福建省山區(qū)高速公路棄土對隧道安全性的影響分析

■張舒寧

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

福建省山區(qū)較多，在山區(qū)修建高速公路多采用隧道方案，并且，在修建高速公路過程中由于開挖隧道和高邊坡，易產(chǎn)生大量棄方需要臨時(shí)或永久棄置。 而棄土場的位置對附近構(gòu)造物常產(chǎn)生影響，在既有隧道上方或側(cè)方設(shè)置棄土場有可能對既有隧道產(chǎn)生一定的變形或內(nèi)力變化，從而可能對隧道安全性產(chǎn)生一定的影響，因此棄土場的選擇常常成為一大難題。 國內(nèi)學(xué)者在隧道安全性方面進(jìn)行了諸多研究，如盧裕杰[1]采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同填土厚度對既有淺埋隧道的安全性影響；吳慶[2]采用室內(nèi)模型和有限元模擬相結(jié)合的方法，對不同埋深的盾構(gòu)隧道在地面堆土作用下的變形規(guī)律進(jìn)行了研究。 既有的研究主要針對在淺埋隧道頂部新建道路而填筑路基，相比于此，隧道頂部棄土場填土產(chǎn)生的填土荷載往往更大，填筑方式更隨機(jī)，對隧道產(chǎn)生的影響更大。 因此，本文依托福建省某高速公路項(xiàng)目，采用有限元軟件對3 個(gè)典型因棄土場填土產(chǎn)生的影響的隧道進(jìn)行計(jì)算和分析，以期為相類似的工程提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡介

本文所依托的高速公路線位始于福建省南平市順昌縣埔上鎮(zhèn)， 終于福建省三明市沙縣梨樹村，公路設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，路基寬度26 m。 項(xiàng)目共有3 個(gè)棄土場分別設(shè)置于張墩隧道、 鄭坊隧道和七寶峰隧道頂部或側(cè)面。 張墩隧道為雙洞四車道隧道，其中右洞長970 m， 左洞長916 m， 左右洞平均長943 m，屬于中隧道，棄土場設(shè)置于右洞右上方（圖1）。鄭坊隧道為雙洞四車道隧道， 其中左洞長1100 m，右洞長1062 m，平均長1081 m，為長隧道，棄土場設(shè)置于左洞左上方（圖2）。 七寶峰隧道為雙洞四車道隧道，其中左洞長4454 m，右洞4419 m，平均長4436.5 m，棄土場設(shè)置于右洞右上方（圖3）。

圖2 鄭坊隧道典型斷面計(jì)算模型

圖3 七寶峰隧道典型斷面計(jì)算模型

1.2 項(xiàng)目地質(zhì)條件

3 個(gè)棄土場地質(zhì)條件分別如下：（1）張墩隧道棄土場堆載處地質(zhì)從上到下分別為坡積粉質(zhì)粘土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖和中風(fēng)化云母石英片巖。 隧道圍巖節(jié)理裂隙有一定程度上發(fā)育，隧道洞身圍巖級別差，隧道洞口圍巖級別為V 級，洞身圍巖級別為IV～V 級。 隧道場區(qū)地面線較陡，沒有較大的地表水流過，地表水較少。 （2）鄭坊隧道棄土場堆載處地質(zhì)從上到下分別為粉質(zhì)粘土、殘積粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化石英閃長巖和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化石英閃長巖，棄土場填筑地基表層有一層淤泥質(zhì)土。 隧道洞口圍巖級別為V 級，洞身圍巖級別為III～I(xiàn)V 級。 隧道場區(qū)未見一些不良地質(zhì)，沒有較大的地表水流過，地表水較少。 （3）七寶峰隧道棄土場堆載處地質(zhì)從上到下分別為坡積粉質(zhì)粘土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖，隧道洞口圍巖級別為V 級，洞身圍巖級別為II～I(xiàn)II 級。 隧道場區(qū)未見一些不良地質(zhì)，沒有較大的地表水流過，地表水較少。

