隧道下穿松散高填土路堤的沉降規律及其影響范圍研究

郭 瑞, 鄭 波, 黎 晨

(1. 中鐵西南科學研究院有限公司, 四川 成都 611731; 中鐵十五局集團有限公司, 上海 200040)

0 引言

隧道工程作為線性工程,往往不可避免地要穿越地表建(構)筑物,這給隧道實際施工帶來諸多挑戰。新建成貴鐵路大方隧道施工范圍內下穿杭瑞高速,該公路路堤層為高填土路堤層,且隧道所處地層為巖溶發育區,下穿隧道開挖擾動極易造成高填土路堤層失穩,誘發上覆地層及高速公路發生變形并產生開裂破壞,對杭瑞高速正常通行和隧道安全施工造成嚴重威脅。

近年來,許多學者針對隧道下穿或近接建(構)筑物方面做了大量研究,獲得了豐富成果。在地鐵隧道施工近接樁基方面,文獻[1-3]通過對盾構隧道開挖進行模擬,研究了下穿隧道施工對近接橋樁的影響,分析了盾構掘進對既有樁基變形影響規律及其施工措施。在隧道施工穿越地鐵車站方面,文獻[4-5]通過理論分析、數值模擬,預測分析了隧道施工穿越既有地鐵車站引起的地表沉降,并分別提出了沉降控制方案。在新建隧道下穿既有線路和平行已有隧道方面,文獻[6-8]分別通過模型試驗、數值模擬以及監測數據研究了隧道下穿施工時對既有鐵路產生變形的規律,討論了盾構施工參數對既有隧道變形的影響。在新建隧道下穿地表既有建筑物方面,文獻[9-11]分別研究了不同下穿位置、上部結構形式下結構受下穿隧道影響的機制,分析了地表結構物的變形與受力規律,同時研究了下穿地表建筑物的安全控制技術。在隧道下穿高速公路方面,文獻[12]通過數值模擬研究了山區鐵路下穿高速公路的影響分區,提出了一系列優化防控措施; 文獻[13-14]分別模擬分析了不同開挖進尺、隧道埋深、地層條件等因素對高速公路受力變形的影響,提出了旋噴樁、超前大管棚和錨桿等加固措施; 文獻[15]采用理論分析和數值模擬相結合的方法,分析了動荷載作用下地鐵隧道下穿高速公路穩定性及其影響因素。

以上研究大多聚焦于隧道下穿建(構)筑物施工技術及防治對策方面,而針對巖溶地區隧道下穿松散高填土路堤時的地層變形規律、地表縱向變形特征以及隧道下穿施工對地表各特征位置變形影響范圍等方面的相關研究很少,缺少從施工角度出發的定量研究。鑒于此,本文以成貴鐵路大方隧道下穿杭瑞高速為研究背景,考慮下穿工程區松散地質條件及上覆高填土路堤易失穩變形等問題,結合實際工程建立隧道下穿高填土路堤層的三維有限元模型,研究下穿隧道動態施工作用下不同位置地層的沉降變形規律,給出地表各特征位置沉降變形的主要影響范圍; 最后結合現場監測數據論證數值模擬的合理性,并給出相關施工措施建議,以期為今后類似工程下穿施工和地層變形控制提供參考。

1 工程概況

根據設計資料,大方隧道在進口段下穿杭瑞高速公路,與杭瑞高速交叉角約為55°,下穿段隧道洞頂與高速公路路面距離為 23 m,路堤高度為18 m,屬于高填土路堤層,隧道至公路坡腳擋墻最小距離僅約為4 m。該下穿段從公路路面往下分別為3～9 m的人工填筑碎石土層、 0～8 m的原生黏土層、 0～6 m的灰巖或白云質灰巖層。針對該特殊地質條件,本次施工采用三臺階開挖,施工中在洞口段隧道中線左右各10 m范圍至高速公路坡腳采用鋼管樁注漿加固,同時采用雙層大管棚超前加固,以保證洞口和高填土路堤層的穩定性。由于該范圍高速公路為高填土路堤,該地層無黏聚力,同時隧道下穿地層為坡殘積黏土層,自穩能力差,加之原生巖土層豎向巖溶管道發育,下穿隧道開挖擾動極易影響高填土路堤穩定性,誘發地層及高速公路發生變形破壞,對隧道安全施工造成嚴重威脅。

2 模型建立及監測點布置

2.1 數值模型建立

采用 FLAC3D軟件模擬隧道下穿高填土路堤施工。依據設計資料,圖1示出大方隧道下穿高填土路堤層的三維計算模型,模型尺寸為160 m×130 m×80 m(長×寬×高),隧道基底以下取35 m,隧道進洞口埋深約5 m,隧道跨徑為14 m,高填土路堤高度為18 m,下穿段隧道洞頂與高速公路路面距離為23 m,模型頂部地表均設為自由邊界,模型的其他邊界均施加法向位移約束。為了提高計算結構精度,同時對隧道周圍和洞口加固部分區域采取網格加密劃分。

