淺埋下穿高速公路黃土隧道管棚變形監(jiān)測(cè)及受力研究

房海勃，張長(zhǎng)勝

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西交通控股集團(tuán)有限公司 建設(shè)管理分公司寶坪高速公路建設(shè)管理處，陜西 西安 710068)

伴隨著隧道建設(shè)的迅猛發(fā)展，隧道施工所面臨的地質(zhì)和環(huán)境條件越來(lái)越復(fù)雜，如淺埋、富水及軟弱地層等不良地質(zhì)，穿越鐵路、公路、輕軌、橋梁等地表交通線[1-2]，隧道下穿既有隧道等地下構(gòu)筑物[3]。雖然構(gòu)筑物類(lèi)型、變形和受力模式存在差異，但都面臨相似的問(wèn)題，即隧道施工方法的選取，施工對(duì)地層和構(gòu)筑物沉降、力學(xué)影響及安全性評(píng)價(jià)，地表和洞內(nèi)沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，構(gòu)筑物保護(hù)等系列問(wèn)題。如何控制好隧道施工過(guò)程中圍巖變形引起的地表下沉和周邊構(gòu)筑物沉降，是隧道下穿既有構(gòu)筑物安全施工的關(guān)鍵，尤其是超淺埋大跨隧道在富水軟土地層施工中圍巖變形控制，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外隧道施工亟待解決的技術(shù)難題。

在隧道下穿軟弱地層施工方面，文獻(xiàn)[4-5]對(duì)軟弱圍巖隧道施工中變形及其控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)和論述。在隧道下穿既有高速公路施工方面，文獻(xiàn)[6]分析了某地區(qū)東干渠下穿洛界高速公路段采用CRD分部開(kāi)挖法的施工安全性；文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)閨鄉(xiāng)隧道下穿施工工法進(jìn)行了優(yōu)化，并提出下穿隧道地表沉降的控制基準(zhǔn)；文獻(xiàn)[8]對(duì)下穿高速公路隧道的施工方法和沉降控制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；文獻(xiàn)[9]采用三維數(shù)值法對(duì)新建隧道下穿機(jī)場(chǎng)地下行包通道進(jìn)行了沉降分析，提出洞內(nèi)分部開(kāi)挖、超前預(yù)支護(hù)、二次襯砌背后注漿等沉降控制措施，為下穿高速公路的工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)。由于下穿既有構(gòu)筑物時(shí)，各工程中隧道埋深、地質(zhì)情況、隧道跨度、地面構(gòu)筑物情況及沉降標(biāo)準(zhǔn)要求等因素差異較大，遇到類(lèi)似隧道工程還需針對(duì)性地研究分析，以便制定相應(yīng)的施工技術(shù)方法[10-11]。

目前，淺埋軟弱圍巖隧道施工普遍采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法和微臺(tái)階法等工法，均是將隧道工作面上下分層、豎向分塊、分大斷面為封閉的小斷面，以保證工作面和拱墻的穩(wěn)定[12-13]。

基于上述分析，本文充分結(jié)合下穿段隧道淺埋、大跨、軟土、富水等復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn)和周?chē)h(huán)境條件，對(duì)隧道進(jìn)入下穿高速公路前的管棚縱聯(lián)方向上的形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，建立了淺埋下穿高速公路的隧道管棚下雙參數(shù)地基梁受力模型。采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)下穿段隧道進(jìn)行仿真計(jì)算。研究結(jié)果表明：隧道管棚內(nèi)的縱聯(lián)方向的形變大致呈凹槽分布，且在工作面處隧道管棚的受力最大。此外，管棚形變同開(kāi)挖面位置、開(kāi)挖進(jìn)尺、管棚和巖體物理指標(biāo)等因素緊密關(guān)聯(lián)。本文的研究結(jié)果為隧道下管棚的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 管棚的力學(xué)機(jī)制分析

1.1 模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析結(jié)果可知，對(duì)長(zhǎng)大管棚而言，其受力最不利位置發(fā)生在隧道開(kāi)挖但未支護(hù)時(shí)工作面附近，此時(shí)其縱向應(yīng)變最大，因此可依此建立雙參數(shù)地基梁模型，模擬單根鋼管受力，受力簡(jiǎn)圖如圖1所示。淺埋黃土地層在開(kāi)挖過(guò)程中自承能力差，管棚受力比較明確。因此分析中不考慮管棚上部土體與管棚的相互作用，認(rèn)為已開(kāi)挖段管棚承受上覆土重。至于未開(kāi)挖段，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析出圍巖變形始于工作面前方一定范圍，隧道工作面處圍巖已經(jīng)發(fā)生松動(dòng)和變形，在工作面前方形成1個(gè)松弛區(qū)，該段范圍內(nèi)管棚仍將受到圍巖壓力。

