交通荷載作用下超淺埋隧道洞口段變形及控制研究*

周 飛，陳志敏,2，文 勇，黃林祥，任 益

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222； 4.重慶市鐵路(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

0 引言

近年來(lái)，隨著地下工程快速發(fā)展，隧道下穿既有線路或結(jié)構(gòu)物等工程逐漸增多，為保證新建隧道施工和上部結(jié)構(gòu)的安全，研究人員進(jìn)行大量研究：陳瑞文等[1]以杭州地鐵6號(hào)線區(qū)間隧道下穿錢江二路公路隧道為例，對(duì)上部土體的加固技術(shù)、沉降控制措施及監(jiān)測(cè)結(jié)果等進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)利用有限元軟件模擬隧道開挖，研究隧道在開挖過(guò)程中圍巖變形及公路沉降規(guī)律，并制定合理的施工方案；賈寶新等[4]以Peck公式為依據(jù)，通過(guò)理論推導(dǎo)得到在交叉隧道近接距離影響下的路基沉降值及相應(yīng)解析解，并通過(guò)數(shù)值模擬研究隧道開挖引起的路基沉降規(guī)律；董捷等[5]研究發(fā)現(xiàn)新建隧道下穿公路隧道時(shí)，重型汽車荷載引起的振動(dòng)效應(yīng)是造成下部隧道拱頂沉降的主要原因；文獻(xiàn)[6-7]對(duì)新建隧道下穿公路或其他建筑結(jié)構(gòu)物時(shí)施工中采取的帷幕注漿等超前支護(hù)措施進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[8-9]對(duì)比分析CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在新建隧道下穿既有線路時(shí)的控制變形效果，得到雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制拱頂沉降效果好，CRD法控制水平收斂的效果更好。

新鼓山隧道洞口下穿段最小覆土厚度僅為4.1 m，要保證公路運(yùn)營(yíng)不受隧道施工的影響困難極大。因此，本文針對(duì)新鼓山隧道工程洞口下穿段建立有限元模型，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析隧道開挖引起洞口段變形情況，制定控制隧道變形的開挖及支護(hù)措施。

1 工程概況及材料參數(shù)設(shè)計(jì)

新鼓山隧道位于福建省福州市鼓山風(fēng)景區(qū)，設(shè)計(jì)為單洞雙線，設(shè)計(jì)斷面寬13.8 m、高12.4 m，隧道進(jìn)口DK5+170～DK5+310段下穿機(jī)場(chǎng)高速及三環(huán)公路，穿越段埋深淺，覆土厚僅為4.1～4.9 m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)[10]，隧道埋深小于等效荷載高度13.7 m時(shí)，隧道進(jìn)口段為超淺埋。隧道洞口下穿段縱斷面示意如圖1所示。

圖1 新鼓山隧道洞口下穿段縱斷面示意

洞口下穿段穿越地層為人工填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，巖性較差。下穿段工程所處環(huán)境條件復(fù)雜，褶皺等節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)條件較差，為整個(gè)隧道乃至鐵路全線的重點(diǎn)控制工程，隧道地層參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

隧道初期支護(hù)采用C35噴射混凝土，厚度0.3 m，錨桿長(zhǎng)4 m，采用梅花型布置，二次襯砌為C35鋼筋混凝土，厚度0.5 m，采用HRB400鋼筋。根據(jù)隧道實(shí)際情況建立三維模型，給模型施加與實(shí)際工程對(duì)應(yīng)的邊界和初始條件。三維模型尺寸為(X×Y×Z)130 m×120 m×45 m，隧道埋深取最小覆土厚度4.1 m，土層、路基采用摩爾-庫(kù)倫模型、襯砌支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型、開挖采用空模型。

在靜力計(jì)算時(shí)，模型采用摩爾-庫(kù)倫模型?？紤]交通荷載時(shí)設(shè)置靜態(tài)邊界，Hyodo等[11]通過(guò)卡車在道路行駛試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同一深度豎向土壓力可以用半波正弦來(lái)表示；葉斌等[12]采用半波正弦荷載模擬交通動(dòng)荷載作用，分析路基的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。鑒于交通荷載本身的特性和前人成熟研究的可靠性，將交通荷載簡(jiǎn)化為半波正弦動(dòng)荷載，荷載示意如圖2所示。

圖2 交通動(dòng)荷載示意

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)[13]，按BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)，取荷載峰值Pmax為后軸標(biāo)準(zhǔn)軸載50 kN,交通荷載豎向作用于整個(gè)道路。通過(guò)在模型邊界施加動(dòng)態(tài)邊界條件的形式,模擬材料所承受的交通動(dòng)荷載作用。

