新建隧道下穿既有公路的地表沉降研究

何小龍

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430010)

新建隧道下穿既有公路工程日益增多，隧道下穿公路施工必然會對既有公路產生不利影響，如造成公路不均勻沉降、沉降過大等問題，嚴重影響公路正常服役，縮短公路的服役周期。因此，新建隧道下穿既有公路引起的變形問題已成為當前研究的熱點之一。

越來越多的學者通過理論方法、數值方法和試驗方法對該熱點問題開展了一系列的研究，并取得了豐碩的科研成果。卿偉宸等[1]基于有限元軟件，建立地下隧道與相鄰建筑物三維模型，研究了隧道施工對臨近建筑物和地表沉降的影響。趙紀平[2]以某隧道下穿高速公路工程為背景，利用數值手段分析了淺埋隧道下穿公路的施工過程，進一步通過參數分析優化了施工技術。王志等[3]通過有限元軟件建立三維數值模型，分析了隧道尺寸、隧道埋深和隧道到公路距離等參數的影響，總結了隧道下穿高速公路施工的沉降規律。姚宣德等[4]通過分析眾多下穿既有建構筑的地鐵淺埋暗挖法工程，利用統計手段總結了地表沉降控制標準。胡德華等[5]以某上軟下硬地層雙線地鐵隧道下穿城市道路工程為背景，利用數值手段分析了隧道施工過程引起的道路的沉降規律。范昌杰等[6-7]通過建立數值模型研究了新建隧道下穿公路引起的路面沉降，并對相關敏感參數進行對比分析。

本文基于某隧道下穿高速公路施工背景，擬利用有限元軟件建立三維數值模型，分析隧道下穿引起的公路沉降。討論隧道埋深、不同施工工法的影響。

1 工程工況

該新建隧道全長970 m，隧道在DK297+350-DK298+320段下穿某既有公路。新建隧道與既有公路呈16°斜交，隧道拱頂與公路最小距離僅為12 m。新建隧道主要處于黃土地層，該土層土質疏松。同時該范圍內新建隧道開挖面積約為180 m2，這極大地增加了工程施工難度。

隧道施工采用密排大管棚+掌子面纖維錨桿加固的聯合超前支護。在拱頂150°范圍內施工密排大管棚，管棚內插入直徑25 mm鋼筋籠并注滿水泥砂漿增加剛度，管棚長度68 m、直徑180 mm、壁厚10 mm。纖維錨桿直徑22 mm、長度為8 m、間距為1.2 m，按梅花形布置。初期支護采用混凝土面層+鋼筋網+鋼拱架，噴射C25強度的混凝土面層，面層厚度32 cm，鋼筋網按0.2 m×0.2 m布置，鋼筋直徑8 mm，鋼拱架為H250×250×9型鋼，縱向間距0.5 m。二襯采用60 cm厚C30鋼筋混凝土結構。

2 三維有限元模型

2.1 有限元模型

隧道的三維數值模型見圖1a)，基于模型尺寸不小于隧道直徑3～5倍的原則，本文建立的模型尺寸為200 m(X方向)×100 m(Y方向)×80 m(Z方向)。模型底面為完全固定邊界，四周為法向約束邊界條件，頂部邊界條件為完全自由。觀測點布置見圖1b)。

2.2 參數取值

根據現場地質報告，土體參數取值見表1。

表1 土層參數

隧道結構的參數取值如下。

1) 初期支護重度為2 500 kN/m3，彈性模量為23 000 MPa，泊松比為0.25。

2) 錨桿彈性模量為210 GPa，抗拉強度為240 MPa，黏聚強度為2 MPa，剛度為25 N·m，內摩擦角為30°。

3) 管棚重度為23 kN/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.15，截面面積為0.06 m2。

3 數值模擬結果及分析

為研究不同施工工法下隧道埋深引起的地表沉降，在CRD工法和雙側壁導坑工法下。建立4種不同埋深工況，分別為10，20，30和40 m。CRD工法和雙側壁導坑工法下不同隧道埋深的地表沉降橫斷面曲線圖見圖2。同時基于圖2沉降數據，2種工法下地表沉降峰值隨隧道埋深的變化曲線圖見圖3。

圖2 不同施工工法下地表沉降曲線

圖3 2種工法下地表沉降峰值隨隧道埋深的變化曲線

由圖2可見，不同施工工法下地表沉降曲線均呈現近似正態分布規律，與Peck沉降預測公式結果一致，地表沉降峰值均發生在隧道中心線正上方。由圖2a)可知，對于隧道埋深為10 m工況，當觀測點距隧道中心線距離小于25 m時，公路地表沉降顯著增大。由此可知，該工況下隧道施工對隧道周邊25 m范圍內土體有顯著影響。對于隧道埋深為20 m工況，當觀測點距隧道中心線距離小于35 m時，公路地表沉降顯著增大。由此可知，該工況下隧道施工對隧道周邊35 m范圍內土體有顯著影響。進一步觀察可知，隨著隧道埋深的進一步增大，隧道施工引起隧道周邊地表顯著沉降的范圍減小。從圖2b)中可以觀察出與圖2a)相似的地表沉降規律。

