福州三环路金鸡山隧道和罗汉山隧道设计的若干分析

谢 琪

(福州市规划设计研究院， 福建 福州 350003)



福州三环路金鸡山隧道和罗汉山隧道设计的若干分析

谢 琪

(福州市规划设计研究院， 福建 福州 350003)

福州三环路金鸡山隧道和罗汉山隧道的辅路隧道与主路隧道并列形成了全国罕见的“小净距+连拱+小净距”群体隧道，且辅路隧道晚于主路隧道进洞施工。介绍了项目概况，分析了对多孔群体隧道进行建模并对各施工步序进行模拟计算的有关结果，论述了后建辅路隧道对已建主路隧道造成的不利影响，阐明了加强后建辅路隧道支护措施的必要性。

群体隧道; 后建辅路隧道; 设计; 分析

1 概述

福州三环路为城市快速路，快速路主路布置在中间，辅路布置在主路两侧，主辅路间设置侧分带等分隔设施并控制开口。快速路主路仅供机动车通行，并设置中央分隔带分向行驶；辅路仅供慢速机动车、非机动车及行人通行，辅路车辆单向行驶。福州三环路在金鸡山和罗汉山路段与福州长乐国际机场高速公路二期共线，共线路段的机场高速公路二期也作为三环路主路。

福州三环路共有两座隧道，即金鸡山隧道和罗汉山隧道。两座隧道的辅路隧道均布置在主路隧道两侧，分左右双洞，路面一般比主路隧道低7～10 m，单洞单向3车道(右侧车道为非机动车道)，路面宽度12.5 m，洞内最大净宽15.32 m；主路隧道均为连拱隧道，单洞单向4车道，路面宽度16 m，洞内最大净宽18.2 m。辅路隧道与主路连拱隧道并列形成了“小间距+连拱+小间距”的群体隧道，为全国罕见，见图1。

福州三环路金鸡山隧道和罗汉山隧道的辅路隧道与主路隧道并列形成了全国罕见的“小净距+连拱+小净距”群体隧道，工程设计时在国内未能找到类似可借鉴参考的工程实例。由于辅路隧道修建范围的征地拆迁工作相对滞后，金鸡山隧道和罗汉山隧道的辅路隧道均晚于主路隧道进洞施工，针对该实际工况，以下介绍了采用有限差分软件FLAC3D对多孔群体隧道进行建模的情况，并对各施工步序模拟计算的有关结果进行分析，论述了后建辅路隧道对已建主路隧道造成的不利影响，阐明了加强后建辅路隧道支护措施的必要性。

图1 金鸡山(罗汉山)隧道横断面布置图(单位： cm)Figure 1 Jinjishan(Luohanshan)Tunnel cross section layout(unit： cm)

2 计算模型

金鸡山隧道和罗汉山隧道的辅路隧道均晚于主路隧道进洞施工。两座隧道的主路连拱隧道对应V级和IV级围岩均采用中导洞配合双侧壁导坑法施工；辅路隧道对应V级围岩均采用双侧壁导坑法施工，而对应IV级围岩则均采用单侧壁导坑法施工。金鸡山隧道和罗汉山隧道依据各自不同的场地地形、地质、埋深、各洞轴线间距等独立建模。

2.1 物理力学参数

金鸡山隧道和罗汉山隧道所在区域围岩均包含IV级和V级。隧道洞身围岩有弱风化花岗岩、花岗斑岩及闪长玢岩脉体分布，强度较高，但整体完整性较差，围岩级别以IV级为主，洞口段为残积层及强风化岩分布，呈现松散碎裂状，围岩级别为V级。各级围岩等主要材料的物理力学参数见表1。

表1 物理力学参数表Table1 Physicalmechanicalparameterlist材料名称变性模量E/GPa泊松比υ粘聚力C/MPa内摩擦角/(°)重度/(kN·m-3)备注Ⅳ级围岩3.650.320.45 33 21.5围岩V级围岩1.50.380.12523.518.5围岩C15砼26.00.20//25.0隧底填充C25砼29.50.20//25.0初支、临支C30砼31.00.20//25.0二衬

