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下穿隧道下穿高速公路围岩稳定性分析 1 大构筑物位移监测与分析 近年来，随着人类对地下空间的不断开发，一些地区的现有建筑工地和地质条件的限制，导致新铁路隧道近距离穿过既有建（建）结构。这不仅是隧道施工中新隧道施工的安全，也是隧道施工中既有建（建）结构的保障。 目前,国内在山岭隧道穿越工程方面的研究主要是以现场监测手段为主,在施工过程中监测关键位置处的沉降及水平收敛位移值,同时在隧道开挖时尽量采用双侧壁导坑法、CRD法结合大管棚超前支护等较安全的开挖方法来控制隧道及既有建(构)筑物的位移变形。但由于测点布置有限,同时监测具有一定的滞后性,因此对于隧道开挖过程中的围岩变形及公路路面沉降难以准确把握。随着计算机技术的发展,数值方法越来越多地用于类似工程的计算模拟中,数值方法可预先模拟出隧道不同施工阶段的位移变形情况,同时结合现场监测数据进行总体分析,进一步指导隧道的设计施工。但目前铁路隧道穿越既有构筑物方面的分析计算以二维平面模拟为主,在计算中进行了不同程度的简化,对隧道开挖过程中的三维空间效应考虑不足。 本文采用三维有限元数值方法,以甬台温铁路宁波至温州南段新建前黄隧道下穿既有高速公路工程为背景,模拟计算施工过程中隧道开挖对高速公路路面沉降的影响及隧道施工过程中自身的位移受上覆高速公路及山体围岩影响的变化情况,为铁路隧道施工安全及既有高速公路行车安全提供理论依据。 2 地理位置及隧道开挖顺序 前黄隧道为甬台温新建铁路宁波至温州南段单洞双线隧道工程,位于宁海县境内,里程为DK69+729~DK70+289,隧道总长度为560m(包括出口处明洞5m),其中该隧道出口附近DK70+226 ~ DK70+263段下穿甬台温高速公路(高速公路桩号为:K89+588~K89+611),两线相交中心里程为DK70+239,隧道与高速公路交叉角为53°,其平面布置详见图1。高速公路路面与隧道拱顶最小间距仅为3.0m,是甬台温全线施工难度最大的工程之一。 该段隧道覆盖层薄弱,围岩为表层全风化花岗岩(W4),呈砂状,厚约8m;其下为强风化(W34),呈碎块状,厚约7m;最下层为弱风化(W2),节理发育,岩层较为破碎。地下水为基岩裂隙水,稍发育,基岩裂隙水与地表相通。围岩为Ⅴ级围岩,前黄隧道与甬台温高速公路交叉部分的纵断面及地质情况详见图2。 该段隧道围岩差,覆盖层薄,为确保隧道施工安全及既有高速公路行车安全,开挖前隧道拱部上方采用Φ150mm长管棚配合I20a工字钢超前预支护,管棚长45m,环向间距0.4m,对隧道拱顶圆弧120°范围进行加固,同时为尽量减小隧道开挖对高速公路路面沉降的影响,该段隧道开挖采用双侧壁导坑法施工,如图3所示。 隧道开挖和初期支护结构施工顺序为:首先开挖左侧导坑①部,喷射80mm厚混凝土封闭掌子面,接着施作①部导坑周边的初期支护和临时支护,即初喷40mm厚混凝土,架设I20a钢架及I18临时钢架,并设锁脚钢管,安设I18横撑,钻设Φ22系统锚杆(长4.0m)后复喷混凝土至设计厚度。滞后①部3m开始施工②部,在左侧导坑推进6m后开始开挖右侧导坑,右侧导坑③部首先推进3m,然后开挖④部,在右侧导坑推进一段距离之后开始进行⑤~⑥部的开挖,在滞后⑤~⑥部大概6m左右开始⑦~⑧部开挖,其中⑧部要滞后⑦部一段距离开挖。②~⑧初期支护施工工序同①部,即在每一步开挖的同时及时封闭掌子面并施作隧道内相应位置处的喷混凝土、支护钢架、临时支护钢架、临时横撑、锚杆及掌子面。待整个断面开挖完成后拆除临时钢架支护,施作二次钢筋混凝土衬砌。 3 有限元模型及计算模型 有限元计算采用地层-结构模式,开挖采用双侧壁导坑开挖方案,利用三维有限元方法模拟分析隧道-围岩体系在隧道开挖过程中的变形特征,以及由隧道开挖引起的高速公路路面沉降情况。 在计算过程中,围岩材料采用Drucker–Prager理想弹塑性本构模型,支护钢架、临时支护钢架、临时横撑、锚杆、掌子面、管棚加固区及初次衬砌均采用线弹性模型。隧道各部分的材料参数选择见表1。 计算模型水平方向取100m,竖向自高速公路路面向下取46.32m,纵向沿开挖方向取60m,即实际里程的DK70+214~DK70+274段,同时根据实际的地形条件,建立几何模型,具体的有限元网格模型见图4。对整个模型采用位移边界约束,约束岩体侧面节点水平方向的位移,约束底部节点竖直方向位移。 高速公路列车荷载按公路-Ⅰ级荷载,计算中在高速路面上施加均布荷载标准值为10.5kN/m。计算中采用单元的“生”和“死”来模拟隧道的开挖,每一步开挖推进3m,隧道纵向开挖60m共需模拟36步。 4 结果表明，规划计算结果及分析 4.1 不同断面和围岩高跨面机制 图5~6为隧道开挖完成后最终的沉降云图,从图5可以看出,在隧道开挖完成之后,隧道拱顶