通過(guò)ANSYS軟件建模和劃分網(wǎng)格后再導(dǎo)入FLACD3D進(jìn)行后處理計(jì)算，最后建立模型如圖3所示。

圖3 模型及網(wǎng)格劃分

2 隧道下穿施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隧道下穿既有高速公路，施工時(shí)會(huì)對(duì)上覆既有公路造成很大影響，可能出現(xiàn)施工安全事故。因此，需要對(duì)新鼓山隧道下穿公路段進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估經(jīng)常采用專家調(diào)查打分法、模糊綜合評(píng)判法等，但這些方法結(jié)果受個(gè)人主觀因素影響較大，而且計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、效率較低。曹成勇等[14]采用功效系數(shù)法對(duì)淺埋隧道下穿公路施工的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，分析結(jié)果較為準(zhǔn)確。因此，本文根據(jù)功效系數(shù)法原理分析新鼓山隧道下穿公路施工風(fēng)險(xiǎn)，分析過(guò)程包括以下5個(gè)部分：

1)選取代表性指標(biāo)。各指標(biāo)盡量能全面、綜合地反映分析目標(biāo)情況。

2)預(yù)警值和極限值的確定。即各指標(biāo)的的最高和最低水平。

3)計(jì)算功效系數(shù)值如式(1)所示：

(1)

式中：di為第i個(gè)指標(biāo)功效系數(shù)值；Xi為第i個(gè)指標(biāo)實(shí)際值；Xhi為預(yù)警值；Xsi為極限值。

4)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。采用專家評(píng)分后的歸一化權(quán)重，如式(2)所示：

(2)

式中：Pi與wi分別為第i個(gè)指標(biāo)權(quán)數(shù)和權(quán)重系數(shù)。

5)分析對(duì)象的總功效系數(shù)D，如式(3)所示：

(3)

根據(jù)總功效系數(shù)，可對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)估，風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)

根據(jù)新鼓山隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和地質(zhì)勘查情況，將地表沉降、周邊收斂、地下水、掌子面及支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察等內(nèi)容作為隧道下穿施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要指標(biāo)。分析大量實(shí)際工程和規(guī)范資料，得到各指標(biāo)的預(yù)警值與極限值如表3所示。

表3 指標(biāo)預(yù)警值與極限值

根據(jù)隧道(DK5+170)～(DK5+310)段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和地質(zhì)勘察情況分析，在斷面(DK5+205)處，地表沉降速率最大為3.75 mm/d，周邊最大收斂速率為2.35 mm/d。由于變形速率更能體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，所以此次采用地表沉降速率和周邊收斂速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與觀察結(jié)果計(jì)算各指標(biāo)功效系數(shù)，最后得到總功效系數(shù)見表4。

表4 新鼓山隧道下穿施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

總功效系數(shù)值為78.973，根據(jù)表2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，洞口段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高度，結(jié)合《新鼓山隧道設(shè)計(jì)說(shuō)明》中對(duì)隧道下穿段的風(fēng)險(xiǎn)分析，隧道(DK5+170)～(DK5+310)段主要風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見表5。

表5 下穿段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》，概率等級(jí)4為可能發(fā)生，3為偶然發(fā)生；后果等級(jí)4為很嚴(yán)重的，3為嚴(yán)重的。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高度是不期望的，這類風(fēng)險(xiǎn)較大，必須要進(jìn)行一定的處理措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。

從表5中新鼓山隧道下穿段初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)看，下穿段主要存在的風(fēng)險(xiǎn)為垮塌、塌方和影響既有建構(gòu)筑物，都是可能發(fā)生的。后果很嚴(yán)重的高度風(fēng)險(xiǎn)，必須要采取相應(yīng)的措施來(lái)降低這些風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)處理以后，下穿段仍會(huì)存在殘余風(fēng)險(xiǎn)，這類風(fēng)險(xiǎn)也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和重視。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，新鼓山隧道下穿段施工會(huì)對(duì)上覆既有公路造成很大影響，可能發(fā)生后果嚴(yán)重的高度風(fēng)險(xiǎn)，所以著重對(duì)隧道洞口段的變形特征及控制方法進(jìn)行研究。

3.1 交通荷載下隧道的變形特征

在有限元軟件中模擬交通荷載作用下隧道的變形，監(jiān)測(cè)拱頂豎向位移和拱腰的水平位移的變化。計(jì)算完成后，取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化數(shù)據(jù)，繪制位移時(shí)程曲線如圖4～5所示。