2 數(shù)值分析模型

2.1 計(jì)算模型

本文的有限元模擬采用專業(yè)巖土軟件Geo-Studio 中的Slope/W 和Sigma/W 模塊來進(jìn)行二維模擬分析，計(jì)算3 個(gè)隧道的典型斷面在棄土場堆載作用下的穩(wěn)定性和位移情況， 以判斷其隧道安全性。隧道穩(wěn)定性計(jì)算方法根據(jù) 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）中的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[3]。

分別選取3 個(gè)隧道典型斷面進(jìn)行計(jì)算（如圖1～3）。計(jì)算模型范圍寬300～500 m，高100～200 m。計(jì)算位移和內(nèi)力時(shí)邊界條件設(shè)置下部為固定支座，左部和右部為水平固定豎向移動(dòng)支座。

圖1 張敦隧道典型斷面計(jì)算模型

2.2 隧道參數(shù)

3 個(gè)棄土場均設(shè)置于隧道洞口附近， 選取典型斷面的隧道圍巖級別均較差，其中：張敦隧道典型斷面左右洞圍巖級別均為V 級，左洞襯砌類型Z5-1，右洞ZDK-1；鄭坊隧道典型斷面左右洞圍巖級別均為V 級，左右洞襯砌類型均為ZDK-1；七寶峰隧道典型斷面左右洞圍巖級別均為V 級，左洞襯砌類型Z5-1，右洞為ZDK-1。 襯砌尺寸如表1 所示，襯砌采用混凝土標(biāo)號為C25。

表1 襯砌各部件尺寸

2.3 計(jì)算參數(shù)

本文地層地質(zhì)參數(shù)根據(jù)該項(xiàng)目地質(zhì)鉆探資料，并參考相關(guān)期刊文獻(xiàn)[1-2]，各巖土層設(shè)計(jì)計(jì)算采用參數(shù)如表2 所示。

表2 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

基于以上模型和參數(shù)，本文針對3 座隧道分別選取3 個(gè)典型隧道斷面進(jìn)行分析和計(jì)算。 由于施工期不確定性因素較多，棄土場堆土和隧道開挖時(shí)間先后順序?qū)λ淼烙绊戄^大，故本文考慮最不利的情況，即隧道開挖后，再進(jìn)行棄土場堆土的情況。 在隧道的有限元模擬中，施工方案可簡單描述為：在圍巖中開挖隧道，開挖后添加襯砌，然后清除位移值，以此模擬棄土場填筑前的初始應(yīng)力狀態(tài)；然后分別在原地面上施加不同厚度的棄土，分析不同棄土厚度時(shí)既有隧道位移及內(nèi)力的變化。

3.1 隧道位移分析

結(jié)合鐵路隧道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[1]，在不同公路重要性級別下， 隧道結(jié)構(gòu)容許位移如表3所示。由于本項(xiàng)目為高速公路，重要等級為I 級，因此本項(xiàng)目的允許隧道位移為5 mm，差異位移為1 mm。

表3 既有隧道結(jié)構(gòu)位移容許值

3.1.1 張墩隧道

選取張墩隧道的一個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，由于該隧道頂部的棄土場位于山凹段，四面環(huán)山，因此無棄土場穩(wěn)定性問題，根據(jù)地形，棄土場最高可填至45 m。

選取棄土場填高30 m 時(shí)的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖4～5、表4～5 所示。 從圖表中可以看出，左洞由于離棄土場遠(yuǎn)，其位移位移極小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于右洞，左洞總位移在0.02～0.04 mm，右洞總位移在0.7～2.1 mm，因此該隧道應(yīng)主要分析右洞的位移情況，隧道以后也主要分析離棄土場近的右洞。

圖4 30 m 填高張敦隧道棄土場位移云圖

圖5 30 m 填高張敦隧道位移云圖

表4 30 m 填高張墩隧道左右洞總位移 （單位：mm）

表5 30 m 填高張墩隧道右洞位移 （單位：mm）

從表4 中可以看出， 右洞受到棄土場推移作用，水平位移方向?yàn)樗较蜃?，不同位置的水平位移大多?.5～0.9 mm， 拱頂和拱腰處水平位移偏大。 豎直方向受到棄土場堆載作用，豎向位移方向豎直向下， 不同隧道位置的豎向位移大多在0.45～2.0 mm 之間， 其中拱頂處豎向位移最大，達(dá)1.932 mm，其次為右拱腰，由于棄土場位于隧道右邊，因此隧道左部豎向位移明顯小于右邊。 隧道整體水平位移和豎向位移均很大，分析時(shí)考慮整體總位移?？偽灰谱畲笾等晕挥诠绊敚_(dá)2.104 mm，其次為右拱腰，為2.024 mm，最小的位于左拱腳和仰拱處，分別為0.708 mm 和0.71 mm。

