下穿國道淺埋鐵路隧道開挖技術(shù)有限元分析及應(yīng)用

車彥鵬

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

鐵路隧道下穿既有公路時，為防止施工導(dǎo)致圍巖變形、路面沉降，在優(yōu)化隧道開挖施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過加強(qiáng)超前支護(hù)以及路面沉降監(jiān)測，確保既有道路和新建隧道的安全。基于漢巴南線白沙坎隧道在D2K101+440 穿越G245 國道的實(shí)際情況，提出“超前加固，分部開挖，控制爆破，減少擾動，加強(qiáng)監(jiān)測”的科學(xué)系統(tǒng)施工技術(shù)[1]。同時，通過巖土有限元分析軟件對臺階法、CD 法和CRD法展開對比，詳細(xì)分析了圍巖變形、圍巖應(yīng)力以及地表沉降的變化情況，確認(rèn)臺階法是最佳施工技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，采取了管棚、小導(dǎo)管對地層進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，另外通過控制爆破技術(shù)，加強(qiáng)斷面監(jiān)測和地表沉降觀測變形等措施，確保淺埋隧道下穿G245 國道施工的順利推進(jìn)。

1 項目概述及沉降要求

1.1 隧道概況

漢巴南鐵路白沙坎隧道位于四川省儀隴縣馬鞍鎮(zhèn)，隧道起止里程為D2K101+235～D2K101+600，總長365 m，該隧道在D2K101+440 處下穿G245國道，隧道與國道之間的交角為71°，隧道拱頂與國道的距離為45 m。G245 國道為瀝青路面，路面寬12 m。本段隧道地質(zhì)大多為Ⅴ類圍巖，存在大量弱風(fēng)化粉砂質(zhì)碎塊體和砂巖層，塊體之間存在大量泥質(zhì)充填體，穩(wěn)定性差。白沙坎隧道在D2K101+440 穿越G245 國道施工平面見圖1。

圖1 白沙坎隧道下穿國道施工平面

1.2 國道平整度和沉降要求

項目施工時，必須確保隧道上部國道平整度，依據(jù)我國《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014），瀝青混凝土一級公路路面平整度標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 瀝青混凝土一級公路路面平整度標(biāo)準(zhǔn)

1.3 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

白沙坎隧道為超淺埋隧道，與地表最小垂直距離為45 m，為確保隧道施工時路面交通安全，建議白沙坎隧道施工時路面沉降控制在20 mm 以內(nèi)，并制定應(yīng)急預(yù)案。

通過分析不同情況，發(fā)現(xiàn)該鐵路隧道斷面較大、石質(zhì)破碎，在掘進(jìn)中若施工方式不正確，會導(dǎo)致路面出現(xiàn)較大幅度沉降。因此，本文對臺階法、CD 法、CRD 法三種隧道開挖法展開對比分析。

2 超淺埋隧道穿越G245 國道的三種數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型

為了分析淺埋隧道施工時國道路面沉降，通過有限元分析軟件midas GTS NX 建立XYZ 坐標(biāo)系，構(gòu)建起淺埋隧道影響路面沉降的3D 模型[2]。在建模和分析過程中，將模型邊界構(gòu)建在x 軸、z 軸隧道向下、z 軸隧道頂部向上距離以及y 軸開挖深度方向70 m、26 m、45 m 和50 m 處，作用于G245國道上表面的荷載都設(shè)置為均勻分布荷載，取20 kN/m，計算模型見圖2。

圖2 有限元模型

2.2 有限元參數(shù)的確定

在3D 模型中，初始支護(hù)為噴射混凝土；壁厚16 mm、環(huán)間距760 mm、長度50 m 的圓柱形管幕采用平面應(yīng)變單元模擬灌漿，有限元參數(shù)見表2。

表2 巖土和構(gòu)件的有限元參數(shù)

