埋深對大管幕支護隧道下穿高速公路施工的地表沉降影響研究

邢琳斌，李豫東，張 敏，梁 斌?

（1.中鐵十五局集團第三工程公司，成都，610097；2.河南科技大學土木工程學院,河南洛陽，471023）

0 引言

隨著鐵路網的建設和完善，鐵路將會越來越多，各種復雜的地質環境越來越多，在穿越高速公路時，為節省資源和不影響高速公路通車，將會越來越多地采用下部穿越的方式[1]。然而隧道在下方穿越既有構筑物時，如施工路面沉降控制不當，將會造成較大的安全隱患[2]。特別是穿越不封路的高速公路施工，高速公路路面如下沉較大會嚴重危及人們生命和財產安全[3]。因此，隧道埋深對下穿高速公路大管幕施工地表沉降影響的研究，在當前國內外環境下有重要科研和實用價值。

對于此類問題，目前國內外學者主要采用理論與數值分析相結合方法進行研究[4-5]。文獻[6]以某地鐵隧道工程為背景，運用數值模擬的方法，確定隨著埋深的增大，隧道開挖對上方土體的擾動減小。文獻[7]以草帽山隧道工程為依托，采用有限元方法，分析不同埋深下地表沉降和隧道埋深的關系，確定適合本工程的最佳埋深。文獻[8]依托某工程，基于GAP原理，并且采用有限元方法，對隧道埋深和地表沉降的關系進行研究，結果表明沉降槽寬度隨著埋深的增大而增大，地表沉降隨著埋深的增大而減小。文獻[9]針對某電廠地下輸煤隧道工程為分析對象，運用數值模擬和現場監測的方法對隧道埋深、襯砌與地表沉降的關系進行研究，研究結果表明地表沉降隨著埋深的增大而減小，襯砌對控制地表沉降有明顯效果。

目前，關于隧道埋深對下穿高速公路大管幕施工地表沉降影響的研究還比較少。本文以重慶鐵路樞紐東環線新白楊灣DK3+538～DK3+588標段近距離下穿高速公路隧道工程為依托，采用MIDAS-GTS NX建立隧道三維有限元模型，對埋深分別為2.5m、3m、4m、6m、10m、和15m六種工況進行理論模擬，分析不同埋深下地表沉降、圍巖變形以及初襯內力等力學特性的變化規律。研究了不同隧道埋深對下穿高速公路大管幕支護地表沉降的影響，提出相應力學結論，進而指導工程施工。

1 工程概況

1.1 工程概況

中鐵十五局集團第三工程有限公司承擔的重慶新白楊灣鐵路隧道下穿環城高速公路工程，本項目是重慶地區干線鐵路規劃網中重要組成部分（如圖1）。其中DK3+538～DK3+588段近距離下穿環城高速，最大埋深為25m，下穿高速公路段落距離路面凈間距僅3m左右。該高速公路路面寬30米，雙向八車道（含應急車道及中央隔離帶），隧道與公路平面交角為69°25'23''，鐵路下穿段長約50米。根據施工設計要求，超前支護選用720mm大管幕，開挖采用臺階法施作。

圖1 新白楊灣隧道進口圖

1.2 超前支護方案

管幕法是地下空間建設的獨特方法，首先把大鋼管打入圍巖中，在未開挖前形成一個受保護的空間，在此空間內可安全開挖。管幕法作為穿越城市公路、建筑物、環城高速和鐵路線等情況下使用的開挖技術，它具有不影響上方人員正常活動及車輛通行等優點，并且可以有效降低地面沉降，減少對開挖周邊環境的影響。施工現場圖見圖2。

圖2 管幕法施工現場圖

2 有限元模型

2.1 模型建立

為了分析超淺埋隧道下穿高速公路施工力學特性，采用模擬軟件MIDAS-GTS NX建立隧道有限元模型，分析坐標為X、Y、Z系。

通過MIDAS GTS NX軟件建立三維數值模擬性進行模擬分析，其中X方向取隧道斷面橫向，Y方向取隧道開挖縱向，Z方向取隧道斷面豎向，根據圣維南原理，模型計算邊界應取隧道洞徑的3～5倍，因此本文X軸水平方向兩邊各取約3倍的隧道洞徑，即距離中心點Y方向左右各取35m，Z軸豎直方向由隧道中心至下邊界取約26m，向上取到地表[10]。因圍巖是整體結構，模型從中取出，所以緊緊前后面為自由面，由有關規范[11]可得，又同時為計算時的方便快捷，隧道模型上表面取20kN/m的均布荷載，除上表面的其他面施加位移約束。模型如圖3所示。

