淺埋軟弱隧道下穿重載道路變形規律與控制研究

吳東鵬，楊新安，吳 沖

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.神華包神鐵路集團公司，內蒙古鄂爾多斯017000）

隨著鐵路建設的不斷發展，很多鐵路隧道施工面臨下穿既有重載道路的問題［1］。隧道下穿工程是一類復雜的工程，特別是在黃土地區，在隧道下穿重載道路施工過程中，道路重載會對圍巖拱效應的形成在空間和時間上產生影響；同時，支護結構與土相互作用，不斷調整自身受力與變形［2］；在開挖過程中，會對上部的道路結構產生一定程度的影響，影響既有道路的使用安全，阻礙在建工程的正常進行［3］。因此，對淺埋隧道施工進行相關的數值模擬和分析，預判隧道建設與既有重載道路的相互影響，從而做好相應的防護措施是非常必要的。隨著計算機技術的發展，有限元法被引人支護計算中［4-5］。在目前的研究中，對于重載道路對下穿其的淺埋隧道施工影響的研究比較少，本文采用FLAC3D對巴準鐵路敖包溝隧道下穿重載運煤道路施工的隧道開挖與支護進行模擬，將模型計算結果與現場實測進行比較，并分析隧道開挖對重載運煤通道的影響。通過數值分析提出處治措施，保證隧道施工的正常進行。

1 工程概況

巴準鐵路敖包溝隧道全長3180 m，為雙線鐵路隧道，地處內蒙高原低中山區，地形起伏較大，溝梁相間。隧道為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，隧道水平開挖跨度12.26m，高度10.55m；水平最大凈空10.76m，拱高9.80 m。敖包溝隧道在D1K34+492～D1K34+505里程段下穿西涼煤礦的主運煤道路，相交角度約50.5°，隧道與運煤道路之間的平面位置關系如圖1所示。下穿區域洞頂距運煤道路路面約8m厚，中間覆土為人工填土。運煤道路為雙向行車道，寬10.30m，路表為水泥路面，東南側為寬約13.70m的泥結石道路，東北側為高約8m的黃土邊坡，西南側為深約5m的沖涮溝谷。高峰期時運煤道路上車輛以大型重載運煤車輛為主，行車密集，運煤車輛飽和載重維持在30多噸左右。

隧址區地層軟弱，大范圍分布砂質黃土、泥巖、礫巖、砂巖夾泥巖，隧道洞身穿越地層為砂巖夾泥巖，地質條件差。下穿運煤通道區段隧道洞身穿越土丘，近溝谷，巖層層理走平緩，地質構造簡單，地基土具有以下特點。下穿道路段隧道上覆三層巖層，依次為Qml4，J1的④21，J1的④22；其中Qml4以砂質黃土為主，呈褐黃色，稍濕，稍密；J1的④21層為砂巖夾泥巖，呈黃綠色，全風化，原巖結構已破壞，巖芯呈土狀；J1的④22層為砂巖夾泥巖：黃綠色，強風化，原巖結構已破壞，巖芯呈土狀，一般節長5～15 cm。隧道位于J1的④23層，為砂夾泥巖，呈灰綠色，強風化，泥砂質結構，層狀構造，巖芯呈小塊狀。

根據土工試驗和勘察設計資料，Qml4，④21，④22，④23土層的物理參數如表1所示。

圖1 重載道路與隧道相交平面位置關系Fig.1 Plane relation of heavy-load road and tunnel

表1 土層物理力學參數Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil horizon

2 本構模型建立與隧道開挖模擬

2.1 本構模型的選擇

土體是一種很復雜的復合體，在外力的作用下，土體不僅產生彈性變形，而且還會產生不可恢復的塑性變形［6］。土的彈塑性本構模型能較好地反映土體應力路徑、土的硬化和軟化特性。本文在采用FLAC3D模擬計算中，土體采用摩爾一庫倫模型，該模型是最通用的巖土本構模型，適用于那些在剪應力下屈服，但剪應力只取決于最大、最小主應力，而第二主應力對屈服不產生影響松散而膠結的粒狀的材料，如：土體，巖石，混凝土等［7］。其屈服準則為［8］

式中：Nφ=；c為凝聚力；φ為摩擦角。

2.2 計算模型與計算參數

該隧道模型斷面完全采用原隧道斷面，對設計圖利用Midas-gts劃分網格后導入FLAC3D拉伸形成三維模型。模型地層尺寸定為100 m×71 m×30 m（垂直于隧道方向水平×豎向×平行于隧道方向）。