2.2 隧道主要支护参数

表2给出了辅路隧道和主路隧道复合式衬砌支护参数。

表2 辅路隧道和主路连拱隧道复合式衬砌支护参数表Table2 Compositeliningsupportparametertableforthereliefroadtunnelandthemainroadmulti-archtunnel支护类型初期支护C25喷射砼ф22组合锚杆钢支撑厚度/cm位置长度/m间距/m位置型号间距/m二次衬砌C30钢筋砼拱墙/cm仰拱/cm施工辅助措施LZ525拱墙 仰拱4.50.6拱墙工180.65555超前小导管或大管棚18拱墙 仰拱钢格栅0.6LZ422拱墙3.51.0拱墙工161 4545超前锚杆LZ525拱墙 仰拱5.00.6拱墙工20b0.65555超前小导管或大管棚20拱墙 仰拱钢格栅0.6LZ426拱墙4 1.0拱墙工181 5050超前锚杆 表中支护类型LZ5和LZ4分别对应V级围岩和IV级围岩,其中LZ5型支护采用双层初期支护。

2.3 模拟建模

采用有限差分软件FLAC3D对多孔群体隧道进行建模，在主路隧道先建、辅路隧道后建的前提下，模拟主路连拱隧道和辅路隧道的各个施工步序并进行计算。

围岩选取范围以隧道中线为基准，左侧、右侧各延伸到100 m，上部延伸到地表，下部延伸到辅路隧道仰拱底以下45 m；隧道左右有水平约束，下部有垂直约束，前方和后方均有垂直其面的约束；计算中，采用8节点6面体实体单元模拟围岩、初期支护、临时支护和中隔墙等。

金鸡山隧道和罗汉山隧道各自独立建模；同一座隧道对应V级围岩和IV级围也分别建模。以下仅示出金鸡山隧道对应V级围岩的部分计算模型，见图2。

图2 金鸡山隧道部分计算模型(V级围岩)Figure 2 Partial computational model for Jinjishan Tunnel (V rock)

金鸡山多孔隧道V级围岩计算模型总单元数为7154个，总节点数为14314。

3 计算结果与分析

模拟计算结果表明IV级围岩均比V级围岩有利，IV级围岩相应的初期支护承受的轴力较小、安全系数较大，围岩也未见明显的塑性区范围。因此，以下仅对两座隧道对应V级围岩的计算结果进行列举和分析。

3.1 锚杆应力

金鸡山隧道锚杆应力最大值为22.29 MPa(辅路隧道左洞内侧面)，罗汉山隧道锚杆应力最大值为21.12 MPa(辅路隧道右洞内侧面)；主路隧道对应的锚杆应力最大值与各自的辅路隧道对比均相对较小。锚杆拉应力最大值均在设计要求范围之内。

3.2 主要施工步序位移

金鸡山隧道当主路连拱隧道先施工完毕时，位移以拱顶处最大，拱顶位移为6.3 mm，当后建辅路隧道施工完毕时，辅路隧道拱顶最大位移为7.5 mm，而连拱隧道拱顶位移增大为8.0 mm；罗汉山隧道当主路连拱隧道先施工完毕时，连拱隧道拱顶位移为6.5 mm，位移以拱顶处最大，当后建辅路隧道施工完毕时，辅路隧道拱顶最大位移为7.0 mm，而连拱隧道拱顶位移增大为8.3 mm。以下仅示出金鸡山隧道当后建辅路隧道施工完毕时的位移云图(V级围岩)，见图3。

图3 金鸡山隧道后建辅路隧道施工完毕时的位移云图(V级围岩)Figure 3 Displacement contour after the construction of the jinjishan relief road tunnel (V rock)

3.3 主要施工步序围岩塑性区

两座隧道的主路隧道及辅路隧道施工均会导致在隧道周边一定范围内的围岩出现塑性，后建辅路隧道使先建主路连拱隧道周边围岩塑性区有所扩大，但并不显著。由于超前支护、初期支护及临时支护措施充分发挥了作用，塑性区半径均小于3 m。锚杆的设计长度均大于塑性区半径，锚杆的设计是合理的。

3.4 初期支护内力及安全系数

① 初期支护断面划分。

辅路隧道初期支护左右洞各划分为22个断面，通过分析这些断面的初期支护内力及安全系数变化情况，以评价隧道结构的安全性。辅路隧道左右洞初期支护各个断面与位置对应关系见图4。

图4 辅路隧道初期支护断面编号图Figure 4 Section number diagram for the initial support of the relief road tunnel

主路连拱隧道初期支护左右洞共划分为42个断面，通过分析这些断面的初期支护内力及安全系数变化情况，以评价主路连拱隧道结构的安全性。主路连拱隧道左右洞初期支护各个断面与位置对应关系见图5。

