交通荷載作用下超淺埋隧道洞口段變形及控制研究*

周 飛，陳志敏,2，文 勇，黃林祥，任 益

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222； 4.重慶市鐵路(集團)有限公司，重慶 401120)

0 引言

近年來，隨著地下工程快速發展，隧道下穿既有線路或結構物等工程逐漸增多，為保證新建隧道施工和上部結構的安全，研究人員進行大量研究：陳瑞文等[1]以杭州地鐵6號線區間隧道下穿錢江二路公路隧道為例，對上部土體的加固技術、沉降控制措施及監測結果等進行研究；文獻[2-3]通過利用有限元軟件模擬隧道開挖，研究隧道在開挖過程中圍巖變形及公路沉降規律，并制定合理的施工方案；賈寶新等[4]以Peck公式為依據，通過理論推導得到在交叉隧道近接距離影響下的路基沉降值及相應解析解，并通過數值模擬研究隧道開挖引起的路基沉降規律；董捷等[5]研究發現新建隧道下穿公路隧道時，重型汽車荷載引起的振動效應是造成下部隧道拱頂沉降的主要原因；文獻[6-7]對新建隧道下穿公路或其他建筑結構物時施工中采取的帷幕注漿等超前支護措施進行研究；文獻[8-9]對比分析CD法、CRD法和雙側壁導坑法在新建隧道下穿既有線路時的控制變形效果，得到雙側壁導坑法控制拱頂沉降效果好，CRD法控制水平收斂的效果更好。

新鼓山隧道洞口下穿段最小覆土厚度僅為4.1 m，要保證公路運營不受隧道施工的影響困難極大。因此，本文針對新鼓山隧道工程洞口下穿段建立有限元模型，結合監測數據分析隧道開挖引起洞口段變形情況，制定控制隧道變形的開挖及支護措施。

1 工程概況及材料參數設計

新鼓山隧道位于福建省福州市鼓山風景區，設計為單洞雙線，設計斷面寬13.8 m、高12.4 m，隧道進口DK5+170～DK5+310段下穿機場高速及三環公路，穿越段埋深淺，覆土厚僅為4.1～4.9 m。根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)[10]，隧道埋深小于等效荷載高度13.7 m時，隧道進口段為超淺埋。隧道洞口下穿段縱斷面示意如圖1所示。

圖1 新鼓山隧道洞口下穿段縱斷面示意

洞口下穿段穿越地層為人工填土、粉質黏土、全風化花崗閃長巖，巖性較差。下穿段工程所處環境條件復雜，褶皺等節理裂隙發育，地質條件較差，為整個隧道乃至鐵路全線的重點控制工程，隧道地層參數見表1。

表1 地層物理力學參數

隧道初期支護采用C35噴射混凝土，厚度0.3 m，錨桿長4 m，采用梅花型布置，二次襯砌為C35鋼筋混凝土，厚度0.5 m，采用HRB400鋼筋。根據隧道實際情況建立三維模型，給模型施加與實際工程對應的邊界和初始條件。三維模型尺寸為(X×Y×Z)130 m×120 m×45 m，隧道埋深取最小覆土厚度4.1 m，土層、路基采用摩爾-庫倫模型、襯砌支護采用彈性本構模型、開挖采用空模型。

在靜力計算時，模型采用摩爾-庫倫模型。考慮交通荷載時設置靜態邊界，Hyodo等[11]通過卡車在道路行駛試驗，發現同一深度豎向土壓力可以用半波正弦來表示；葉斌等[12]采用半波正弦荷載模擬交通動荷載作用，分析路基的動態響應關系。鑒于交通荷載本身的特性和前人成熟研究的可靠性，將交通荷載簡化為半波正弦動荷載，荷載示意如圖2所示。

圖2 交通動荷載示意

根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2006)[13]，按BZZ-100標準，取荷載峰值Pmax為后軸標準軸載50 kN,交通荷載豎向作用于整個道路。通過在模型邊界施加動態邊界條件的形式,模擬材料所承受的交通動荷載作用。

通過ANSYS軟件建模和劃分網格后再導入FLACD3D進行后處理計算，最后建立模型如圖3所示。

圖3 模型及網格劃分

2 隧道下穿施工安全風險評估

隧道下穿既有高速公路，施工時會對上覆既有公路造成很大影響，可能出現施工安全事故。因此，需要對新鼓山隧道下穿公路段進行施工安全風險評估。

隧道施工風險評估經常采用專家調查打分法、模糊綜合評判法等，但這些方法結果受個人主觀因素影響較大，而且計算過程復雜、效率較低。曹成勇等[14]采用功效系數法對淺埋隧道下穿公路施工的風險進行分析，分析結果較為準確。因此，本文根據功效系數法原理分析新鼓山隧道下穿公路施工風險，分析過程包括以下5個部分：

1)選取代表性指標。各指標盡量能全面、綜合地反映分析目標情況。

2)預警值和極限值的確定。即各指標的的最高和最低水平。

3)計算功效系數值如式(1)所示：

(1)

