淺埋下穿高速公路黃土隧道管棚變形監(jiān)測及受力研究

房海勃，張長勝

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西交通控股集團有限公司 建設(shè)管理分公司寶坪高速公路建設(shè)管理處，陜西 西安 710068)

伴隨著隧道建設(shè)的迅猛發(fā)展，隧道施工所面臨的地質(zhì)和環(huán)境條件越來越復(fù)雜，如淺埋、富水及軟弱地層等不良地質(zhì)，穿越鐵路、公路、輕軌、橋梁等地表交通線[1-2]，隧道下穿既有隧道等地下構(gòu)筑物[3]。雖然構(gòu)筑物類型、變形和受力模式存在差異，但都面臨相似的問題，即隧道施工方法的選取，施工對地層和構(gòu)筑物沉降、力學(xué)影響及安全性評價，地表和洞內(nèi)沉降的實時監(jiān)測，構(gòu)筑物保護等系列問題。如何控制好隧道施工過程中圍巖變形引起的地表下沉和周邊構(gòu)筑物沉降，是隧道下穿既有構(gòu)筑物安全施工的關(guān)鍵，尤其是超淺埋大跨隧道在富水軟土地層施工中圍巖變形控制，是當前國內(nèi)外隧道施工亟待解決的技術(shù)難題。

在隧道下穿軟弱地層施工方面，文獻[4-5]對軟弱圍巖隧道施工中變形及其控制技術(shù)進行了詳細的總結(jié)和論述。在隧道下穿既有高速公路施工方面，文獻[6]分析了某地區(qū)東干渠下穿洛界高速公路段采用CRD分部開挖法的施工安全性；文獻[7]采用數(shù)值計算方法對閨鄉(xiāng)隧道下穿施工工法進行了優(yōu)化，并提出下穿隧道地表沉降的控制基準；文獻[8]對下穿高速公路隧道的施工方法和沉降控制技術(shù)進行了總結(jié)；文獻[9]采用三維數(shù)值法對新建隧道下穿機場地下行包通道進行了沉降分析，提出洞內(nèi)分部開挖、超前預(yù)支護、二次襯砌背后注漿等沉降控制措施，為下穿高速公路的工程施工提供了經(jīng)驗。由于下穿既有構(gòu)筑物時，各工程中隧道埋深、地質(zhì)情況、隧道跨度、地面構(gòu)筑物情況及沉降標準要求等因素差異較大，遇到類似隧道工程還需針對性地研究分析，以便制定相應(yīng)的施工技術(shù)方法[10-11]。

目前，淺埋軟弱圍巖隧道施工普遍采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法和微臺階法等工法，均是將隧道工作面上下分層、豎向分塊、分大斷面為封閉的小斷面，以保證工作面和拱墻的穩(wěn)定[12-13]。

基于上述分析，本文充分結(jié)合下穿段隧道淺埋、大跨、軟土、富水等復(fù)雜地質(zhì)特點和周圍環(huán)境條件，對隧道進入下穿高速公路前的管棚縱聯(lián)方向上的形變進行監(jiān)測研究，建立了淺埋下穿高速公路的隧道管棚下雙參數(shù)地基梁受力模型。采用三維數(shù)值模擬方法對下穿段隧道進行仿真計算。研究結(jié)果表明：隧道管棚內(nèi)的縱聯(lián)方向的形變大致呈凹槽分布，且在工作面處隧道管棚的受力最大。此外，管棚形變同開挖面位置、開挖進尺、管棚和巖體物理指標等因素緊密關(guān)聯(lián)。本文的研究結(jié)果為隧道下管棚的設(shè)計優(yōu)化提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 管棚的力學(xué)機制分析

1.1 模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測及分析結(jié)果可知，對長大管棚而言，其受力最不利位置發(fā)生在隧道開挖但未支護時工作面附近，此時其縱向應(yīng)變最大，因此可依此建立雙參數(shù)地基梁模型，模擬單根鋼管受力，受力簡圖如圖1所示。淺埋黃土地層在開挖過程中自承能力差，管棚受力比較明確。因此分析中不考慮管棚上部土體與管棚的相互作用，認為已開挖段管棚承受上覆土重。至于未開挖段，由實測數(shù)據(jù)分析出圍巖變形始于工作面前方一定范圍，隧道工作面處圍巖已經(jīng)發(fā)生松動和變形，在工作面前方形成1個松弛區(qū)，該段范圍內(nèi)管棚仍將受到圍巖壓力。