分析不同棄土場填高下隧道的位移情況，通過隧道位移情況從而得出棄土場容許填高。 從圖6 可以看出，隨著棄土場填土高度增加，不同位置的位移均呈明顯增長趨勢。最大位移處均位于拱頂，從填土10 m 處的0.04 mm， 增長至45 m 處的6.53 mm，增長163 倍； 仰拱增長最少， 從填土10 m 處的0.04 mm，增長至45 m 處的1.81 mm，增長45 倍。

圖6 不同填高張墩隧道右洞總位移

從不同填高張墩隧道右洞的總位移進(jìn)行判斷（表6），棄土場填高35 m 處總位移最大值位于拱頂處的3.54 mm，滿足要求；棄土場填高40 m 處拱頂總位移5.03 mm， 不滿足要求。 從差異位移進(jìn)行判斷，填高35 m 處拱腳、拱墻和拱腰的差異位移分別為0.45 mm、0.54 mm 和0.91 mm， 小于1 mm 的容許范圍。 因此，從位移角度判斷，張敦隧道頂部棄土場填高最高可達(dá)35 m，隧道可保持穩(wěn)定。

表6 不同填高張墩隧道右洞總位移（單位：mm）

3.1.2 鄭坊隧道

選取鄭坊隧道典型斷面進(jìn)行計(jì)算，該棄土場三面環(huán)山，在不考慮棄土場穩(wěn)定性的情況下，根據(jù)等高線，棄土場填高范圍可在5～30 m。 以棄土場填高20 m 為例， 隧道位移計(jì)算結(jié)果如圖7 和圖8 所示。由于棄土場更接近鄭坊隧道左洞，因此左洞位移明顯大于右洞， 選取左洞進(jìn)行分析。 以棄土場填高20 m 為例，左拱腳處位移最大（6.46 mm），其次為左拱墻（6.08 mm），右拱腰處最?。?.48 mm）。

圖7 20 m 填高鄭坊隧道棄土場位移云圖

圖8 20 m 填高鄭坊隧道位移云圖

分析不同棄土場填高下隧道的位移情況，通過隧道位移情況從而得出棄土場容許填高。 從表7 和圖9 可以看出，隨著棄土場填土高度增加，不同位置的位移均呈明顯增長趨勢，左拱腳處最大位移增長了82 倍。 最大位移處的位置也有變化，填土5 m處最大值位于拱頂（0.55 mm），15 m 處最大值位于左拱腳（2.32 mm），填土30 m 處最大值位于左拱腳（32.6 mm）。

圖9 不同填高鄭坊隧道左洞總位移

從不同填高鄭坊隧道左洞的總位移進(jìn)行判斷（表7），棄土場填高15 m 處總位移最大值位于左拱腳處的2.32 mm，滿足要求；棄土場填高20 m 處左拱腳總位移6.46 mm，不滿足要求。從差異位移進(jìn)行判斷，填高15 m 處拱腳、拱墻和拱腰的差異位移分別為1.69 mm、2.12 mm 和0.76 mm， 大于1 mm 的容許范圍，不滿足條件。 填高10 m 處拱腳、拱墻和拱腰的差異位移分別為0.34 mm、0.30 mm 和0.12 mm，小于1 mm 的容許范圍，滿足條件。 因此，從位移角度判斷，鄭坊隧道頂部棄土場填高最高可達(dá)10 m，隧道可保持穩(wěn)定。