圖4 拱頂沉降位移時(shí)程曲線

由圖4可知，在交通荷載作用以后，拱頂豎向沉降逐漸增大，最大沉降值達(dá)到0.78 mm。拱頂沉降變形響應(yīng)在4 s以后趨于穩(wěn)定。交通荷載對(duì)隧道拱頂沉降有一定影響。

由圖5可知，在單次交通動(dòng)荷載作用下，隧道左右拱腰出現(xiàn)不同程度的變形響應(yīng)。變形呈現(xiàn)對(duì)稱分布，水平位移數(shù)值也正好相反，說(shuō)明交通動(dòng)荷載傳遞至隧道拱腰處，拱腰表現(xiàn)出來(lái)水平位移響應(yīng)變化正好相反，隧道左拱腰向右變形，右拱腰向左變形，從而隧道凈空發(fā)生收斂變形。

圖5 拱腰水平位移時(shí)程曲線

在交通荷載作用以后，拱腰水平位移隨時(shí)間增大而增大，當(dāng)去掉荷載以后，變形開始恢復(fù)，最后在地層材料阻尼作用下變形衰減至穩(wěn)定值。

在相同開挖進(jìn)尺下，未施加交通荷載與施加交通荷載的拱頂最大沉降結(jié)果見表6。

表6 開挖完成隧道拱頂沉降結(jié)果

在有無(wú)交通荷載作用的情況下，拱頂沉降有較大差別，三臺(tái)階、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法3種方法在施加交通荷載作用完成后，拱頂沉降分別增加7.8，7.7，4.9 mm。說(shuō)明交通荷載作用下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)后續(xù)核心土臺(tái)階對(duì)拱頂有一定的支撐效果，減少拱頂沉降。

3.2 不同開挖方法隧道變形控制分析

分析不同施工方法對(duì)下穿變形的控制效果時(shí)，采用臺(tái)階法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法3種典型的施工方法進(jìn)行比較分析。在相同開挖進(jìn)尺下計(jì)算。在隧道斷面剛開挖至公路邊緣時(shí)開始監(jiān)測(cè)記錄開挖步，記錄隧道開挖通過(guò)道路中線處隧道斷面拱頂沉降值與周邊收斂的變化，不同開挖方法的隧道斷面拱頂沉降與周邊收斂時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 道路中線處隧道斷面位移時(shí)程曲線

由圖6可知，隨著隧道施工部序的進(jìn)行，隧道拱頂沉降不斷累積增加。3條曲線在關(guān)鍵施工步均有明顯轉(zhuǎn)折，說(shuō)明在采用相同進(jìn)尺施工情況下，施工部序越復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)。

隧道施工經(jīng)過(guò)道路中線處隧道斷面時(shí)，產(chǎn)生臨空面，使隧道周圍巖體產(chǎn)生局部卸載，周圍應(yīng)力進(jìn)行重分布，從而導(dǎo)致隧道洞周收斂變形。3種不同方法水平收斂曲線有明顯曲率變化，證明不同開挖步對(duì)隧洞的影響不同。從拱頂沉降和水平收斂變形的角度考慮，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于其他2種方法，但花費(fèi)時(shí)間大于其他2種方法。

3.3 不同支護(hù)方式隧道變形控制分析

要更好地控制隧道沉降變形，還需采取輔助加固措施，隧道預(yù)加固方案見表7。隧道預(yù)加固模型如圖7所示。

表7 隧道預(yù)加固方案

圖7 隧道預(yù)加固模型

選取4種方案隧道在路基中線下同一斷面，設(shè)置隧道拱頂和隧底變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同預(yù)支護(hù)方案拱頂及隧底變形云圖

以無(wú)預(yù)支護(hù)沉降值為51.4 mm基礎(chǔ)，單層大管棚超前預(yù)支護(hù)拱頂沉降控制量占比9.5%；單層大管棚超前預(yù)支護(hù)+小導(dǎo)管拱頂沉降控制量占比22.8%；雙層大管棚超前預(yù)支護(hù)拱頂沉降控制量占比38.9%。可見雙層大管棚預(yù)支護(hù)對(duì)拱頂沉降的控制是顯著的。

在沒有預(yù)支護(hù)的情況下隧底隆起達(dá)到26.5 mm，有支護(hù)的情況下隆起值降到21 mm左右；但是加強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)措施，隧底隆起并沒有明顯改變，這說(shuō)明超前預(yù)支護(hù)手段對(duì)隧道底部隆起控制效果沒有對(duì)拱頂沉降控制的那樣顯著。