根據設計資料,本次施工采用三臺階開挖,上臺階高度為3.5 m,中臺階高度為3.9 m,下臺階高度為2.5 m。上、中、下臺階長度分別以9 m為一個循環,初期支護和仰拱填充每次長度為3 m; 二次襯砌距掌子面距離為45 m; 隧道每次開挖步距為3 m,二次襯砌每環施作9 m。

計算中采用彈塑性分析,圍巖采用摩爾-庫侖本構模型,初期支護和二次襯砌選用彈性模型。開挖過程中初期支護采用C25噴射混凝土,厚度為28 cm; 二次襯砌為C35鋼筋混凝土結構,厚度為55 cm,同時采用實體單元模擬坡腳擋墻支護。根據設計資料,在洞口段隧道中線左右各10 m范圍至高速公路坡腳采用鋼管樁注漿加固。為此,在地應力平衡后,把鋼管樁加固段地層的力學參數調整為管樁加固的等效參數。

圖1 數值計算模型Fig. 1 Numerical calculation model

管棚支護效果通常采用合理增強隧道上方一定厚度圍巖的物理力學參數的方法進行等效分析。根據設計資料,管棚等效加固區厚度取2 m,其彈性模量的取值是把管棚彈性模量折算給圍巖。根據文獻[16]中鋼管混凝土剛度的計算方法對管棚換算彈性模量進行如下換算:

式中:Eg為管棚換算彈性模量;E1為鋼管彈性模量;E2為砂漿彈性模量;I1為鋼管慣性矩;I2為砂漿慣性矩。

得到管棚換算彈性模量后,再把它與巖土體彈性模量進行換算,計算方法[17-18]為:

式中:E為折算后管棚加固區的地層彈性模量;E0為原巖土層的彈性模量;Sg為注漿管棚截面面積;S為管棚等效加固區截面面積。

根據勘察資料,隧道下穿高速公路段地層依次為: 路面瀝青混凝土、碎石土、殘坡積黏土、豎向巖溶發育區和厚層灰巖。數值模擬中采用的各地層及支護的力學參數見表1。

表1 數值模型計算參數Table 1 Calculation parameters of numerical model

2.2 監測點布置

主要監測的項目有: 地表沉降、擋墻變形、高速公路路面變形以及拱頂沉降。共布置4條測線,測線1由沿模型縱軸方向位移監測點組成,測線2(y=6 m)由洞口地表垂直隧道軸線處地表位移監測點組成,測線3(y=38 m)由擋墻(重力式擋土墻)變形監測點組成,測線4(y=85 m)由高速公路路面沉降變形監測點組成。各測線監測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置圖Fig. 2 Layout of monitoring points

3 計算結果分析

3.1 地表沉降分析

圖3示出開挖支護完成后的模型最終位移。由圖3(a)可知,隧道施工導致高速公路路面產生了顯著沉降,云圖中表現為藍色區域; 而洞口至坡腳地層預先進行了注漿加固,地層抵抗變形能力較強,洞口地表變形表現較小。路堤中的地層主要為黏聚力微弱的人工填筑碎石土層,當隧道開挖至高填土路堤層時,易導致上覆黏土層發生剪切破壞,引發路基碎石土層的快速失穩破壞,從而造成在高速公路路面產生顯著沉降變形。由圖3(b)可知,隧道下穿高速公路后,因松散高填土路堤層黏聚力較差,上覆地層向隧道正中方向產生了橫向位移,約為17 mm。

圖3 模型最終位移云圖(單位: m)Fig. 3 Final displacement nephogram of model (unit: m)

從位移云圖可以看出地表變形具有顯著的區域特征。圖4示出測線1地表縱向沉降槽曲線,由圖可知,洞口至左坡腳(0～34 m)的地表沉降值在-20～-10 mm,高填土路堤層(34～117 m)的沉降變形范圍在-50～-20 mm。參考國內外公路沉降控制標準[19],地表沉降量設計允許值不得大于30 mm,而路面位置(y=86 m)處路面沉降值達到48 mm,遠大于允許值。右坡腳至出口(117～160 m)相比高填土路堤層地表沉降值減小,數值基本穩定。這是由于下穿高速公路段為高填土路堤,且該地層以碎石土和黏土為主,黏聚力極弱; 同時,隧道下穿地層為殘坡積黏土層和巖溶發育區,自穩能力差,誘發地層及高速公路發生變形破壞; 而洞口區域預先進行了注漿加固,地層強度較高,穩定性較強,故洞口相對高填土路堤區域變形較小。綜上,地表縱向沉降范圍可劃分為微變形區(洞口淺埋沉降區)、強變形區(高填土路堤沉降區)和弱變形區(地表沉降區)3個區域,如圖4所示。其中,高填土路堤層沉降最為顯著,此區域為潛在危險區。因此,在隧道下穿路面位置時,應采取特殊注漿加固措施。