式中：di為第i個指標功效系數值；Xi為第i個指標實際值；Xhi為預警值；Xsi為極限值。

4)計算各指標權重。采用專家評分后的歸一化權重，如式(2)所示：

(2)

式中：Pi與wi分別為第i個指標權數和權重系數。

5)分析對象的總功效系數D，如式(3)所示：

(3)

根據總功效系數，可對分析對象進行風險分級評估，風險分級見表2。

表2 風險評估等級

根據新鼓山隧道現場監測和地質勘查情況，將地表沉降、周邊收斂、地下水、掌子面及支護結構觀察等內容作為隧道下穿施工的風險評估的主要指標。分析大量實際工程和規范資料，得到各指標的預警值與極限值如表3所示。

表3 指標預警值與極限值

根據隧道(DK5+170)～(DK5+310)段的現場監測和地質勘察情況分析，在斷面(DK5+205)處，地表沉降速率最大為3.75 mm/d，周邊最大收斂速率為2.35 mm/d。由于變形速率更能體現風險的發展趨勢，所以此次采用地表沉降速率和周邊收斂速率作為評價指標。

將現場監測與觀察結果計算各指標功效系數，最后得到總功效系數見表4。

表4 新鼓山隧道下穿施工風險評估表

總功效系數值為78.973，根據表2風險評估分級標準，洞口段的風險等級為高度，結合《新鼓山隧道設計說明》中對隧道下穿段的風險分析，隧道(DK5+170)～(DK5+310)段主要風險等級見表5。

表5 下穿段風險等級

根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》，概率等級4為可能發生，3為偶然發生；后果等級4為很嚴重的，3為嚴重的。根據風險接受準則，風險等級高度是不期望的，這類風險較大，必須要進行一定的處理措施來降低風險。

從表5中新鼓山隧道下穿段初始風險等級來看，下穿段主要存在的風險為垮塌、塌方和影響既有建構筑物，都是可能發生的。后果很嚴重的高度風險，必須要采取相應的措施來降低這些風險。經過處理以后，下穿段仍會存在殘余風險，這類風險也應當加強監測和重視。

3 計算結果分析

根據以上分析，新鼓山隧道下穿段施工會對上覆既有公路造成很大影響，可能發生后果嚴重的高度風險，所以著重對隧道洞口段的變形特征及控制方法進行研究。

3.1 交通荷載下隧道的變形特征

在有限元軟件中模擬交通荷載作用下隧道的變形，監測拱頂豎向位移和拱腰的水平位移的變化。計算完成后，取3個監測點位移變化數據，繪制位移時程曲線如圖4～5所示。

圖4 拱頂沉降位移時程曲線

由圖4可知，在交通荷載作用以后，拱頂豎向沉降逐漸增大，最大沉降值達到0.78 mm。拱頂沉降變形響應在4 s以后趨于穩定。交通荷載對隧道拱頂沉降有一定影響。

由圖5可知，在單次交通動荷載作用下，隧道左右拱腰出現不同程度的變形響應。變形呈現對稱分布，水平位移數值也正好相反，說明交通動荷載傳遞至隧道拱腰處，拱腰表現出來水平位移響應變化正好相反，隧道左拱腰向右變形，右拱腰向左變形，從而隧道凈空發生收斂變形。

圖5 拱腰水平位移時程曲線

在交通荷載作用以后，拱腰水平位移隨時間增大而增大，當去掉荷載以后，變形開始恢復，最后在地層材料阻尼作用下變形衰減至穩定值。

在相同開挖進尺下，未施加交通荷載與施加交通荷載的拱頂最大沉降結果見表6。

表6 開挖完成隧道拱頂沉降結果

在有無交通荷載作用的情況下，拱頂沉降有較大差別，三臺階、CD法、雙側壁導坑法3種方法在施加交通荷載作用完成后，拱頂沉降分別增加7.8，7.7，4.9 mm。說明交通荷載作用下，雙側壁導坑法開挖時后續核心土臺階對拱頂有一定的支撐效果，減少拱頂沉降。

3.2 不同開挖方法隧道變形控制分析

分析不同施工方法對下穿變形的控制效果時，采用臺階法、CD法、雙側壁導坑法3種典型的施工方法進行比較分析。在相同開挖進尺下計算。在隧道斷面剛開挖至公路邊緣時開始監測記錄開挖步，記錄隧道開挖通過道路中線處隧道斷面拱頂沉降值與周邊收斂的變化，不同開挖方法的隧道斷面拱頂沉降與周邊收斂時程曲線如圖6所示。

圖6 道路中線處隧道斷面位移時程曲線

由圖6可知，隨著隧道施工部序的進行，隧道拱頂沉降不斷累積增加。3條曲線在關鍵施工步均有明顯轉折，說明在采用相同進尺施工情況下，施工部序越復雜，花費時間越長。

隧道施工經過道路中線處隧道斷面時，產生臨空面，使隧道周圍巖體產生局部卸載，周圍應力進行重分布，從而導致隧道洞周收斂變形。3種不同方法水平收斂曲線有明顯曲率變化，證明不同開挖步對隧洞的影響不同。從拱頂沉降和水平收斂變形的角度考慮，雙側壁導坑法優于其他2種方法，但花費時間大于其他2種方法。