由圖3可見，當隧道采用CRD施工工法，對于隧道埋深10 m工況，隧道施工引起的地表沉降峰值為62.5 mm；當隧道埋深為20 m時，隧道施工引起的地表沉降峰值為30.5 mm，較隧道埋深10 m工況減少了約51.2%；當隧道埋深加深至30 m時，隧道施工引起的地表沉降峰值為10 mm，較隧道埋深20 m工況減少了約68.2%；當隧道埋深進一步加深至40 m時，隧道施工引起的地表沉降峰值為4.5 mm，較隧道埋深30 m工況減少了約55%。

當隧道采用雙側壁導坑工法，隧道埋深為10，20，30和40 m時，隧道施工引起的地表沉降峰值分別為44.6，23.5，8.1和3.9 mm，地表沉降峰值減幅分別為47%，66%和51%。可見，隧道埋深對隧道施工引起的地表沉降影響顯著。地表沉降隨隧道埋深增大迅速減小，當埋深增大到一定程度，這種影響逐漸減弱。因此，不論哪種施工工法，在一定范圍內，增大隧道埋深可以有效控制地表沉降。對比CRD工法和雙側壁導坑工法下的地表沉降值可以發現，CRD工法下隧道施工引起的地表沉降總體上大于雙側壁導坑工法的地表沉降。且隧道埋深越淺，CRD工法的地表沉降和影響范圍均越小于雙側壁導坑工法的計算結果。

研究隧道埋深為10，20，30和40 m 4種工況，2種施工工法下隧道中心線地表沉降隨掌子面推進的變化，曲線圖見圖4。

圖4 2種工法下地表沉降峰值在隧道掘進過程中變化曲線

由圖4可見，隨著掌子面推進，地表沉降初期緩慢增大，隨后迅速增大，最終趨于穩定。當掌子面掘進范圍為-3R～-R(R為隧道截面寬度的1/2)，隧道施工引起的地層擾動導致地表開始出現緩慢沉降，此段施工期引起的地表沉降約占地表沉降最大值的14%～31%；當掌子面掘進范圍為-R～4R，這一時期初期支護逐步進行，隧道施工引起的地表沉降開始迅速增大，此段施工期引起的地表沉降約占地表沉降最大值的58%～66%；當掌子面掘進范圍為4R～10R，二次襯砌逐步施工，地表沉降緩慢增大并逐漸趨于穩定，此段施工期引起的地表沉降約占地表沉降最大值的9%～15%；當掌子面掘進范圍超過10R，沉降基本穩定。

2種施工工法下隧道施工完成后隧道拱頂沉降和地表沉降結果見表2和表3。

表2 CRD工法隧道拱頂和地表沉降

表3 雙側壁導坑工法隧道拱頂和地表沉降

由表2和表3可見，對于淺埋隧道，相比于CRD施工工法，雙側壁導坑施工工法能有效減小地層擾動，控制地表沉降。隨著隧道埋深的加深，雙側壁導坑施工工法的控制效果逐漸削弱。另一方面，隨著隧道埋深的增大，CRD工法施工完引起的地表沉降/拱頂沉降逐漸大于雙側壁導坑工法的比值。這是因為對于淺埋隧道，隧道采用雙側壁導坑工法施工容易導致隧道圍巖應力重分布，更易造成地層的擾動，隧道的總體沉降更多體現在地表沉降上。

4 監測結果分析

DK297+870斷面的地表沉降隨施工時間的曲線圖見圖5。由圖5可見，隧道施工初期引起的地表沉降很小，約占最終沉降的11%；從左導洞封閉到隧道施工完成時期內地表沉降顯著增大，約占最終沉降的70%；隧道施工完成至地表沉降穩定期間的新增沉降約占最終沉降的19%。可見，從左導洞封閉到隧道施工完成時期內地表沉降最為主要，因此，可以縮短臺階長度以控制該時期內產生的地表沉降量。

圖5 DK297+870斷面的地表沉降隨施工時間的曲線

DK297+870隧道不同部位洞頂的沉降與相應處地表沉降曲線圖見圖6。

圖6 DK298+105隧道洞頂的沉降與相應處地表沉降曲線

由圖6可見，隧道開挖過程中，隧道開挖引起的地表沉降總體小于隧道開挖引起的拱頂沉降，尤其對于右導洞。隧道拱頂沉降與相應處地表沉降的沉降規律趨于一致。另一方面，左導洞和隧道中線的拱頂沉降更能體現在地表沉降上。

5 結論

本文以某隧道下穿高速公路工程為背景，利用有限元軟件建立三維數值模型，分析了隧道下穿引起的公路沉降。系統研究了隧道埋深、不同施工工法的影響。獲得以下主要結論。

1) 隧道埋深對隧道施工引起的地表沉降影響顯著。地表沉降隨隧道埋深增大迅速減小，當埋深增大到一定程度，這種影響逐漸減弱。

2) 隧道施工對隧道周邊地層影響范圍隨著隧道埋深增加先增大后減小，在埋深為20 m時達到最值。

3) 對于淺埋隧道，雙側壁導坑施工工法能更有效地減小地層擾動，控制地表沉降。隨著隧道埋深的加深，雙側壁導坑施工工法的控制效果逐漸削弱。