由圖1可知，管棚全段主要由4部分組成：①AB段：已開(kāi)挖且初期支護(hù)施作完畢段，其上作用上覆土重力q(x)，分析中按Winkle地基梁考慮。②BC段：已開(kāi)挖一段距離但尚未施作初期支護(hù)，其上作用覆土重力q(x)。③CD段：未開(kāi)挖段，其上作用三角形(或梯形)分布荷載q(x)，與此同時(shí)，由于此時(shí)管棚下方土體尚未破除，其下還作用有彈性抗力p(x)。④DE段：未受擾動(dòng)段，由于此段不在工作面開(kāi)挖超前影響范圍內(nèi)，僅管棚下方受p(x)作用。根據(jù)施工過(guò)程中的管棚受力特征可推導(dǎo)出單根管棚受力模型，以B端作為坐標(biāo)原點(diǎn)，隧道開(kāi)挖高度為h，AB段長(zhǎng)度為a，BC段長(zhǎng)度為s，CD段長(zhǎng)度為d，其中，d=htan (45°-φ/2)，管棚受力模型如圖2所示。

地基反力采用雙參數(shù)模型中的 Pasternak模型進(jìn)行計(jì)算，由彈性地基梁理論可得地基反力及管棚撓曲微分方程[13]：

(1)

(2)

式中，E為管棚彈性模量；I為管棚慣性矩；k為基床系數(shù)；ω(x)為管棚撓度；Gp為地基剪切模量；b為彈性地基梁寬度；b*為考慮地基連續(xù)性情況下彈性地基梁的等效寬度，且b*=b[1+(Gp/k)1/2/b]。計(jì)算時(shí)，假定隧道埋深變化不大時(shí)，工作面附近圍巖壓力q(x)可簡(jiǎn)化為均布荷載q0，由此可得管棚各段控制方程。

1.2 管棚撓度和內(nèi)力計(jì)算

文獻(xiàn)[14]提出了淺埋暗挖隧道中管棚雙參數(shù)受力模型的計(jì)算方法，本文采用其計(jì)算方法針對(duì)淺埋大跨黃土隧道管棚受力機(jī)制進(jìn)行受力分析，對(duì)各段引入邊界條件，最終得到雙參數(shù)地基模型管棚的轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力計(jì)算結(jié)果。根據(jù)A，B，C端的邊界條件及3個(gè)控制微分方程[14]，可組成如下方程組。

(3)

式中，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4為待定系數(shù)；a35、a36、a45、a46、a55、a56、a65、a66、ψ1—ψ4為已知函數(shù)，其表達(dá)式分別如下：

a35=-eαscos(βs)

(4)

a36=-eαssin(βs)

(5)

a45=-eαs[-βsin(βs)-αcos(βs)]

(6)

a46=-eαs[-βcos(βs)-αsin(βs)]

(7)

a55=-eαs[2αβsin(βs)+(α2-β2)cos(βs)]

(8)

a56=-eαs[-2αβcos(βs)+(α2-β2)sin(βs)]

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

由邊界條件可求出全部待定系數(shù)B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4，將其代入控微分方程中，即可得到管棚各段撓度方程ωi，代入下式中可分別計(jì)算管棚的轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力[12]：

(17)

此外，根據(jù)對(duì)梁?jiǎn)卧哪M[12]，可推出鋼管管內(nèi)壁縱向應(yīng)變計(jì)算公式為：

(18)

式中，D為管棚外直徑；δ為鋼管厚度。

2 實(shí)例分析

本文選取某地區(qū)的市政隧道為上下行雙洞6車(chē)道隧道，左線隧道長(zhǎng)670 m，右線隧道長(zhǎng)720 m。其中隧道出口端左線163 m(ZK10+765 m～+928 m)和右線177 m( YK10+800 m～+977 m)下穿機(jī)荷高速公路荷坳收費(fèi)站區(qū)域，隧道中線與高速公路呈45°～58°夾角斜交，中心線間距約為43.5 m，隧道埋深6～8 m，暗洞口位于公路邊坡上，埋深2～3 m。隧道最大開(kāi)挖寬度約16 m，最大開(kāi)挖高度約12 m，覆跨比(H/D)為0.43。一般認(rèn)為當(dāng)隧道覆跨比(H/D)小于0.6時(shí)為超淺埋隧道。隧道與機(jī)荷高速公路位置關(guān)系如圖3所示。隧道出口端全貌如圖4所示。

圖3 隧道和高速公路位置關(guān)系Fig.3 Location relationship between tunnel and expressway

圖4 隧道出口端地貌Fig.4 Environment around tunnel exit

下穿段隧道圍巖主要為高速公路回填路基土質(zhì)，隧底為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。由于下穿段進(jìn)口端與山體之間40 m范圍內(nèi)土體主要為極其松散的建筑垃圾，加之地下水位較高，受雨季降雨影響，隧道內(nèi)滲水較嚴(yán)重，隧道防坍和路面防沉降是工程控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。下穿段隧道采用φ159 mm大管棚和φ42 mm小導(dǎo)管注漿超前預(yù)支護(hù)，初期支護(hù)格柵拱架采用主筋為4根φ28 mm的鋼筋，鎖腳錨桿為4根φ25 mm的砂漿錨桿，長(zhǎng)度為4 m。隧道排水采用50 mm環(huán)向透水盲管和100 PVC縱向排水盲管匯集于隧道排水溝集中排水。