3.3 不同支護方式隧道變形控制分析

要更好地控制隧道沉降變形，還需采取輔助加固措施，隧道預加固方案見表7。隧道預加固模型如圖7所示。

表7 隧道預加固方案

圖7 隧道預加固模型

選取4種方案隧道在路基中線下同一斷面，設置隧道拱頂和隧底變形監測點，通過數值計算得到結果如圖8所示。

圖8 不同預支護方案拱頂及隧底變形云圖

以無預支護沉降值為51.4 mm基礎，單層大管棚超前預支護拱頂沉降控制量占比9.5%；單層大管棚超前預支護+小導管拱頂沉降控制量占比22.8%；雙層大管棚超前預支護拱頂沉降控制量占比38.9%。可見雙層大管棚預支護對拱頂沉降的控制是顯著的。

在沒有預支護的情況下隧底隆起達到26.5 mm，有支護的情況下隆起值降到21 mm左右；但是加強超前預支護措施，隧底隆起并沒有明顯改變，這說明超前預支護手段對隧道底部隆起控制效果沒有對拱頂沉降控制的那樣顯著。

不同預支護方案的隧道水平收斂變形控制結果見表8。由表8可知，沒有預支護的情況下水平收斂達到26.2 mm，隨支護措施加強，水平收斂值得到顯著減小。

表8 不同預支護方案水平收斂變形控制結果

以無預支護水平收斂值為基礎，單層大管棚超前預支護水平收斂控制量占比13.7%；單層大管棚超前預支護+小導管水平收斂控制量占比24.4%；雙層大管棚超前預支護水平收斂控制量占比38.2%。說明雙層大管棚預支護對水平收斂的控制較其他預支護方式更加明顯。

綜上，從橫向、豎向位移場的計算結果來看，4種方案的變形控制效果為：雙層大管棚>單層大管棚+小導管>單層大管棚>無預支護。通過超前大管棚預支護，隧道開挖引起的地表沉降、拱頂沉降以及隧道水平收斂等不利變形得到有效控制，可降低施工風險，保障施工安全。

4 現場監測結果對比

新鼓山隧道洞口下穿段現場施工時采用雙側壁導坑法開挖，開挖示意如圖9所示。

圖9 隧道開挖示意

隧道在現場施工中采用長管棚支護，管棚布置示意如圖10所示。長管棚一般為10～60 m，用每節長4～6 m的熱軋無縫鋼管以絲扣連接而成，鋼管上鉆注漿孔，呈梅花形布置，鋼管間距為0.40 m，鋼管軸線與襯砌外緣線夾角為1°～3°，相鄰鋼管之間環向不大于0.1 m。

圖10 隧道洞口段長管棚布置示意

選取隧道下穿南三環路處，斷面里程DK5+205為監測斷面，在隧道拱頂及拱腰位置布設測點，現場與數值模擬拱頂沉降對比如圖11。

圖11 現場與數值模擬拱頂沉降對比

由圖11可知，現場監測拱頂沉降的累計隨時間發展與數值模擬時程曲線趨勢相似，拱頂監測點最終的穩定沉降值為40.6 mm，與數值模擬結果相近，由于工程條件的復雜性，現場監測值會略大于數值模擬計算結果。

選取隧道斷面里程DK5+205為監測斷面，現場與數值模擬水平收斂對比如圖12所示。由圖12可知，水平收斂監測到最終穩定收斂值為21.38 mm，水平收斂時程曲線與地表和拱頂沉降時程曲線變化趨勢一致。同時，現場監測水平收斂的累計隨時間發展與數值模擬時程曲線趨勢相似，均為累積增加的過程。

圖12 現場與數值模擬水平收斂對比

5 結論

1)在交通荷載作用下，隧道變形趨勢一致，沉降值隨地層深度的增加而減小。與沒有交通荷載時相比，隧道拱頂沉降值增加10%左右，說明交通荷載對隧道變形有一定影響，有必要進行交通管制。

2)采用雙側壁導坑對隧道變形控制的效果最佳，可以將拱頂沉降控制在46 mm以內，CD法次之，臺階法的效果最差，隧道拱頂沉降能達到70 mm左右。

3)單層大管棚加小導管注漿的預加固措施滿足要求且更經濟實用。與無預支護時的沉降值和收斂值相比，單層大管棚支護沉降值和收斂值分別減小9.5%和13.7%，單層大管棚+小導管注漿支護減小22.85%和24.4%，雙單層大管棚支護減小38.9%和38.2%。

4)現場采用雙側壁導坑法開挖，10～60 m的長管棚支護時，監測斷面最終拱頂沉降值為40.6 mm，水平收斂值為21.38 mm，其控制變形效果與采用雙側壁導坑法開挖單層大管棚+小導管支護模擬結果相近，有效保證隧道洞口下穿段的施工。