表7 不同填高鄭坊隧道左洞總位移 （單位：mm）

由于該棄土場三面環(huán)山，需對放坡一側(cè)的進(jìn)行棄土場穩(wěn)定性驗(yàn)算[4]。 棄土場地層從上到下分別為淤泥質(zhì)土、殘積性粘土、全風(fēng)化花崗巖和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。 計(jì)算參數(shù)均采用摩爾庫侖模型（表8），參數(shù)來源于該項(xiàng)目地質(zhì)勘探資料和相關(guān)期刊文獻(xiàn)[5-7]。計(jì)算結(jié)果如圖10 所示， 該棄土場在填土高度為10 m 的情況下，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.467，滿足要求，認(rèn)為該棄土場方案可行。

圖10 鄭坊隧道10 m 填高棄土場穩(wěn)定性

表8 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3.1.3 七寶峰隧道

選取七寶峰隧道典型斷面進(jìn)行計(jì)算，該棄土場三面環(huán)山，在不考慮棄土場穩(wěn)定性的情況下，根據(jù)等高線，棄土場填高范圍可在5～25 m。以填高15 m為例，位移計(jì)算結(jié)果如圖11 和圖12 所示。 由于棄土場更接近七寶峰隧道右洞，因此右洞位移明顯大于左洞，選取右洞進(jìn)行分析。 以棄土場填高15 m 為例， 右拱腰處位移最大 （2.29 mm）， 其次為拱頂（2.23 mm），左拱腳處最?。?.64 mm）。

圖11 15 m 填高七寶峰隧道棄土場位移云圖

圖12 15 m 填高七寶峰隧道位移云圖

分析不同棄土場填高下隧道的位移情況，通過隧道位移情況從而得出棄土場容許填高。 從表9 和圖13 可以看出，隨著棄土場填土高度增加，不同位置的位移均呈明顯增長趨勢，拱頂處最大位移增長了12 倍，左拱墻處最大位移增長了15 倍。 最大位移處的位置也有變化， 填土5 m 處最大值位于右拱腰（0.50 mm），10 m 處最大值位于右拱腰（1.36 mm），填土25 m 處最大值位于拱頂（4.50 mm）。

表9 不同填高七寶峰隧道右洞總位移 （單位：mm）

圖13 不同填高七寶峰隧道左洞總位移

從不同填高七寶峰隧道右洞的總位移進(jìn)行判斷， 棄土場填高25 m 處總位移最大值位于拱頂處的4.50 mm，滿足要求，低于20 m 填高的工況總位移均滿足要求。 從差異位移進(jìn)行判斷，填高20 m 處拱腳、 拱墻和拱腰的差異位移分別為0.91 mm、0.73 mm 和1.15 mm，大于1 mm 的容許范圍，不滿足條件。 填高15 m 處拱腳、拱墻和拱腰的差異位移分別為0.74 mm、0.65 mm 和0.95 mm， 小于1 mm的容許范圍，滿足條件。 因此，從位移角度判斷，七寶峰隧道頂部棄土場填高最高可達(dá)15 m，隧道可保持穩(wěn)定。

由于該棄土場三面環(huán)山，需對放坡一側(cè)的進(jìn)行棄土場穩(wěn)定性驗(yàn)算。 棄土場地層從上到下分別為殘積性粘土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖。 計(jì)算參數(shù)均采用摩爾庫侖模型，參數(shù)見表8。計(jì)算結(jié)果如圖14 所示，該棄土場在填土高度為15 m 的情況下， 穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.160，滿足要求，認(rèn)為該棄土場方案可行。

圖14 七寶峰隧道15 m 填高棄土場穩(wěn)定性

3.2 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

除了對隧道變形進(jìn)行驗(yàn)算，還應(yīng)對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。 根據(jù)本文3.1 節(jié)計(jì)算結(jié)果， 張敦隧道在35 m 棄土場填土、鄭坊隧道在10 m 棄土場填土和七寶峰隧道在15 m 棄土場填土下位移能夠滿足要求。 因此對3 種工況下的受力情況進(jìn)行計(jì)算分析，從而計(jì)算其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[3]。