隧道橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。隧道從出口端掘進(jìn)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，按照地面交通疏解方案，封閉一段，完成一段，恢復(fù)一段。

圖5 管棚布置Fig.5 Layout of pipe-roof

根據(jù)隧道的工程特性，①圍巖參數(shù)：圍巖基層系數(shù)k=3.5×104kN/m3，圍巖剪切模量Gp=2.5×106Pa，容重γ=18.75 kN/m3，內(nèi)摩擦角= 26.1°；②管棚參數(shù)：管棚的彈性模量E=210 GPa，梁寬度與管棚直徑相等，b=d0=159 mm，管棚間距b′= 0.4 m；③隧道參數(shù)：試驗(yàn)段隧道埋深H=24 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，中導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖高度h=7 m，循環(huán)進(jìn)尺s=0.8 m。以已開(kāi)挖且初支護(hù)施作完畢端作為0點(diǎn)，計(jì)算范圍取x=0～20 m，且給0點(diǎn)端附上初始豎向位移ω0=50 mm、初始轉(zhuǎn)角θ=1°，雖然隧道初期支護(hù)按承擔(dān)圍巖全部荷載設(shè)計(jì)，而模型建立時(shí)僅考慮中導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖，故計(jì)算時(shí)按承受一半荷載考慮。通過(guò)Matlab仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，所得管棚形變曲線如圖6所示。

圖6 管棚縱向形變曲線Fig.6 Longitudinal strain curves of pipe-roof

利用計(jì)算模型分析試驗(yàn)段管棚受力機(jī)制，為保證隧道成功下穿，優(yōu)化管棚工法及施工方案，具體方案為：提高管棚剛度，采用雙層φ159 mm 大管棚超前預(yù)支護(hù)，同時(shí)減小開(kāi)挖面積，側(cè)導(dǎo)多臺(tái)階開(kāi)挖，將開(kāi)挖進(jìn)尺縮減到0.6 m，開(kāi)挖高度縮減為最高5 m。采用施工優(yōu)化方案后，地表沉降得到了有效控制。下穿段地表每隔5 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面包含隧道左導(dǎo)、中導(dǎo)、右導(dǎo)對(duì)應(yīng)的地表測(cè)點(diǎn)及1個(gè)隔離帶測(cè)點(diǎn)。直至隧道順利貫通，測(cè)點(diǎn)的地表沉降最大值為56 mm，原因在于下穿段施工施作雙層管棚，處于正上方DK298+885 m處地表沉降累積值較大，沉降最大的測(cè)點(diǎn)距隧道全斷面封閉距離為20 m，并且收斂較快，在開(kāi)挖后2倍開(kāi)挖跨度距離處收斂穩(wěn)定，不會(huì)再發(fā)生較大的變化，滿足行車(chē)要求。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)入下穿高速公路前的管棚縱聯(lián)方向上的形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，得出以下結(jié)論。

(1)黃土隧道施工過(guò)程中管棚作用效果較明顯，工作面前方大約15 m處管棚開(kāi)始受力，工作面過(guò)后大約15 m 處管棚的受力趨于穩(wěn)定，隧道開(kāi)挖縱向影響范圍約為1倍開(kāi)挖跨度；管棚的縱向變形總體上呈凹槽形分布，當(dāng)隧道工作面處于已開(kāi)挖但未施作初期支護(hù)狀態(tài)時(shí)，管棚處于最不利受力位置，此時(shí)管棚受力最大。

(2)當(dāng)隧道開(kāi)挖且初期支護(hù)施作以后，管棚應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率出現(xiàn)明顯減小且出現(xiàn)小范圍回彈，此時(shí)管棚和初期支護(hù)形成了有效的棚架體系，使得管棚及圍巖受力均處于彈性范圍內(nèi)，保證了隧道的安全施工；當(dāng)初期支護(hù)施作一段時(shí)間后，各管棚應(yīng)變基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明管棚與初支形成的棚架體系有效的保護(hù)了隧道圍巖的穩(wěn)定。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用雙參數(shù)彈性地基梁模型分析黃土隧道中長(zhǎng)大管棚的受力機(jī)制是可行的，計(jì)算所得管棚變形值以及變化規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。該計(jì)算模型可以用來(lái)評(píng)估拱頂?shù)某两导肮芘锏氖芰Γ瑸楣芘锕し八淼朗┕さ膬?yōu)化提供參考。