新建隧道下穿既有公路的地表沉降研究

何小龍

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢 430010)

新建隧道下穿既有公路工程日益增多，隧道下穿公路施工必然會(huì)對既有公路產(chǎn)生不利影響，如造成公路不均勻沉降、沉降過大等問題，嚴(yán)重影響公路正常服役，縮短公路的服役周期。因此，新建隧道下穿既有公路引起的變形問題已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

越來越多的學(xué)者通過理論方法、數(shù)值方法和試驗(yàn)方法對該熱點(diǎn)問題開展了一系列的研究，并取得了豐碩的科研成果。卿偉宸等[1]基于有限元軟件，建立地下隧道與相鄰建筑物三維模型，研究了隧道施工對臨近建筑物和地表沉降的影響。趙紀(jì)平[2]以某隧道下穿高速公路工程為背景，利用數(shù)值手段分析了淺埋隧道下穿公路的施工過程，進(jìn)一步通過參數(shù)分析優(yōu)化了施工技術(shù)。王志等[3]通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了隧道尺寸、隧道埋深和隧道到公路距離等參數(shù)的影響，總結(jié)了隧道下穿高速公路施工的沉降規(guī)律。姚宣德等[4]通過分析眾多下穿既有建構(gòu)筑的地鐵淺埋暗挖法工程，利用統(tǒng)計(jì)手段總結(jié)了地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。胡德華等[5]以某上軟下硬地層雙線地鐵隧道下穿城市道路工程為背景，利用數(shù)值手段分析了隧道施工過程引起的道路的沉降規(guī)律。范昌杰等[6-7]通過建立數(shù)值模型研究了新建隧道下穿公路引起的路面沉降，并對相關(guān)敏感參數(shù)進(jìn)行對比分析。

本文基于某隧道下穿高速公路施工背景，擬利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析隧道下穿引起的公路沉降。討論隧道埋深、不同施工工法的影響。

1 工程工況

該新建隧道全長970 m，隧道在DK297+350-DK298+320段下穿某既有公路。新建隧道與既有公路呈16°斜交，隧道拱頂與公路最小距離僅為12 m。新建隧道主要處于黃土地層，該土層土質(zhì)疏松。同時(shí)該范圍內(nèi)新建隧道開挖面積約為180 m2，這極大地增加了工程施工難度。

隧道施工采用密排大管棚+掌子面纖維錨桿加固的聯(lián)合超前支護(hù)。在拱頂150°范圍內(nèi)施工密排大管棚，管棚內(nèi)插入直徑25 mm鋼筋籠并注滿水泥砂漿增加剛度，管棚長度68 m、直徑180 mm、壁厚10 mm。纖維錨桿直徑22 mm、長度為8 m、間距為1.2 m，按梅花形布置。初期支護(hù)采用混凝土面層+鋼筋網(wǎng)+鋼拱架，噴射C25強(qiáng)度的混凝土面層，面層厚度32 cm，鋼筋網(wǎng)按0.2 m×0.2 m布置，鋼筋直徑8 mm，鋼拱架為H250×250×9型鋼，縱向間距0.5 m。二襯采用60 cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 三維有限元模型

2.1 有限元模型

隧道的三維數(shù)值模型見圖1a)，基于模型尺寸不小于隧道直徑3～5倍的原則，本文建立的模型尺寸為200 m(X方向)×100 m(Y方向)×80 m(Z方向)。模型底面為完全固定邊界，四周為法向約束邊界條件，頂部邊界條件為完全自由。觀測點(diǎn)布置見圖1b)。

2.2 參數(shù)取值

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)報(bào)告，土體參數(shù)取值見表1。

表1 土層參數(shù)

隧道結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值如下。

1) 初期支護(hù)重度為2 500 kN/m3，彈性模量為23 000 MPa，泊松比為0.25。

2) 錨桿彈性模量為210 GPa，抗拉強(qiáng)度為240 MPa，黏聚強(qiáng)度為2 MPa，剛度為25 N·m，內(nèi)摩擦角為30°。

3) 管棚重度為23 kN/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.15，截面面積為0.06 m2。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為研究不同施工工法下隧道埋深引起的地表沉降，在CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法下。建立4種不同埋深工況，分別為10，20，30和40 m。CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法下不同隧道埋深的地表沉降橫斷面曲線圖見圖2。同時(shí)基于圖2沉降數(shù)據(jù)，2種工法下地表沉降峰值隨隧道埋深的變化曲線圖見圖3。

圖2 不同施工工法下地表沉降曲線

圖3 2種工法下地表沉降峰值隨隧道埋深的變化曲線

由圖2可見，不同施工工法下地表沉降曲線均呈現(xiàn)近似正態(tài)分布規(guī)律，與Peck沉降預(yù)測公式結(jié)果一致，地表沉降峰值均發(fā)生在隧道中心線正上方。由圖2a)可知，對于隧道埋深為10 m工況，當(dāng)觀測點(diǎn)距隧道中心線距離小于25 m時(shí)，公路地表沉降顯著增大。由此可知，該工況下隧道施工對隧道周邊25 m范圍內(nèi)土體有顯著影響。對于隧道埋深為20 m工況，當(dāng)觀測點(diǎn)距隧道中心線距離小于35 m時(shí)，公路地表沉降顯著增大。由此可知，該工況下隧道施工對隧道周邊35 m范圍內(nèi)土體有顯著影響。進(jìn)一步觀察可知，隨著隧道埋深的進(jìn)一步增大，隧道施工引起隧道周邊地表顯著沉降的范圍減小。從圖2b)中可以觀察出與圖2a)相似的地表沉降規(guī)律。