2.3 施工工法

為降低對鐵路隧道周邊巖體產(chǎn)生擾動，避免國道路面出現(xiàn)大幅沉降，依次對臺階法、CD 法和CRD 法進(jìn)行模擬，開挖流程見圖3。

圖3 隧道開挖工法

2.4 有限元結(jié)果和分析

為了研究臺階法、CD 法和CRD 法三種隧道開挖工法對隧道變形產(chǎn)生的不同結(jié)果，選取圖4所示的拱頂1、拱腰2 和底拱3 這三個鐵路隧道關(guān)鍵點(diǎn)展開位移計算分析[3]。

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)位

2.4.1 圍巖變形分析

由圖5、圖6 可知：①以上三種隧道開挖工藝法，隧道拱頂沉降變化趨勢大致相同。盡管掘進(jìn)工藝不同，但掘進(jìn)時相當(dāng)于隧道圍巖頂部突然卸荷，會導(dǎo)致圍巖承載力驟然下降，從而引發(fā)拱頂出現(xiàn)沉降，使拱頂豎向沉降值迅速變大。因此，必須通過超前支護(hù)措施切實(shí)提升圍巖承載能力，防止國道地表出現(xiàn)沉降。在隧道上臺階開挖時，必須通過噴錨、注漿等形式進(jìn)行初期支護(hù)，避免驟然沉降[4]。②分析采用三種隧道開挖法的關(guān)鍵位置沉降，發(fā)現(xiàn)隧道底部隆起值相差不太明顯，為±10 mm，但隧道拱腰及拱頂位置的沉降值差別較大。采用臺階法、CD 法、CRD 法隧道拱頂沉降值分別約為13 mm、25 mm、29 mm，而拱腰沉降值分別約為6 mm、8 mm、9 mm。可見臺階法更能有效減少圍巖出現(xiàn)變形[5]。

圖6 三種施工工法位移

最小、最大主應(yīng)力分析：①由圖7、圖8 分析隧道采用三種施工工法后的應(yīng)力云圖，拉應(yīng)力均位于隧道拱頂以及拱底上部；在隧道周圍，臺階法和CD 法的壓應(yīng)力分布非常均衡，而CRD 法壓應(yīng)力通常位于拱腰，引起應(yīng)力較為集中。在隧道開挖時，加強(qiáng)支護(hù)，臺階法及CD 法應(yīng)力的分布非常平均，施工后塑性流動很小，是比較理想的支護(hù)方法[6]。②由圖7、圖8 依次研究三種施工工法對應(yīng)的應(yīng)力分布云圖。發(fā)現(xiàn)臺階法最小主應(yīng)力值約309.8 kPa，CD 法約340.8 kPa，CRD 法約382.1kPa ；臺階法最大主應(yīng)力值約379.9 kPa，CD 法約392.9 kPa，CRD 法約409.9 kPa。與CRD 法、CD法相比，臺階法應(yīng)力值最小。可見采用臺階法更能防止隧道出現(xiàn)大幅變形。

圖7 三種施工工法的最小主應(yīng)力

圖8 三種施工工法最大主應(yīng)力

2.4.2 地表沉降分析

為研究隧道采用三種施工工法掘進(jìn)時的地表沉降情況，分別對采用三種工法的地表關(guān)鍵點(diǎn)沉降展開分析（見圖9）。

圖9 三種施工工法地表關(guān)鍵點(diǎn)沉降值

由圖9 可知，隧道開挖初期地表沉降變化很大。隧道施工導(dǎo)致圍巖松動下沉的同時降低了圍巖承載力，引發(fā)地表沉降。在開挖時必須加強(qiáng)超前支護(hù)，防止路面沉降突然產(chǎn)生造成交通風(fēng)險。

由圖10 可知，采用臺階法施工最大地表沉降量為12.6 mm，而采用CD 法及CRD 法分別為17.6 mm、19.3 mm，臺階法與之相比分別降低了40%及47%。雖然三種工法的最大沉降均有效控制在20 mm 范圍內(nèi)，但通過有限元模型模擬結(jié)果綜合分析和討論，臺階法具有明顯優(yōu)勢。

圖10 三種施工工法地表沉降

3 控制爆破綜合施工技術(shù)