張墩隧道在35 m 棄土場填高下軸力、 彎矩和剪切力計(jì)算結(jié)果如圖15～17 所示， 圖15 中軸力正值為受壓，負(fù)值為受拉，從圖中可以看出，張敦隧道整體以受壓為主， 軸力左右拱腰處軸力值均較大，分別達(dá)到886.8 kN 和912 kN，仰拱處軸力值最小。圖16 中彎矩值普遍較小， 最大彎矩值位于右拱腳處，為27.5 kN·m。圖17 中剪切力同樣較小，剪切力最大值位于右拱墻處，為41.4 kN。 由于彎矩和剪切力值較小，以下分析主要考慮軸力。

圖15 張敦隧道35 m 棄土場填高軸力圖

圖16 張敦隧道35 m 棄土場填高彎矩圖

圖17 張敦隧道35 m 棄土場填高剪切力圖

鄭坊隧道和七寶峰軸力計(jì)算結(jié)果如圖18、19所示。 鄭坊隧道左側(cè)以軸力受壓為主，最大值達(dá)到29.6 kN，最大值位于左坡腳處，坡腳處變化極大；右側(cè)以受拉為主，最大值為28.3 kN，位于右拱腰處；仰拱處軸力值最小。 七寶峰隧道受力為受壓，最大值位于右拱墻處，達(dá)到1114.5 kN，左拱墻處值也較大，達(dá)到920.6 kN，仰拱處軸力值最小，拱頂處值也較小。

圖18 鄭坊隧道10 m 棄土場填高軸力圖

圖19 七寶峰隧道15 m 棄土場填高軸力圖

隧道的混凝土矩形截面軸心抗壓強(qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式進(jìn)行驗(yàn)算是否滿足要求。經(jīng)驗(yàn)算，3 種工況下隧道襯砌抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。 綜上所述，張敦隧道在35 m 棄土場填土、鄭坊隧道在10 m 棄土場填土和七寶峰隧道在15 m 棄土場填土下不僅位移能夠滿足要求， 結(jié)構(gòu)也能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，棄土場本身也能保持穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文采用有限元軟件Geo-studio 并依托福建省某高速公路設(shè)計(jì)實(shí)例，選取3 個(gè)典型因棄土場填土對臨近隧道的位移和內(nèi)力產(chǎn)生的影響的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)論如下：（1）隨著棄土場填高增大，隧道各個(gè)位置位移呈明顯增大趨勢。 離棄土場近的隧道位移明顯更大，以張敦隧道為例，左洞由于離棄土場遠(yuǎn)，其位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于右洞，左洞總位移在0.02～0.04 mm，左洞位移極小，右洞總位移在0.7～2.1 mm。 （2）張墩隧道總位移最大值位于拱頂，其次為右拱腰，最小的位于左拱腳和仰拱處。 經(jīng)計(jì)算， 棄土場填高35 m 處總位移最大值位于拱頂處的3.54 mm， 拱腳、 拱墻和拱腰的差異位移分別為0.45 mm、0.54 mm 和0.91 mm，均滿足要求。 （3）張坊隧道總位移最大值位于拱頂和左拱腳處，最小值位于右拱腳至仰拱之間。 填高10 m 處總位移最大值為1.04 mm，拱腳、拱墻和拱腰的差異位移分別為0.34 mm、0.30 mm 和0.12 mm，均滿足要求。 棄土場自身穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.467，滿足要求。 （4）七寶峰隧道總位移最大值位移拱頂和右拱腰之間，最小值位于仰拱。 填高15 m 處總位移最大值為2.29 mm，拱腳、 拱墻和拱腰的差異位移分別為0.74 mm、0.65 mm 和0.95 mm，滿足條件。 棄土場自身穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.160，滿足要求。 （5）在3 種位移滿足條件的工況下對隧道進(jìn)行受力分析。 張敦隧道整體以受壓為主，軸力右拱腰處軸力值最大（912 kN），仰拱處軸力值最小。 鄭坊隧道左洞左側(cè)以受壓為主，最大值位于左坡腳處（29.6 kN）； 左洞右側(cè)以受拉為主，最大值位于右拱腰處（28.3 kN）；仰拱處軸力值最小。 七寶峰隧道受力為受壓，最大值位于右拱墻處（1114.5 kN）；仰拱處軸力值最小。經(jīng)驗(yàn)算，隧道結(jié)構(gòu)在3 種工況下，結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。