公路隧道開挖施工變形分析

倪 凱

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510410)

1 工程概況

潮汕環(huán)線高速西環(huán)山1號隧道進(jìn)洞口位于廣東省汕頭市河溪鎮(zhèn)南隴村，出洞口位于金浦鎮(zhèn)金塔路終點附近。左線起訖樁號為ZK54+692～ZK57+345，長2 653 m，進(jìn)出口設(shè)計高程分別為27.936、22.571 m，最大埋深約143.2 m；右線起訖樁號為K54+695～ZK57+355，長2 660 m，進(jìn)出口設(shè)計高程分別為27.96、27.372 m，最大埋深約148.1 m。西環(huán)山1號隧道為小凈距～分離式長隧道。隧址區(qū)內(nèi)無大的地表水體，溪流經(jīng)過隧道進(jìn)口、出口附近，水量較小。隧址區(qū)主要為第四系破殘積層和燕山晚期第一次花崗閃長巖，隧道穿越地層為第四系松散覆蓋層和燕山晚期巖漿巖。松散層主要由坡殘積黏性土構(gòu)成且厚度分布不均?；鶐r屬燕山晚期第一次花崗閃長巖，全風(fēng)化巖分布于基巖淺層，厚度較薄，強(qiáng)風(fēng)化巖分布于基巖淺層，厚度較大，中、微風(fēng)化巖分布于洞身段，厚度大、分布穩(wěn)定。

本文所選Ⅳ級圍巖段落主要以中風(fēng)化花崗巖為主，局部中～微風(fēng)化巖，巖體破碎～較破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)。Ⅳ級圍巖段落地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 Ⅳ級圍巖段落地質(zhì)縱斷面圖

2 計算模型及參數(shù)

計算分析采用有限差分FLAC3D數(shù)值模擬軟件[1]，選取三維分析模型尺寸為130 m×60 m×36 m。計算模型采用位移邊界條件[2]。圖2為三維有限差分分析模型網(wǎng)格劃分。隧道圍巖巖體采用摩爾庫倫模型模擬[3]，Ⅳ級圍巖巖體材料力學(xué)參數(shù)取值見表1。

圖2 三維分析模型網(wǎng)格

表1 Ⅳ級圍巖巖體材料力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 地表沉降

僅參照實際施工，對右線上臺階開挖過程進(jìn)行模擬，計算分析該過程隧道地表變形，包括豎向沉降和水平位移變形狀況。圖3所示為隧道橫向斷面地表各監(jiān)測點的豎向變形，可以看出，地表沉降曲線大致呈V形，地表最大豎向沉降位置基本位于隧道開挖中線上部范圍，最大豎向變形值達(dá)到18.2 mm，且向兩側(cè)地表豎向變形逐漸減小。圖4所示為隧道右線上臺階開挖完成后隧道中心橫向斷面地表水平位移圖，水平位移曲線基本在地表水平方向在-60～60 m，水平位移值向正向增大后減小，再反向增大后減小，最大水平位移發(fā)生在中巖墻附近，約6.04 mm，另一處較大水平位移發(fā)生在開挖輪廓右側(cè)，約5.35 mm。

圖3 地表沉降變形

圖4 地表水平位移

3.2 拱頂沉降

本次計算選取模型縱向中間斷面為目標(biāo)斷面[4]。圖5為拱頂累計沉降與隧道累計開挖進(jìn)尺的關(guān)系，從圖中可知，隨著隧道開挖，目標(biāo)斷面拱頂即開始發(fā)生沉降，隨著累計進(jìn)尺增大，拱頂沉降逐漸增大，但最終趨于收斂，變形影響范圍約1倍隧道開挖寬度。

圖5 拱頂累計沉降與累計開挖進(jìn)尺的關(guān)系

4 結(jié) 論

1)地表沉降曲線呈V形，最大變形值主要發(fā)生在開挖區(qū)域上部范圍。

2)水平位移在橫向范圍類似呈反對稱分布，位移最大值分布在中巖墻范圍；位移較大值發(fā)生在開挖輪廓右部范圍。

3)通過提取模型縱向中間斷面拱頂監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)拱頂累計沉降隨著開挖進(jìn)尺增大而增大，變形影響范圍大約為1倍隧道開挖寬度。

5 結(jié)束語

對于隧道地表附近敏感建筑、構(gòu)筑可針對性進(jìn)行預(yù)分析，結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果，確定地表加固措施、加固范圍等。對于隧道小凈距～分離式隧道，開挖過程不利變形部位如中巖墻，可結(jié)合施工實際給予加強(qiáng)支護(hù)。

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