圖4 地表縱向沉降槽曲線(測線1)Fig. 4 Curve of vertical surface settlement tank (line 1)

為了研究隧道動態施工作用下的地表變形規律,圖5示出洞口測線2(y=6 m)地表各測點沉降曲線。由圖5(a)可知,隨著隧道開挖支護的進行,拱頂處地表(x=0 m)沉降值變化最大,同時從拱頂向兩側地表沉降值逐漸減小; 當開挖進尺大于30 m時(開挖至90 m),監測點沉降趨于穩定,說明對于淺埋洞口地表沉降的主要影響范圍為開挖前的75 m,此范圍下穿隧道施工對洞口地表影響較大。

由圖5(b)可知,洞口地表沉降隨著施工進行先是增大,然后隨支護體系的施加,地表沉降逐漸趨于穩定,在拱頂地表位置(x=0 m)處沉降最大為8.6 mm,說明洞口采取的管樁注漿加固作用良好,起到一定的控制變形作用。從沉降槽曲線可知,洞口地表橫向槽主要影響范圍為30 m。

3.2 擋墻沉降分析

圖6示出坡腳擋墻測線3(y=38 m)各測點動態沉降曲線、豎向沉降槽曲線和縱向收斂變形曲線。由圖6(a)可知,各測點隨開挖進尺的增加逐漸產生不均勻沉降,但與地表沉降不同的是,拱頂正上方(x=0 m)擋墻沉降值并非最大值,而是擋墻偏左方(x=-6 m)沉降值為最大,達到20 mm; 同時從曲線可以看出,沿縱向隧道開挖對擋墻變形的主要影響范圍為60 m,即擋墻開挖后方8 m和擋墻開挖前方52 m。

由圖6(b)可知,沉降槽明顯偏向左方,且距掌子面-8 m處即尚未開挖至監測斷面時擋墻基本穩定,當開挖經過擋墻且擋墻距掌子面22 m時,擋墻最大沉降變形為15 mm; 當擋墻距離掌子面大于52 m時,擋墻豎向沉降基本穩定,不再顯著增大,進一步說明在此60 m范圍內,隧道開挖對擋墻變形影響顯著。

由圖6(c)可知,隧道開挖經過擋墻且距掌子面22 m時,擋墻變形基本穩定,擋墻水平位移最大僅為2.5 mm; 隨著開挖的向前推進,擋墻向公路一側即y軸正方向的水平位移明顯增大,且曲線最值同樣向左部產生了顯著的偏轉,這是由于隧道和高速公路的斜交作用,導致上覆地層產生了非對稱的偏心地應力。從數值上看,擋墻豎向位移明顯大于水平位移,說明擋墻主要發生沉降變形; 同樣,當距離掌子面大于52 m時,擋墻縱向收斂變形基本穩定。綜合擋墻豎向變形和水平變形可知,隧道開挖對擋墻造成變形的主要影響范圍為60 m,且主要在擋墻前方52 m區域,隧道下穿施工對其影響顯著。

圖5 測線2(y=6 m)測點沉降曲線(洞口)Fig. 5 Settlement curves of monitoring points at measuring line 2 (tunnel portal)

3.3 高速公路路面沉降分析

圖7 示出公路路面測線4動態沉降曲線和沉降槽曲線。由圖7(a)可知,隨著掌子面逐漸靠近監測位置,各測點逐漸產生了不均勻沉降; 隨著后續支護的進行和開挖面的持續掘進遠離路面中心,沉降值趨于穩定。由動態沉降曲線可知,下穿施工造成路面沉降變形的影響范圍為90 m,即開挖后方25 m和開挖前方65 m。

圖6 測線3(y=38 m)測點沉降曲線(擋墻)Fig. 6 Settlement curves of monitoring points at measuring line 3 (retaining wall)

由圖7(b)可知,當隧道縱向開挖距離≤60 m即監測斷面距離掌子面小于-25 m時,路面基本穩定; 當開挖至路面正下方即距離掌子面僅5 m時,路面沉降值增大至22.3 mm; 當監測斷面距離掌子面35 m即開挖至路基另一側坡腳時,路面沉降值增大至44.5 mm,數值增大了99.6%; 施工完畢后路面沉降值增大至50.7 mm,數值僅僅增大了13.9%。同時可知路基正下方隧道開挖時路面沉降數值占總路面沉降變形的82.8%,說明路基正下方隧道開挖對路面影響最大,且路面沉降變形主要集中在隧道邊界向上正投影區域。通常把地表變形極限值的60%作為預警值,計算可得高速公路的路面預警值為18 mm,以此作為預警值。由圖7(b)可知高速公路路面的橫向沉降槽影響范圍為53 m。