圖3 模型圖

2.2 有限元參數的確定

由本項目施工設計所知，噴混采用C25，其厚度為27cm；Φ22mm中空錨桿作為施工所用；大管幕超前支護采用50m長鋼筒，其直徑、壁厚和環形間距分別是720mm、16mm和760mm；取最不利情況進行有限元分析，二次襯砌在模擬的最后被激活。構件在進行建模模擬時，被賦予不同屬性，為便于模型計算，用組合體的形式模擬噴混合鋼架[12]。初期支護的等效彈性模量[13]按照公式（1）進行計算。

式中，E為組合體綜合彈性模量（MPa）；Ec為噴射混凝土的彈性模量（MPa）；Eg為鋼拱架的彈性模量（MPa）；Sg為鋼拱架的截面面積（m2）；Sc為噴射混凝土的截面面積（m2）。

管幕的等效彈性模量[13]按照公式（2）進行計算。

式中，E0為管幕等效彈性模量（MPa）；E1為管幕漿液彈性模量（MPa）；E2為管幕彈性模量（MPa）；I1為管幕管內漿液慣性矩（m4）；I2為管幕慣性矩（m4）。

等效重度[13]按照公式（3）進行計算。

式中，γ為管幕等效重度（kN·m-3）；γ1為管幕管內漿液重度（kN·m-3）；γ2為管幕重度（kN·m-3）；A1為管幕管內漿液截面面積（m2）；A2為管幕截面面積（m2）。

根據以上公式計算結果并參考《鐵路隧道設計規范》[14]，巖土和構件的有限元參數見表1。

表1 巖土和構件的有限元參數

3 基于Peck公式的地表沉降分析

1958年Martos[15]在巷道開挖過程中監測地表沉降值，通過數據分析得到地表沉降槽的分布規律。1969年，美國科學家Peck[16]在歸納總結大量實際工程沉降數據的基礎上，提出隧道開挖引起的地表沉降曲線符合正態分布。隧道開挖地表沉降公式為式（4）～（7）：

式中：Sx為地表橫向x點的沉降值（mm）；i為沉降槽寬度（mm）；Smax為地表中心最大沉降值（mm）；Vi為單位長度上地層損失體積（m2）；H為隧道上方高度（m）；R為隧道半徑，取值6.5m；V1為地層損失率；D為等效直徑，取13m。

為研究本工程中埋深對地表沉降規律，本文利用公式（4）～（7）分別計算出沉降槽寬度i和地層損失率V1在不同埋深的數值，與有限元分析出的沉降值進行對比分析。

4 結果與分析

為了分析隧道埋深對下穿高速公路大管幕施工地表沉降和隧道受力影響規律，根據相關規范和類似隧道工程[17-18]提出的平整度要求和沉降控制標準，在鐵路隧道埋深3～25m范圍內，選取埋深深度分別為2.5m、3m、4m、6m、10m和15m共6種工況進行研究。

4.1 地表沉降分析

根據有限元模擬結果提取6種工況隧道施工沉降云圖于圖4，并且做出6種工況地表沉降圖于圖5。

圖4 不同埋深下沉降云圖

由圖4和圖5可知：通過沉降的分布可以得知，地表沉降從洞頂向地表傳遞，隨著埋深的增大，地表的沉降影響范圍增大，不過沉降在傳遞過程中逐漸減小。不同埋深下地表沉降最大值均發生在拱頂正上方，隨著埋深的增大，隧道的施工對地表沉降影響范圍逐漸減少，且地表較大沉降值影響范圍也隨之增大，所以隧道埋深較大段施工時應增加路面縱向沉降監測長度。隨著埋深的增大，沉降值逐漸減少，埋深為2.5m、3m、4m、6m、10m和15m時沉降分別為13.12mm、11.45mm、8.89mm、6.15mm、4.31mm和3.16mm，在所選六種工況內埋深每增加一米其最大沉降值的分別減小3.34、2.56、1.37、0.51和0.23mm。減小速率的大幅度降低說明在埋深超過15m時，地表沉降值基本呈現不受埋深的影響，這時因為拱頂上方的巖層在超過一定高度時形成持力拱，并且由于大管幕超前支護的存在，保護了隧道的開挖，減少了隧道施工對地表的影響。

圖5 不同埋深地表沉降圖（單位：mm）

根據計算公式（5）（6）（7）計算并結合圖5提取沉降槽寬度i、沉降曲線最大沉降Smax和地層損失率的數值，并將其數據匯總于表2。

表2 不同埋深的沉降曲線重要指標

依據表2分別做出最大沉降值、沉降槽寬度和地層損失率隨著埋深變化的曲線圖如圖7所示。

圖6 不同沉降指標隨埋深變化圖

由表2和圖6可知：

①最大沉降值隨著埋深的增大而減小，當埋深較小時，沉降值變化較大，當埋設超過15m時，最大沉降值基本保持在3.16mm左右。本工程隧道埋深為3m，其變化幅度較大且沉降值最大，為控制沉降施工采用大管幕超前支護，并且對最淺埋深區域嚴格監控。