隧道淺埋下穿運煤通道，簡化為二者平面垂直交叉。由于在運煤通道西南側為深約6 m的沖涮溝谷，坡度較陡，故模型垂直于隧道方向靠近沖刷溝谷面從地面起6 m設為自由邊界，該面6 m以下全約束；上邊界為自由邊界，底部全約束，其余側邊約束了水平位移。

由于隧道斷面較大，且為淺埋下穿重載道路，但限于施工承包單位施工技術水平有限，故采用上下兩臺階分布開挖法，并采用超前大管棚加固。計算過程中，超前大管棚、初襯、二襯均采用實體單元進行模擬。在模型網格劃分中，為了提高計算精度，對隧道周圍垂直于隧道掘進工作面方向長50 m、高30 m（距地表1 m）范圍內做加密處理；模型共劃分為166 377個單元，模型圖和網格劃分情況如圖2所示。

根據設計資料，模型實體主要單元計算參數見表2。

2.3 計算工況模擬

根據施工工序，計算模型的開挖、支護模擬共分成13 部，如表3 所示。在模擬計算中，首先考慮土體自重應力下初始應力平衡，然后分布進行開挖和支護，開挖采用NULL命令進行。

由于隧道下穿重載道路，本文對比模擬在有重載和無重載兩種情況下隧道和道路的變形情況。

工況一：在開挖和支護時考慮地表運煤通道重載車輛荷載的影響時，車型按黃河JN360 標準在超載200%情況下軸重為2×232.22 kN［9］，以隧道于運煤道路水平投影面為活載作用區域，將其簡化為均布荷載464.44 kPa。

圖2 三維有限元模型網絡劃分Fig.2 Mesh of three-dimensional finite element model

表2 支護參數Tab.2 Parameters of support

工況二：不考慮重載車輛荷載。

兩種情況開挖支護均為以下計算步驟。

表3 兩臺階法施工數值模擬計算步驟Tab.3 Numerical simulation procedures of construction in two-step method

3 計算結果與監測結果分析

3.1 兩種工況變形規律對比分析

經FLAC3D模擬兩種工況下隧道開挖支護引起地表沉降、拱頂沉降、水平收斂和拱底變形量分別如圖3（a）所示。

圖3 不同工況變形對比Fig.3 Comparison of different working conditions

取開挖面距觀測斷面分別為0，15，30 m 時各變形量的平均值，對比分析重載對各類變形量的影響大小，結果如表4所示。在對車輛重載保守靜態替代模擬下，道路重載對地表沉降和拱頂沉降影響顯著，影響量分別達36.38%和32.59%；而重載車輛對拱底變形影響基本可以忽略，僅為-2.58%；重載對水平收斂的影響也并不顯著。

出于對隧道施工安全和運煤道路運營安全考慮，建議采取隧道施工期間停止運煤通道運營。考慮周邊地形條件，為保證不影響當地煤礦正常出煤，減小經濟損失，研究決定修筑臨時替代道路方案來保證隧道正常施工。

表4 地表、拱頂、拱底變形比較Tab.4 Comparison of surface，arch and bottom deformation

3.2 拱頂沉降規律及變形速率規律分析

采用替代道路方案施工時，沿隧道縱向每5 m一個斷面設置了拱頂沉降測點（如圖1所示），并在隧道開挖后每天進行觀測。本節選取有代表性的九個斷面，其均為隧道在淺埋軟弱圍巖段的施工斷面，對各斷面開挖后隧道拱頂沉降的規律進行統計，結果如圖4所示。

由圖4可看出拱頂沉降明顯分為3個階段，依次對應于隧道施工的上臺階開挖、下臺階開挖、仰拱開挖和初襯支護3個階段，沉降曲線的階段性表明，不同開挖階段對隧道拱頂沉降的影響比較明顯。由于觀測日期與隧道掘進工作面到達相應斷面的日期的差別，造成以上各圖第一階段日期參差不齊。由D1K34+510，D1K34+505，D1K34+500，D1K34+495，D1K34+490等斷面沉降規律可看出，上下臺階開挖造成的拱頂沉降量占總沉降量主要部分；D1K34+485，D1K34+480中第三階段沉降量占該斷面總沉降量比重較大且依次增加，這是由于這兩個斷面逐漸向超淺埋過渡并位于8 m高邊坡邊緣附近，工程施工期間時有降雨天氣造成邊坡輕微滑坡所致。

