新建隧道下穿既有高速公路三维仿真分析

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1、新建隧道下穿既有高速公路三维仿真分析葛蔚敏，邹育麟，汪波。(1．浙江台金高速公路有限公司，浙江台州317000~2．长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010~3-西南交通大学地下工程系，四川成都610031)摘要：文章基于某新建公路隧道下穿高速公路的工程情况，采用三维数值模拟手段对高速公路路面纵横向影响范围和应力分布，以及隧道洞周位移收敛和初衬应力变化随隧道开挖的动态变化规律进行了研究，得到了既有高速公路右线为隧道下穿时的最危险区域，且路面底部有可能会产生受拉破坏，同时隧道内侧拱顶沉降和拱底隆起较大，拱脚应力集中现象比较明显，均在通过路面右线时达到最大值，进而提出了保

2、证既有高速公路正常运营和新建隧道安全施工的方法、监测手段和加固措施。关键词：数值模拟；浅埋暗挖隧道；下穿高速公路；地表沉降；应力状况；监测方法_力Ⅱ固措施中图分类号：U459．2文献标识码：A文章编号：1673—5781(2010)04—0517—04论证，并提出合理的监测方案将具有重要的指导意义。1有限元模型及数值模拟过程(2)模型边界及材料参数。根据已有的隧道力(1)工程背景。研究依托某沿海城市的一条新学经验，当有限元模型边界尺寸大于等于开挖洞径的建隧道，标准断面宽度为D一12ITI。隧道在某段附5倍时，模型的边界效应可以忽略，据此本文取边界近下穿一条宽261TI的高速公路，拱顶距

3、公路路面最尺寸为100m(横向)×53．7m(竖向)×86m(纵向)。薄处仅7m左右。并且下穿地段主要位于强风化花在三维建模的过程中，考虑到隧道的相应特点，岗岩中，岩体总体性状较差，设计中将其列为V级围隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用Druck-岩段，施工中采用管棚注浆超前支护配合分部开挖预Prager屈服准则。围岩和二衬利用SOLID45单元，留核心土方式掘进，考虑此高速公路车流量较大，车初期支护喷混凝土采用SHELL63单元，高速公路路型复杂，为保障施工期间该既有构筑物的安全运营，面采用能较好的反应混凝土性质的SOLID65单元予对设计中提出的相应施工方法、加固措施进行必要的

4、以模拟。有限元模型，如图1所示。路一(a)整体模型(b)平面图(c)结构体空间位置关系图1有限元模型地层参数在重点参考初步设计阶段工程地质勘查围岩物理力学参数的方法实现的，考虑围岩加固效果报告的基础上，根据文献[1]规定，并综合室内物理力受诸多因素影响，鉴于目前国内外对于该方面研究资学试验资料按较低数值选取，见表1所列。对于表1料较少，故此，本文在参考已有资料的基础上，对预加中围岩管棚超前加固区及锚杆支护效果采用的是提高固区围岩参数提高一个级别幻；对锚杆的支护效果依收稿日期：2010-05-06作者简介：葛蔚敏(197O一)，男，浙江临海人，浙江台金高速公路有限公司高级工程师．CT程与

5、建设'2010年第24卷第4期517据设计规范，提高了加固区内聚力c值，提高幅度约面基本无沉降(沉降不到1ram)，随着掌子面的逐渐30％。高速公路汽车荷载按文献[3]规定，公路一I级推进，其路面沉降值先缓慢增大，然后快速增大，最后荷载取均布荷载标准值10．5kN／m。至开挖面后方约24m(约2D)后逐渐稳定收敛。由Z_4_D点的监测数据曲线知，当隧道开挖掌子面通过表1材料参数高速公路约9rn后，其路面沉降值趋于稳定，且路面的最大沉降点发生在rZ-3．A点，最大沉降值约为27．4mm。距Z．1监测断面的距离／m-l2·808l62432404856_，●+监测点Z．1诅十监测点Z．2-

6、Bg．1O。_、＼+监测点Z-3．C罢—·一监测点Z．40k．琏-20蜉!．30Z．1Z．2Z．3Z-4(3)数值模拟过程。计算中模拟隧道开挖时，根图3路面沿隧道中心线纵向沉降图据采用有限元程序提供的“生”与“死”及材参变换功能进行处理，通过分次杀死单元和分次激活单元及变由以上分析知，当隧道开挖面临近和远离高速公换不同位置的材料参数，模拟隧道的超前加固、分步路前后约9m(约0．75D)的范围内，为隧道开挖对其开挖以及初期支护、二衬的施作过程。模型具体计算的纵向影响区域，所以应在该区段范围内作为重点监过程严格按照施工步骤进行，计算过程中，根据文献测段，增加监测频率。[1]规定，结合隧道所

7、处的地层围岩状况，取隧道在施(2)路面横向沉降。由图3中Z_1_A点的监测数工过程中围岩和初期支护承受释放荷载的40％，二据曲线知，地面沉降速率急剧加大到缓慢收敛的纵向次衬砌承受释放荷载的60％。跨度区间在掌子面前方0．75D到掌子面后方2D范围内，且其它3个监测断面具有相类似的趋势。因此，选2数值模拟结果及分析取掌子面位于监测断面前方0．75D，掌子面位于监测本文计算的主要目的是为了研究在目前的施工断面正下方和掌子面位于监测断面后方2D3种情