由圖1可知，管棚全段主要由4部分組成：①AB段：已開挖且初期支護施作完畢段，其上作用上覆土重力q(x)，分析中按Winkle地基梁考慮。②BC段：已開挖一段距離但尚未施作初期支護，其上作用覆土重力q(x)。③CD段：未開挖段，其上作用三角形(或梯形)分布荷載q(x)，與此同時，由于此時管棚下方土體尚未破除，其下還作用有彈性抗力p(x)。④DE段：未受擾動段，由于此段不在工作面開挖超前影響范圍內(nèi)，僅管棚下方受p(x)作用。根據(jù)施工過程中的管棚受力特征可推導(dǎo)出單根管棚受力模型，以B端作為坐標原點，隧道開挖高度為h，AB段長度為a，BC段長度為s，CD段長度為d，其中，d=htan (45°-φ/2)，管棚受力模型如圖2所示。

地基反力采用雙參數(shù)模型中的 Pasternak模型進行計算，由彈性地基梁理論可得地基反力及管棚撓曲微分方程[13]：

(1)

(2)

式中，E為管棚彈性模量；I為管棚慣性矩；k為基床系數(shù)；ω(x)為管棚撓度；Gp為地基剪切模量；b為彈性地基梁寬度；b*為考慮地基連續(xù)性情況下彈性地基梁的等效寬度，且b*=b[1+(Gp/k)1/2/b]。計算時，假定隧道埋深變化不大時，工作面附近圍巖壓力q(x)可簡化為均布荷載q0，由此可得管棚各段控制方程。

1.2 管棚撓度和內(nèi)力計算

文獻[14]提出了淺埋暗挖隧道中管棚雙參數(shù)受力模型的計算方法，本文采用其計算方法針對淺埋大跨黃土隧道管棚受力機制進行受力分析，對各段引入邊界條件，最終得到雙參數(shù)地基模型管棚的轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力計算結(jié)果。根據(jù)A，B，C端的邊界條件及3個控制微分方程[14]，可組成如下方程組。

(3)

式中，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4為待定系數(shù)；a35、a36、a45、a46、a55、a56、a65、a66、ψ1—ψ4為已知函數(shù)，其表達式分別如下：

a35=-eαscos(βs)

(4)

a36=-eαssin(βs)

(5)

a45=-eαs[-βsin(βs)-αcos(βs)]

(6)

a46=-eαs[-βcos(βs)-αsin(βs)]

(7)

a55=-eαs[2αβsin(βs)+(α2-β2)cos(βs)]

(8)

a56=-eαs[-2αβcos(βs)+(α2-β2)sin(βs)]

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

由邊界條件可求出全部待定系數(shù)B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4，將其代入控微分方程中，即可得到管棚各段撓度方程ωi，代入下式中可分別計算管棚的轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力[12]：

(17)

此外，根據(jù)對梁單元的模擬[12]，可推出鋼管管內(nèi)壁縱向應(yīng)變計算公式為：

(18)

式中，D為管棚外直徑；δ為鋼管厚度。

2 實例分析

本文選取某地區(qū)的市政隧道為上下行雙洞6車道隧道，左線隧道長670 m，右線隧道長720 m。其中隧道出口端左線163 m(ZK10+765 m～+928 m)和右線177 m( YK10+800 m～+977 m)下穿機荷高速公路荷坳收費站區(qū)域，隧道中線與高速公路呈45°～58°夾角斜交，中心線間距約為43.5 m，隧道埋深6～8 m，暗洞口位于公路邊坡上，埋深2～3 m。隧道最大開挖寬度約16 m，最大開挖高度約12 m，覆跨比(H/D)為0.43。一般認為當隧道覆跨比(H/D)小于0.6時為超淺埋隧道。隧道與機荷高速公路位置關(guān)系如圖3所示。隧道出口端全貌如圖4所示。

圖3 隧道和高速公路位置關(guān)系Fig.3 Location relationship between tunnel and expressway

圖4 隧道出口端地貌Fig.4 Environment around tunnel exit

下穿段隧道圍巖主要為高速公路回填路基土質(zhì)，隧底為強風化泥質(zhì)砂巖。由于下穿段進口端與山體之間40 m范圍內(nèi)土體主要為極其松散的建筑垃圾，加之地下水位較高，受雨季降雨影響，隧道內(nèi)滲水較嚴重，隧道防坍和路面防沉降是工程控制的重點和難點。下穿段隧道采用φ159 mm大管棚和φ42 mm小導(dǎo)管注漿超前預(yù)支護，初期支護格柵拱架采用主筋為4根φ28 mm的鋼筋，鎖腳錨桿為4根φ25 mm的砂漿錨桿，長度為4 m。隧道排水采用50 mm環(huán)向透水盲管和100 PVC縱向排水盲管匯集于隧道排水溝集中排水。