圖7 測線4(y=85 m)測點沉降曲線(路面)Fig. 7 Settlement curves of monitoring points at measuring line 4 (road surface)

3.4 拱頂沉降分析

圖8 示出拱頂動態沉降曲線和沉降槽曲線。由圖8(a)可知,拱頂動態沉降曲線均呈反“S”形特征; 同時,當開挖至監測斷面時,各測點發生顯著沉降; 隨著初期支護和二次襯砌施工地進行,拱頂沉降注漿區域穩定; 在路面位置處,拱頂沉降值最終達到53 mm。

由圖8(b)可知,拱頂沉降同樣具有分段特征,進洞口段沉降值最小,高填土路堤層對應的隧道沉降值最大,出洞口段其次。同樣可對拱頂沉降曲線劃分為3個區域: 微變形區(洞口至左坡腳)、強變形區(高填土路堤層)和弱變形區(右坡腳至洞口)。綜合以上分析可知,隧道下穿杭瑞高速造成高填土路堤層區域變形顯著,嚴重威脅高速公路安全運行,易引發路面彎曲沉陷和擋墻開裂等病害。

圖8 拱頂沉降曲線Fig. 8 Settlement curves at vault

4 與監測值對比分析

為了驗證上述數值模擬試驗結果和進一步分析隧道下穿松散高填土路堤層的變形規律,將已有模擬值和監測值進行對比分析。圖9示出拱頂沉降監測值與模擬值對比曲線。由圖9可知,拱頂沉降模擬值和監測值曲線變化趨勢相同,但數值上模擬值大于監測值,模擬值和監測值峰值相差17%。這是由于施工監測拱頂沉降時,由于時間效應,開挖變形己經釋放一部分后才布設好監測設備,導致部分變形沒有測出; 同時,監測時間一般不超過2個月,無法監測后期殘余變形。

圖10示出路面監測值與模擬值對比曲線。由圖10可知,兩曲線基本吻合,路面沉降監測值略大于計算模擬值,計算值和模擬值峰值相差13%。綜合現場實際分析可知,由于本次數值模擬未考慮高速公路車輛外荷載對公路路面的作用,高速公路車輛對路面的碾壓沉降以及對監測點的影響同樣較大,故路面沉降模擬值稍小于監測值。總體來說,現場監測數據與數值模擬數據在變化規律上基本吻合。

圖9 拱頂沉降監測值與計算值對比曲線Fig. 9 Comparison curves between monitoring value and calculated value for vault settlement

圖10 路面沉降監測值與模擬值對比曲線Fig. 10 Comparison curves between road monitoring value and simulated value

5 結論與建議

本文針對成貴鐵路大方隧道下穿杭瑞高速公路施工穩定性及施工對既有高填土路堤的影響問題,建立了三維有限元模型,開展了隧道下穿施工對上覆地層變形影響的數值模擬研究,得出如下結論。

1)隧道下穿施工造成高填土路堤層發生顯著沉降變形,且上覆路堤層向隧道正中方向產生了橫向位移。同時,大方隧道施工對地表變形可劃分為3個區域: 微變形區(洞口淺埋沉降區)、強變形區(高填土路堤沉降區)和弱變形區(地表沉降區)。

2)隧道施工對地表不同位置影響范圍不同。在洞口處地表縱向影響范圍為開挖前方75 m,擋墻處縱向影響范圍為開挖前方52 m和開挖后方8 m,公路路面縱向影響范圍為開挖前方65 m和開挖后方25 m,在此影響范圍內地層位移變化劇烈。

3)拱頂動態沉降曲線均呈反“S”形特征,當開挖至監測斷面時,各測點發生顯著沉降; 拱頂沉降同樣也可劃分為3個沉降區域。

4)與現場監測值對比可知,模擬計算值和現場監測值變化規律基本吻合,數值上拱頂沉降模擬值略大于監測值,路面沉降監測值略大于模擬值,但均在合理范圍內。

5)在類似下穿施工中,隧道開挖應短進尺,弱爆破,開挖后及時支護封閉,下穿段應采取超前加固措施,預先加固高填土路堤層區域地層; 此外,應加強監控量測,及時科學地指導施工。

本文僅探討了隧道下穿三臺階法施工對高填土路堤沉降規律的影響及其影響范圍,而關于開挖形式和注漿措施對高填土路堤的影響尚需進一步研究。