埋深3.00～11.40m，层厚2.80～10.10m。

5-3中风化泥岩：岩质较硬，岩面较新鲜，岩体结构基本未破坏，岩体被节理、裂隙分割成块状，构造层理较明显。

该层厚度大，未揭穿。

区间隧道主要穿越3-1粉质粘土层及3-4卵石土层。

1、引言
本数值模型为：横截面方向横向为80m，每边40m，约3倍跨径；竖向为40m，其中洞顶以上约为8m，洞底以下约23m；隧道纵截面方向67m，为本工法开挖长度。

总计划分网格67588个，节点数71509个。

经过计算分析，确定该边界尺寸是合理的，即模型本身不产生明显的边界效应。

区间隧道洞室尺寸为12.7m×9.3m。

模型图如图1、2所示。

图1 模型网格图(围岩) 图2 隧道开挖围岩模型图(开挖后)
2、塑性区域
取距离开挖起点20m的断面为研究断面，经研究其塑性区域分布可以看出，尽管区间隧道是在地表软弱地层中开挖，但是由于施作了超前小导管注浆和大管棚，使得开挖后的横断面塑性区域分布并不大，且主要分布在洞室两对角约45度的方向上，其延伸范围稍大，约半个洞室长。

各开外掌子面的塑性区域除第一/二台阶开外掌子面外，其余均较小；第一/二台阶开外掌子面前方塑性区延伸达9m。

3、支护内力
为了解初期支护及临时支护的内力变化情况，及时追踪支护结构的承载能力，对研究断面（z=20m）处的内力及安全情况进行了分析，结果如下：
3.1 拱顶
下面以图形的形式给出支护轴力随开挖推进距离的变化情况。

注意：以下各图横坐标（即开挖推进）只计算至距离研究断面22m 处，以后随开挖推进各变量趋于稳定，故22m后的计算结果未绘出。

图3 拱顶安全系数随开挖进尺距离图(受拉)
由图5可知：
(1) 随着开外进尺的增加，拱顶内力以及安全系数均增大，最后趋于稳定并收敛；
(2) 拱顶轴力较小，安全系数较大；
(3) 弯矩为负值，且数值较小。

4、洞周变形
为了正确判断与分析区间隧道开挖导致的洞周变形情况，进行了相应的洞周变形分析，计算结果可知，由于顶拱部的注浆加固及其大管棚的支撑作用，研究断面拱顶沉降不大，且随开挖逐渐收敛；左右拱脚相对水平位移也随着开挖推进逐渐收敛，收敛值接近9mm；左右墙脚相对水平位移收敛值不大，接近4.5mm。

图4 拱顶沉降曲线
5、围岩变形
图5 第一台阶掌子面距离研究断面1d时围岩沉降云图
图6 第一台阶掌子面距离研究断面2d时围岩沉降云图
由以上各图可知：随着开挖推进的进行，洞顶位移逐渐增加，并扩散至地表，使得地表发生下沉。

6、高速公路路面沉降
分析了区间隧道下穿高速公路路基时路面的沉降情况，给出了路面沉降随着开挖推进的变化情况，并预测了最终了沉降量值。

图7 开挖完毕时路基地表沉降曲线
可知：随着开挖推进的进行，高速公路路面沉降逐渐增大，至开挖结束时，路面沉降最大达到12mm。

7、总结
本次对区间隧道下穿高速公路路基进行了动态的三维数值计算，分析了围岩的及塑性区域分布及扩展情况，并对支护结构的内力、安全系数进行了分析，对路面沉降情况给出了定量的结算结果，得到以下结论：
(1) 支护结构安全性能能够得到满足；
(2) 拱顶沉降不大，约在1cm左右；洞周水平相对收敛位移不大，接近1cm；
(3) 开挖塑性区域较大，在横断面出现在两拱肩处，延伸范围达半个洞跨；掌子面前方塑性区域亦较大,第一台阶前方延伸范围达9m；
(4) 高速公路路面沉降随着开挖进行逐渐增大，最终沉降值
12mm,施工时应加强监测，防止过大变形发生；
(5) 所采用的施工工法以及辅助工法切实有效，能保证隧道自身的安全及高速公路路面沉降控制变形要求。

8、高速公路地表沉降施工监测结果
由于受周边条件及实际施工条件的影响，施工完成后，高速公路最终地表实际沉降值接近30mm，通过采取必要的措施，未对高速公路通行造成影响。

通过理论计算及实际施工情况的对比，笔者认为，由于受实际施工条件、施工操作的影响及理论计算时地层模拟与地层实际情况的差异等影响，理论计算结果偏于不安全，设计时应充分考虑此因素，不能完全把理论计算结果作为设计的最终结果，避免实际施工时出现事故。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。