图5 主路连拱隧道初期支护断面编号图Figure 5 Section number diagram for the initial support of the main road multi-arch tunnel

② 初期支护轴力及安全系数。

表3和表4分别给出了金鸡山隧道和罗汉山隧道初期支护轴力的最大值及其对应的断面位置，并给出了最小安全系数及其对应的断面位置。

两座隧道的主路连拱隧道初期支护轴力最大值和安全系数最小值均发生在后建辅路隧道建成后。主路连拱隧道和辅路隧道初期支护弯矩值均较小，多数计算断面为小偏心受压，仅个别断面为大偏心受压。计算结果表明主辅路隧道初期支护各个计算断面的混凝土应力及安全性均满足相关规范要求。

表3 金鸡山隧道初期支护轴力最大值及安全系数最小值Table3 Maximumaxialforceandminimumsafetyfactorforthejinjishantunnelinitialsupport洞别主路连拱隧道辅路隧道左洞右洞左洞右洞轴力最大值/kN1723kN1475kN1470kN1282kN对应位置21号断面(中隔墙上部)22号断面(中隔墙上部)16号断面(内侧导洞中部)16号断面(内侧导洞中部)安全系数最小值2.80(受压控制)3.20(受压控制)3.1(受压控制)3.7(受压控制)对应位置21号断面(中隔墙上部)22号断面(中隔墙上部)18号断面(内侧导洞下部)16号断面(内侧导洞中部)

表4 罗汉山隧道初期支护轴力最大值及安全系数最小值Table4 Maximumaxialforceandminimumsafetyfactorfortheluohanshantunnelinitialsupport洞别主路连拱隧道辅路隧道左洞右洞左洞右洞轴力最大值/kN1700kN1681kN1221kN1395kN对应位置21号断面(中隔墙上部)22号断面(中隔墙上部)17号断面(内侧导洞中下部)16号断面(内侧导洞中部)安全系数最小值2.80(受压控制)2.80(受压控制)3.6(受压控制)3.5(受压控制)对应位置21号断面(中隔墙上部)22号断面(中隔墙上部)18号断面(内侧导洞下部)16号断面(内侧导洞中部)

3.5 后建辅路隧道对已建主路连拱隧道造成的影响

表5给出了金鸡山隧道和罗汉山隧道在辅路隧道修建前后主路连拱隧道代表断面处内力及安全系数大小的变化。表中A表示主路连拱隧道本身施工完成后阶段，B表示后建辅路隧道施工完成后阶段；断面编号指主路连拱隧道，增量栏中正值表示增加，负值表示减小。

表5 金鸡山和罗汉山辅路隧道修建前后主路连拱隧道内力及安全系数变化Table5 Variationoftheinternalforceandsafetyfactorforthemainroadmulti-archtunnelbeforeandaftertheconstruc-tionofthejinjishanandluohanshanreliefroadtunnel隧道断面编号轴力/kNAB增量/%弯矩/(kN.m)AB增量/%安全系数AB增量/%6-99-206108.67.66.4-15.710.521.2102.421-1645-17234.73.95.233.42.92.8-4.4金鸡山隧道22-1407-14754.80.61.4147.53.43.2-4.536-228-35355.2-2.8-4.352.920.913.5-35.537-101-20299.86.75.6-16.414.422.0536-76-15298.676.3-9.89.526172.97-203-29444.9-2.1-2.833.723.616.3-30.9罗汉山隧道21-1644-17003.51.929.72.92.8-3.322-1626-16813.43.14.339.12.92.8-3.237-145-24166.48.77.7-11.813.717.930.7

由表中数据对比可知: 后建辅路隧道的修建会对已建主路连拱隧道初期支护受力产生明显不利影响。辅路隧道建成后使得已建主路连拱隧道初期支护轴力均增大，受影响显著的均是主路连拱隧道左右洞仰拱中部的6号及37号断面，金鸡山主路隧道在这两处断面的轴力均增大为原来的2倍左右，而罗汉山主路隧道在这两处断面的轴力在辅路隧道修建后分别增大了98.6%和66.4%；计算结果表明，主路连拱隧道除个别断面由原来的受拉控制转变为受压控制、安全系数有所增大外，总体上看，由于后建辅路隧道的修建导致了主路连拱隧道初期支护安全系数减小，金鸡山隧道减小最大值为35.5%，罗汉山隧道减小最大值为30.9%，说明后建辅路隧道的修建对已建成的主路连拱隧道影响是不可忽视的。