②沉降槽寬度隨著埋深的增大而增大，基本呈線性關系。所以在對埋設較大區域進行施工時，應加大橫向監測區域。

③地層損失率隨著埋深的增大而減小，埋深較小時損失率變化較大，埋深大于15m后地層損失率基本保持不變。所以當埋深超過一定深度時，隧道的開挖對地層擾動較小且擾動范圍基本不變。

4.2 埋深對圍巖變形的影響分析

在隧提取圍巖水平位移云圖于圖7，做出拱頂沉降隨埋深的變化圖以及水平位移隨埋深的變化圖于圖8。

圖7 不同埋深下水平位移云圖

圖8 圍巖變形隨埋深變化圖

由圖7和圖8可知：

①拱頂沉降隨埋深的增大而減小，當埋深較淺時，拱頂沉降變化幅度較大，隨著埋深的增大而迅速較小，最終拱頂沉降值基本保持不變。所以在隧道施工中，應對埋深3m區域的拱頂沉降嚴格監控。

②埋深從2.5m增加到3m時，水平位移變化較小，埋深超過3m以后，水平位移迅速減小，并且最終穩定在2.30mm左右。這是由于在埋深超過3m后，拱頂上方圍巖和大管幕超前支護形成了天然的受力拱，共同保護了隧道的開挖，減小了水平位移。所以對埋深為3m的區域進行施工時，對其水平收斂嚴格監控。

4.3 埋深對初支內力的影響分析

在隧道施工過程中，初期支護是主要承力結構，而二次襯砌則主要作為安全儲備。所以研究不同埋深下初次襯砌的第一主應力和第三主應力的大小，對工程的安全施工非常重要。提取6種工況下初次襯砌的第一、第三主應力值于表3。

表3 初次襯砌的第一、第三主應力值

由表3可知：在不同埋深下的初次襯砌的第一、第三主應力的最大值均在相關規范的允許范圍內[14]。第一主應力隨著埋深增大，其應力值先增大后減小。第三主應力隨著埋深增大，其應力值先減小后增大。如果僅考慮絕對值數值大小進行研究，第一和第三主應力均在埋深3m時達到最大值，埋深大于3m時主應力值逐漸減小，其減小幅度越來越小。這是由于在埋深大于3m時，地表向洞頂傳遞力的途中受阻，拱頂上方圍巖形成了天然的受力拱；且有大管幕超前支護的存在，共同保護了隧道的開挖，阻斷了力的傳遞。所以在埋深為3m的區域進行施工時，對其初襯受力應嚴格監控。

4.4 數值計算結果與檢測數據對比分析

通過對地表沉降、圍巖變形和襯砌受力在不同埋深下的變化規律研究，埋深在3m時，地表沉降值和拱頂沉降值比較大，而且初襯受力在埋深3m時達到最大，所以在施工中應采用大管幕的超前支護控制沉降，并且對埋深3m時的地表沉降、拱頂沉降以及初襯受力嚴格監控，并且制定應急預案。

以重慶鐵路樞紐東環線新白楊灣下穿高速公路隧道工程為依托，提取其埋深為3m的沉降監測結果，并匯總于表4進行分析。模擬值和實測值兩者基本一致，表明本文有限元分析方法合理，對沉降隨埋深變化的規律性分析可以有效指導本工程施工。

表4 模擬值與實測值對比數據

5 結論

①不同埋深下地表沉降最大值均發生在拱頂正上方，隨著埋深的增大，隧道的施工對地表沉降影響范圍逐漸增大。

②6種工況的沉降最大沉降值分別為13.12mm、11.45mm、8.89mm、6.15mm、4.31mm 和3.16mm，埋深每增加一米其最大沉降值的分別減小3.34、2.56、1.37、0.51和0.23mm，減小速率的大幅度降低說明在埋深超過15m時，地表沉降值基本呈現不受埋深的影響。

③地層損失率隨著埋深的增大而減小，埋深較小時損失率變化較大，埋深大于15m后地層損失率基本保持不變。所以當埋深超過一定深度時，隧道的開挖對地層擾動較小且擾動范圍基本不變。

④埋深從2.5m增加到3m時，水平位移變化較小，埋深超過3m以后，水平位移迅速減小，埋深超過15m時水平位移值保持基本不變。初支內力呈現隨著埋深先增大后減小的趨勢，埋深3m時達到最大值，隨后開始減小。

⑤結合以上規律分析，施工中應采用大管幕的超前支護控制沉降，并且對埋深3m時的地表沉降、拱頂沉降以及初襯受力嚴格監控，并且制定應急預案。