隧道橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。隧道從出口端掘進，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，按照地面交通疏解方案，封閉一段，完成一段，恢復(fù)一段。

圖5 管棚布置Fig.5 Layout of pipe-roof

根據(jù)隧道的工程特性，①圍巖參數(shù)：圍巖基層系數(shù)k=3.5×104kN/m3，圍巖剪切模量Gp=2.5×106Pa，容重γ=18.75 kN/m3，內(nèi)摩擦角= 26.1°；②管棚參數(shù)：管棚的彈性模量E=210 GPa，梁寬度與管棚直徑相等，b=d0=159 mm，管棚間距b′= 0.4 m；③隧道參數(shù)：試驗段隧道埋深H=24 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，中導(dǎo)洞上臺階開挖高度h=7 m，循環(huán)進尺s=0.8 m。以已開挖且初支護施作完畢端作為0點，計算范圍取x=0～20 m，且給0點端附上初始豎向位移ω0=50 mm、初始轉(zhuǎn)角θ=1°，雖然隧道初期支護按承擔圍巖全部荷載設(shè)計，而模型建立時僅考慮中導(dǎo)洞上臺階開挖，故計算時按承受一半荷載考慮。通過Matlab仿真軟件進行計算，所得管棚形變曲線如圖6所示。

圖6 管棚縱向形變曲線Fig.6 Longitudinal strain curves of pipe-roof

利用計算模型分析試驗段管棚受力機制，為保證隧道成功下穿，優(yōu)化管棚工法及施工方案，具體方案為：提高管棚剛度，采用雙層φ159 mm 大管棚超前預(yù)支護，同時減小開挖面積，側(cè)導(dǎo)多臺階開挖，將開挖進尺縮減到0.6 m，開挖高度縮減為最高5 m。采用施工優(yōu)化方案后，地表沉降得到了有效控制。下穿段地表每隔5 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，各斷面包含隧道左導(dǎo)、中導(dǎo)、右導(dǎo)對應(yīng)的地表測點及1個隔離帶測點。直至隧道順利貫通，測點的地表沉降最大值為56 mm，原因在于下穿段施工施作雙層管棚，處于正上方DK298+885 m處地表沉降累積值較大，沉降最大的測點距隧道全斷面封閉距離為20 m，并且收斂較快，在開挖后2倍開挖跨度距離處收斂穩(wěn)定，不會再發(fā)生較大的變化，滿足行車要求。

3 結(jié)論

本文通過對隧道進入下穿高速公路前的管棚縱聯(lián)方向上的形變進行監(jiān)測研究，得出以下結(jié)論。

(1)黃土隧道施工過程中管棚作用效果較明顯，工作面前方大約15 m處管棚開始受力，工作面過后大約15 m 處管棚的受力趨于穩(wěn)定，隧道開挖縱向影響范圍約為1倍開挖跨度；管棚的縱向變形總體上呈凹槽形分布，當隧道工作面處于已開挖但未施作初期支護狀態(tài)時，管棚處于最不利受力位置，此時管棚受力最大。

(2)當隧道開挖且初期支護施作以后，管棚應(yīng)變增長速率出現(xiàn)明顯減小且出現(xiàn)小范圍回彈，此時管棚和初期支護形成了有效的棚架體系，使得管棚及圍巖受力均處于彈性范圍內(nèi)，保證了隧道的安全施工；當初期支護施作一段時間后，各管棚應(yīng)變基本保持穩(wěn)定，說明管棚與初支形成的棚架體系有效的保護了隧道圍巖的穩(wěn)定。

(3)通過現(xiàn)場實測與理論計算結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，采用雙參數(shù)彈性地基梁模型分析黃土隧道中長大管棚的受力機制是可行的，計算所得管棚變形值以及變化規(guī)律與實測結(jié)果具有較好的一致性。該計算模型可以用來評估拱頂?shù)某两导肮芘锏氖芰Γ瑸楣芘锕し八淼朗┕さ膬?yōu)化提供參考。