不同預(yù)支護(hù)方案的隧道水平收斂變形控制結(jié)果見表8。由表8可知，沒有預(yù)支護(hù)的情況下水平收斂達(dá)到26.2 mm，隨支護(hù)措施加強(qiáng)，水平收斂值得到顯著減小。

表8 不同預(yù)支護(hù)方案水平收斂變形控制結(jié)果

以無(wú)預(yù)支護(hù)水平收斂值為基礎(chǔ)，單層大管棚超前預(yù)支護(hù)水平收斂控制量占比13.7%；單層大管棚超前預(yù)支護(hù)+小導(dǎo)管水平收斂控制量占比24.4%；雙層大管棚超前預(yù)支護(hù)水平收斂控制量占比38.2%。說(shuō)明雙層大管棚預(yù)支護(hù)對(duì)水平收斂的控制較其他預(yù)支護(hù)方式更加明顯。

綜上，從橫向、豎向位移場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，4種方案的變形控制效果為：雙層大管棚>單層大管棚+小導(dǎo)管>單層大管棚>無(wú)預(yù)支護(hù)。通過(guò)超前大管棚預(yù)支護(hù)，隧道開挖引起的地表沉降、拱頂沉降以及隧道水平收斂等不利變形得到有效控制，可降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保障施工安全。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

新鼓山隧道洞口下穿段現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，開挖示意如圖9所示。

圖9 隧道開挖示意

隧道在現(xiàn)場(chǎng)施工中采用長(zhǎng)管棚支護(hù)，管棚布置示意如圖10所示。長(zhǎng)管棚一般為10～60 m，用每節(jié)長(zhǎng)4～6 m的熱軋無(wú)縫鋼管以絲扣連接而成，鋼管上鉆注漿孔，呈梅花形布置，鋼管間距為0.40 m，鋼管軸線與襯砌外緣線夾角為1°～3°，相鄰鋼管之間環(huán)向不大于0.1 m。

圖10 隧道洞口段長(zhǎng)管棚布置示意

選取隧道下穿南三環(huán)路處，斷面里程DK5+205為監(jiān)測(cè)斷面，在隧道拱頂及拱腰位置布設(shè)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)值模擬拱頂沉降對(duì)比如圖11。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)值模擬拱頂沉降對(duì)比

由圖11可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)拱頂沉降的累計(jì)隨時(shí)間發(fā)展與數(shù)值模擬時(shí)程曲線趨勢(shì)相似，拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終的穩(wěn)定沉降值為40.6 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果相近，由于工程條件的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值會(huì)略大于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

選取隧道斷面里程DK5+205為監(jiān)測(cè)斷面，現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)值模擬水平收斂對(duì)比如圖12所示。由圖12可知，水平收斂監(jiān)測(cè)到最終穩(wěn)定收斂值為21.38 mm，水平收斂時(shí)程曲線與地表和拱頂沉降時(shí)程曲線變化趨勢(shì)一致。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水平收斂的累計(jì)隨時(shí)間發(fā)展與數(shù)值模擬時(shí)程曲線趨勢(shì)相似，均為累積增加的過(guò)程。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)值模擬水平收斂對(duì)比

5 結(jié)論

1)在交通荷載作用下，隧道變形趨勢(shì)一致，沉降值隨地層深度的增加而減小。與沒有交通荷載時(shí)相比，隧道拱頂沉降值增加10%左右，說(shuō)明交通荷載對(duì)隧道變形有一定影響，有必要進(jìn)行交通管制。

2)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑對(duì)隧道變形控制的效果最佳，可以將拱頂沉降控制在46 mm以內(nèi)，CD法次之，臺(tái)階法的效果最差，隧道拱頂沉降能達(dá)到70 mm左右。

3)單層大管棚加小導(dǎo)管注漿的預(yù)加固措施滿足要求且更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。與無(wú)預(yù)支護(hù)時(shí)的沉降值和收斂值相比，單層大管棚支護(hù)沉降值和收斂值分別減小9.5%和13.7%，單層大管棚+小導(dǎo)管注漿支護(hù)減小22.85%和24.4%，雙單層大管棚支護(hù)減小38.9%和38.2%。

4)現(xiàn)場(chǎng)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，10～60 m的長(zhǎng)管棚支護(hù)時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面最終拱頂沉降值為40.6 mm，水平收斂值為21.38 mm，其控制變形效果與采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖單層大管棚+小導(dǎo)管支護(hù)模擬結(jié)果相近，有效保證隧道洞口下穿段的施工。