白沙坎隧道D2K101+420-dk101+470 穿越國道段采用VB 型復(fù)合襯砌。路面施工階段鋪設(shè)熱熔減速帶。道路兩側(cè)100 m、200 m 范圍內(nèi)埋設(shè)施工警示標(biāo)志，200 m 警示標(biāo)志設(shè)置警示裝置，根據(jù)施工安全需要展開臨時控制；采用φ89 mm 管棚+φ42 mm 小導(dǎo)管加固地層；開挖采用三步法或三步臨時仰拱法控制爆破施工。爆破震動速度應(yīng)根據(jù)施工爆破試驗(yàn)以及周圍環(huán)境情況綜合確定，盡量避免施工爆破對路面結(jié)構(gòu)的不利影響；監(jiān)測斷面沿隧道外公路路肩布置。路基邊坡地段沿公路線路每10 m 設(shè)置一個地表沉降觀測點(diǎn)，沿線路中心線設(shè)置五個測點(diǎn)；爆破施工嚴(yán)格按照《爆破安全規(guī)范》（GB6722-2014）展開。選用低爆破速度炸藥，確保建筑物附近爆破震動安全，允許震動速度小于2 cm/s；嚴(yán)格控制每個周期的進(jìn)尺為0.6 m。

3.1 三臺階仰拱法工藝

三臺階施工技術(shù)隧道縱斷面見圖11。

圖11 三臺階施工技術(shù)隧道縱斷面

3.2 長管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)

本段超前支護(hù)采用φ89 mm 長管棚+φ42 mm小導(dǎo)管組合支護(hù)。先施做φ89 mm 長管棚，再施做φ42 mm 小導(dǎo)管。為確保最佳施工效果，降低小導(dǎo)管和長管棚的外插角。長管棚+小導(dǎo)管正面見圖12，側(cè)視見圖13。

圖12 長管棚+小導(dǎo)管正面

圖13 長管棚+小導(dǎo)管側(cè)視

3.3 控制爆破

為減少對隧道拱頂與國道之間巖體的擾動，展開控制爆破施工。

（1）計算最大一段允許炸藥用量：

式中：Qm——最大一段允許炸藥用量，單位kg ；Vkp——震動速度控制標(biāo)準(zhǔn)，單位cm/s；R——爆源中心到震速控制點(diǎn)間的長度；K——與爆破、地形相關(guān)系數(shù)；α——爆破震動衰減指數(shù)。

堅硬、中硬、軟質(zhì)等巖石爆破震動參數(shù)K、α參考值見表3，分段計算最大裝藥量結(jié)果見表4。

表3 不同巖性的K、α 參考值一覽

表4 單段最大裝藥量統(tǒng)計

（2）爆破震動安全允許標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 爆破震動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

（3）爆破參數(shù)設(shè)計。炮眼數(shù)量計算： N=(qS)/(αr)。

式中：N——炮眼數(shù)量；q——單位炸藥用量，單位kg/m3；S——隧道開挖斷面積；α——裝藥系數(shù)；r——每米藥卷的總重，單位kg/m。

炮眼深度確定。按各級圍巖控制爆破的最大裝藥量、掘進(jìn)進(jìn)度和出碴能力計算鉆眼深度L=l/η。

式中：L——炮眼的深度，單位m ；l——每掘進(jìn)循環(huán)的計劃進(jìn)尺，單位m；η——炮眼利用系數(shù)。

裝藥量的計算及分配。每循環(huán)炸藥用量：Q=q×S×L。

式中：Q——一個爆破循環(huán)的總用藥量。D2K101+420-DK101+470 各段位裝藥統(tǒng)計見表6。

表6 各段位裝藥統(tǒng)計

控制爆破施工時必須嚴(yán)格按照《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）控制各段位裝藥量。

4 結(jié)語

針對漢巴南鐵路白沙坎隧道在穿越G245 國道的工程實(shí)際，借助有限元分析軟件對臺階法、CD法和CRD 法展開對比研究，分析了圍巖變形、圍巖應(yīng)力等力學(xué)性能對路面沉降的影響規(guī)律。結(jié)果表明，臺階法是比較好的施工工法。同時采用管棚+小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，控制爆破施工，加強(qiáng)斷面監(jiān)測和地表沉降觀測，有效控制了圍巖變形和沉降，對類似工程具有借鑒意義。