3.6 加强后建辅路隧道支护措施的必要性

以上表述和计算中“已建主路隧道”或“主路连拱隧道施工完毕”是指在V级围岩段，主路隧道第一层初期支护(喷层厚度25 cm)施作完成并待临时支护内力及围岩变形基本稳定后拆除临时侧壁时的状况，“后建辅路隧道施工完成”的含义也是如此。

但由于①主辅路隧道所形成的“小净距+连拱+小净距”多孔群体隧道在国内十分罕见，未能找到可参照的工程实例， ②岩土及隧道支护结构受力相当复杂， ③承包商施工有时达不到设计要求的理想状态， ④后建辅路隧道对已建主路隧道的力学影响较为显著，后建辅路隧道的施工安全对主路隧道而言十分重要，因此，加强后建辅路隧道支护措施非常必要。首先，V级围岩段的辅路隧道采用了双层初期支护，要求在第一层初期支护施作完成后，待临时支护内力及围岩变形基本稳定后拆除临时侧壁，拆除过程中应密切监控变形及洞内支护内力等量测数据，如有突变应立即停止拆除，并且要求一次拆除距离不得大于2 m，一次拆除结束后要求立即施作第二层初期支护，再者，要求辅路隧道施工应执行地质预测方案，通过必要的动态设计以使隧道支护结构更加适应于围岩实际情况，隧道施工过程中如发现围岩状况与地勘资料差异明显时，设计单位应按预案要求及时进行加强超前支护或增加初期支护厚度等措施的变更设计。

4 结语

a. 采用有限差分软件FLAC3D在主路隧道先建、辅路隧道后建情况下，对主辅路隧道各施工步序进行模拟计算，计算结果表明: ①锚杆拉应力在设计要求范围内； ②V级围岩条件下，隧道各施工步序对应的塑性区半径不超过3.0 m，通过超前支护和系统锚杆可以改善围岩强度；Ⅳ级围岩条件下，隧道各施工步序没有形成塑性区； ③主辅路隧道初期支护各个断面的受力及安全性均满足要求。相关监控量测数据以及隧道的顺利建成通车表明隧道的设计和计算是合理的。

b. 辅路隧道和主路隧道不能分开独立计算，应考虑多孔群体隧道的相互影响。计算结果表明，V级围岩条件下后建辅路隧道的修建使已建主路连拱隧道个别断面初期支护轴力增大为原来的两倍，安全系数降低35.5%，拱顶位移增大1.8 mm，后建辅路隧道的修建给已建主路连拱隧道带来的影响是不可忽视的。

c. 主辅路隧道所形成的“小净距+连拱+小净距”多孔群体隧道在国内十分罕见，未能找到可参照的工程实例，后建辅路隧道会对已建主路隧道造成明显不利影响，后建辅路隧道的施工安全对已建主路隧道而言十分重要，适当加强后建辅路隧道的支护措施是必要的。再者，也要求隧道施工应执行地质预测方案，通过必要的动态设计以使隧道支护结构更加适应于围岩实际情况，并使隧道施工更加安全。

[1] JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[2] JTG/TD70-2010，公路隧道设计细则[S].

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[4] 吴明先，赵永国，杨彦民.单洞四车道特大断面公路隧道设计与施工关键技术[J].公路，2009(10)：317-322.

Some Analyses of the Design for Jinjishan Tunnel and Luohanshan Tunnel on the Third Ring Road in Fuzhou

XIE Qi

(Fuzhou Planning Desin and Research Institude，Fuzhou，Fujian 350003，China)

The main road tunnel and relief road tunnel of Jinjishan Tunnel and Luohanshan Tunnel on the Third Ring Road in Fuzhou are located side by side and present the nationwide rare group tunnels consisting of the neighborhood tunnel，multi-arch tunnel and neighborhood one，and the relief road tunnel was constructed after the main road tunnel. This article introduces the general situation of the project，analyzes the model building for the porous group tunnels and the relational computed results with the simulation for their each construction step，discusses the adverse effect that the completed main road tunnel was impacted by the relief road tunnel constructed after，clarifies the necessity of strengthening the supporting measures applied to the relief road tunnel constructed after.

group tunnels； relief road tunnel constructed after； design； analyze

2016 — 03 — 08

谢 琪(1965 — )，男，福建龙岩人，教授级高级工程师，从事桥梁隧道工程研究及设计工作.

U 452.2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0139 — 05