各斷面拱頂沉降速率曲線如圖5所示。圖5可看出，各斷面拱頂沉降速率除某些斷面在觀測初期個別觀測日期沉降突變外的沉降規律基本相同，可見收斂速率逐漸減小穩定小于0.5 mm·d-1，說明拱頂沉降區域收斂穩定。斷面D1K34+495，D1K34+490和D1K34+480分別在第20，28個觀測日左右出現速率突變，可以看到與圖4中沉降變化階段對應，這是由于開挖開挖施工部變化所致，由此在施工中應及時加強相應支護措施。隧道拱頂收斂時間期為38天左右，結合隧道施工鉆爆進度平均1 m·d-1，可以得出隧道拱頂收斂距離為38 m左右，即約為4B0（B0為隧道凈空）。

圖4 不同斷面拱頂沉降曲線Fig.4 Subsidence curve at different sections

圖5 不同斷面拱頂沉降速率曲線Fig.5 Subsidence curve rate at different sections

現場觀測資料顯示在隧道中線、右3 m、右6 m、右16 m、左3 m、左6 m各測點隧道中心附近沉降量向外遞減，最大值為47 mm，符合V級圍巖淺埋地表沉降要求。地表在上臺階開挖之后開始發生較明顯沉降，這是由于開挖后應力釋放造成；并且在上臺階開挖后約倆周時間后，在下臺階開挖前或剛開挖時地表沉降開始較為明顯，這個時間節點對內蒙地區類似黃土地質有借鑒意義。沉降隨著距離的增加而減小，呈現出橫向沉降槽［6］特征，整個沉降橫向影響的范圍大約為16～24 m。

4 淺埋隧道下穿重載道路施工變形控制措施

敖包溝隧道下穿建筑物段埋深較淺，由于土層粘結性較小，為固結完全，只要一開挖，上部土層失去支撐就會垮塌，因此采用長管棚形成保護殼，再挖除土堆。隧道內堆積的土堆同樣由于無粘結，型鋼拱架不能一次安裝到底，故先安裝拱頂型鋼，采用滿堂式鋼管腳手架將拱頂型鋼撐住，直接在拱墻上掏槽，將型鋼拱腳斜向安裝在槽內，打上鎖腳錨桿，噴射混凝土形成保護殼，再開挖土堆，當有條件實施型鋼至基底時，及時安裝型鋼，與拱頂型鋼采用焊接固定，槽內撐腳不拆除，保持整體受力，如此循環反復直至隧道掘進工作面。

根據實測數據的分析和現場施工經驗，提出了以下開挖支護控制措施：

1）在隧道爆破施工時，為了隧道施工和地表道路的安全，必須對隧道開挖引起的爆破振動進行控制，減緩對周圍環境的影響；

2）取消下穿段前后10 m超前小導管，并在隧道下穿道路向外10 m范圍內增設5根Φ42 mm的超前小導管，外插角為15°，對坍塌體進行注漿加固；

3）在距道路中線量測24 m范圍內采用長15 m，Φ108 mm的大管棚，環向間距40 cm，管棚內插入鋼筋籠，并灌注M30水泥沙漿，型鋼鋼架由原來的1 m/榀調整為0.5 m/榀；

4）在距道路中線量測24 m范圍內系統錨桿全長仍在中風化巖石內的，保持不變仍采用Φ25 mm砂漿錨桿，如系統錨桿全長或者其中一段在土層或強風化巖層中的，則采用Φ25 mm自進式中空注漿錨桿。

5 結論

通過對淺埋軟弱隧道下穿重載道路的數值模擬與實測對比分析，可以得到以下結論：

1）采用FLAC3D模型計算結果與實測結果基本一致，重載運煤車輛對地表沉降和拱頂沉降影響顯著，影響量近1/3，重載車輛對水平收斂影響較小，對拱底變形影響可以忽略；

2）出于對隧道施工安全和運煤道路運營安全考慮，建議采取隧道施工期間停止運煤通道運營，后經施工采用改路方案使工程順利完成；

3）隧道拱頂收斂距離約為4B0（B0為隧道凈空）；隧道水平收斂速度小于0.1～0.2 mm·d-1時圍巖基本穩定，判定本隧址隧道開挖水平凈空變化穩定期限為32天左右；可為黃土地區類似下穿工程提供參考；

4）運煤道路中線橫向沉降影響范圍為16～24 m，需重點對道路影響范圍內隧道支護進行加強。

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