由圖3可見，當(dāng)隧道采用CRD施工工法，對于隧道埋深10 m工況，隧道施工引起的地表沉降峰值為62.5 mm；當(dāng)隧道埋深為20 m時(shí)，隧道施工引起的地表沉降峰值為30.5 mm，較隧道埋深10 m工況減少了約51.2%；當(dāng)隧道埋深加深至30 m時(shí)，隧道施工引起的地表沉降峰值為10 mm，較隧道埋深20 m工況減少了約68.2%；當(dāng)隧道埋深進(jìn)一步加深至40 m時(shí)，隧道施工引起的地表沉降峰值為4.5 mm，較隧道埋深30 m工況減少了約55%。

當(dāng)隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法，隧道埋深為10，20，30和40 m時(shí)，隧道施工引起的地表沉降峰值分別為44.6，23.5，8.1和3.9 mm，地表沉降峰值減幅分別為47%，66%和51%。可見，隧道埋深對隧道施工引起的地表沉降影響顯著。地表沉降隨隧道埋深增大迅速減小，當(dāng)埋深增大到一定程度，這種影響逐漸減弱。因此，不論哪種施工工法，在一定范圍內(nèi)，增大隧道埋深可以有效控制地表沉降。對比CRD工法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法下的地表沉降值可以發(fā)現(xiàn)，CRD工法下隧道施工引起的地表沉降總體上大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的地表沉降。且隧道埋深越淺，CRD工法的地表沉降和影響范圍均越小于雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的計(jì)算結(jié)果。

研究隧道埋深為10，20，30和40 m 4種工況，2種施工工法下隧道中心線地表沉降隨掌子面推進(jìn)的變化，曲線圖見圖4。

圖4 2種工法下地表沉降峰值在隧道掘進(jìn)過程中變化曲線

由圖4可見，隨著掌子面推進(jìn)，地表沉降初期緩慢增大，隨后迅速增大，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)掌子面掘進(jìn)范圍為-3R～-R(R為隧道截面寬度的1/2)，隧道施工引起的地層擾動(dòng)導(dǎo)致地表開始出現(xiàn)緩慢沉降，此段施工期引起的地表沉降約占地表沉降最大值的14%～31%；當(dāng)掌子面掘進(jìn)范圍為-R～4R，這一時(shí)期初期支護(hù)逐步進(jìn)行，隧道施工引起的地表沉降開始迅速增大，此段施工期引起的地表沉降約占地表沉降最大值的58%～66%；當(dāng)掌子面掘進(jìn)范圍為4R～10R，二次襯砌逐步施工，地表沉降緩慢增大并逐漸趨于穩(wěn)定，此段施工期引起的地表沉降約占地表沉降最大值的9%～15%；當(dāng)掌子面掘進(jìn)范圍超過10R，沉降基本穩(wěn)定。

2種施工工法下隧道施工完成后隧道拱頂沉降和地表沉降結(jié)果見表2和表3。

表2 CRD工法隧道拱頂和地表沉降

表3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法隧道拱頂和地表沉降

由表2和表3可見，對于淺埋隧道，相比于CRD施工工法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工法能有效減小地層擾動(dòng)，控制地表沉降。隨著隧道埋深的加深，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工法的控制效果逐漸削弱。另一方面，隨著隧道埋深的增大，CRD工法施工完引起的地表沉降/拱頂沉降逐漸大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的比值。這是因?yàn)閷τ跍\埋隧道，隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法施工容易導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力重分布，更易造成地層的擾動(dòng)，隧道的總體沉降更多體現(xiàn)在地表沉降上。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

DK297+870斷面的地表沉降隨施工時(shí)間的曲線圖見圖5。由圖5可見，隧道施工初期引起的地表沉降很小，約占最終沉降的11%；從左導(dǎo)洞封閉到隧道施工完成時(shí)期內(nèi)地表沉降顯著增大，約占最終沉降的70%；隧道施工完成至地表沉降穩(wěn)定期間的新增沉降約占最終沉降的19%?？梢?，從左導(dǎo)洞封閉到隧道施工完成時(shí)期內(nèi)地表沉降最為主要，因此，可以縮短臺階長度以控制該時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生的地表沉降量。

圖5 DK297+870斷面的地表沉降隨施工時(shí)間的曲線

DK297+870隧道不同部位洞頂?shù)某两蹬c相應(yīng)處地表沉降曲線圖見圖6。

圖6 DK298+105隧道洞頂?shù)某两蹬c相應(yīng)處地表沉降曲線

由圖6可見，隧道開挖過程中，隧道開挖引起的地表沉降總體小于隧道開挖引起的拱頂沉降，尤其對于右導(dǎo)洞。隧道拱頂沉降與相應(yīng)處地表沉降的沉降規(guī)律趨于一致。另一方面，左導(dǎo)洞和隧道中線的拱頂沉降更能體現(xiàn)在地表沉降上。

5 結(jié)論

本文以某隧道下穿高速公路工程為背景，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了隧道下穿引起的公路沉降。系統(tǒng)研究了隧道埋深、不同施工工法的影響。獲得以下主要結(jié)論。

1) 隧道埋深對隧道施工引起的地表沉降影響顯著。地表沉降隨隧道埋深增大迅速減小，當(dāng)埋深增大到一定程度，這種影響逐漸減弱。

2) 隧道施工對隧道周邊地層影響范圍隨著隧道埋深增加先增大后減小，在埋深為20 m時(shí)達(dá)到最值。

3) 對于淺埋隧道，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工法能更有效地減小地層擾動(dòng)，控制地表沉降。隨著隧道埋深的加深，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工法的控制效果逐漸削弱。