覆土厚度對大跨度小凈距隧道穩定性影響研究★

李慶洲，劉 曉，楊金凱，郭仁亮

（1.民航機場智能建造與工業化工程技術研究中心，天津 300456；2.民航機場建設工程有限公司，天津 300456； 3.山東科技大學，山東 青島 266590）

隨著我國經濟的不斷發展，城市化進程不斷加快，人們對交通的需求日益增長，近些年我國公路里程在不斷增加。同時我國是一個多山地丘陵的國家，山嶺公路隧道的分布十分廣泛。隨著車流量的增大，公路隧道開挖的直徑不斷擴大，大跨度隧道工程［1-2］日益增長。小凈距隧道［3-4］可以更好控制開挖范圍，利于保護環境。但大跨度小凈距隧道自穩性較差，易發生圍巖大變形和地表沉降過大的問題，因此研究大跨度小凈距隧道變形規律有重要意義。

為研究大跨度小凈距隧道圍巖變形和地表沉降規律，許多優秀學者進行了一系列的模擬、試驗和現場數據分析。陳建勛等［5］分析了大跨度綠泥石片巖隧道大變形災害特征和機理，總結了隧道大變形災害綜合控制方法；陳培帥等［6］結合大變形段現場監測數據對圍巖變形及原因進行分析，并提出相應的控制措施及參數；張聚文等［7］對大跨度淺埋偏壓小間距隧道進行數值模擬，得出了隧道開挖支護施工過程中圍巖與支護體系的位移變形規律；朱苦竹等［8］研究了降雨對小凈距大跨度隧道開挖松動區的影響；侯瑞彬等［9］對大跨度小凈距隧道分別采用雙側壁導坑法、CRD法對不同施工工序下圍巖位移、應力進行對比分析；趙秀紹等［10］對淺覆大跨度小凈距隧道中巖墻及初支力學特性進行研究；種健等［11］通過數值模擬分析了隧道不同凈距對隧道圍巖應力、變形及塑性區分布的影響；顧洪源［12］通過數值模擬及理論分析，對斷面優化及其設計參數進行了深入研究；李建林等［13］利用有限元軟件模擬分析了不同施工方法下圍巖和支護結構的變形及力學特性；馮義［14］通過室內模型試驗研究了該類隧道近接時襯砌內力，洞周位移、接觸壓力隨凈距的變化規律；Yubing Huang等［15］研究了錨桿加固、巖石注漿、高強拱、混凝土襯砌等不同支護形式對圍巖變形破壞機理的影響；Daoping Liu［16］研究了淺埋大斷面黃土隧道采用不同超前支護形式的位移特征。

上述研究對大跨度小凈距隧道進行了多方面的探討，但是通過三維模型研究覆土厚度變化對大跨度小凈距隧道影響規律的文獻較少。因此，依托臨沂市蘭陵縣的三峰山隧道工程，通過有限元模擬軟件研究隧道上部覆土變化對隧道圍巖變形和地表沉降的影響規律，為實際工程提供一定的指導意義。

1 工程概況

三峰山公路隧道位于臨沂市蘭陵縣，進口位于現狀蘭陵路東側，沿現有蘭陵路走向徑直向東延伸，穿過三峰山。該隧道工程采用雙向六車道一級公路標準，設計速度為60 km/h。隧道左幅起訖樁號ZK0+610～ZK1+010，左幅全長400 m，右幅起訖樁號YK0+610～YK1+010，右幅全長400 m。本文選取K0+780～K0+840區間進行研究。

圖1 隧道縱斷面圖

隧道水文地質條件較簡單，隧道洞身出露地層為粉砂巖，該類地層裂隙發育；未揭露到地下水，補給來源主要為大氣降水下滲補給，多沿松散層與基巖接觸面滲出形式就近向河溝低洼段排泄。水量較貧乏，地下水對隧道施工影響不大。

隧道初期支護以噴、錨、網、鋼架等組成聯合支護體系，二次襯砌采用模注防水混凝土結構，初期支護與二次襯砌結構之間設防排水夾層。隧道典型襯砌斷面如圖2所示。

圖2 隧道典型襯砌斷面

2 數值計算模型的建立

2.1 計算模型尺寸確定

采用有限元軟件對三峰山隧道施工進行數值模擬，分析大跨度小直徑隧道的圍巖變形及地表沉降規律。模型一共分為四個部件，分別為土體、初襯、二襯、錨桿。隧道上部覆土厚度為23 m～33 m，同時為降低邊界效應的影響，模型高度取76 m～86 m；隧道開挖輪廓線寬度達21 m，同時為降低邊界效應的影響，模型橫向寬度取180 m；考慮實際工程中地層分布情況，模型縱向長度為60 m。初襯采用C25混凝土，厚度為30 cm。二襯采用C30鋼筋混凝土結構，拱部厚度為80 cm，側墻厚度為90 cm，仰拱厚度為70 cm。錨桿采用φ25 mm中空錨桿，長度為4.5 m。數值模擬模型如圖3所示。

圖3 數值模擬模型圖

2.2 計算模型參數及邊界條件確定

數值模擬模型中的土體采用摩爾庫侖本構模型，初襯、二襯和錨桿采用彈性本構模型。歸納總結地勘報告數據以及相關山嶺隧道工程經驗，確定了土體的參數。初襯、二襯和錨桿分別采用C25混凝土、C30混凝土和鋼材的力學參數。模型參數列于表1。

表1 地層和支護結構參數

模型中土體的前后兩面限制x方向的位移，左右兩面限制y方向上的位移，底面限制z方向的位移。

2.3 隧道開挖與支護過程

開挖①部、施作①部拱部初期支護、臨時支護；開挖②部，施作②部初期支護、臨時支護；開挖③部拱部初期支護、臨時支護；開挖④部，施作④部初期支護；最后拆除臨時支護，施作二襯。開挖步驟示意圖如圖4所示。

圖4 開挖步驟示意圖

2.4 計算模型監測點與監測線的選取

為更好研究大跨度小凈距隧道開挖引起的隧道變形和地表沉降規律，根據相關工程［17-18］經驗并按照施工規范對圍巖變形和地表沉降進行監測。隧道圍巖變形和地表沉降的監測面根據隧道圍巖等級、隧道斷面尺寸合理選取，每隔20 m設置一個監測面，分別在K0+790，K0+810，K0+830處設置三個監測面。

2.4.1 拱頂、拱肩與拱底沉降監測點布置

在初襯拱頂、拱底和拱頂兩側2 m，4 m處的拱肩共設置6個沉降監測點和6條監測線。監測點分別在K0+790，K0+810，K0+830三個監測面上；監測線區間為K0+790～K0+830。監測點和監測線的位置分布如圖5所示，1～4為拱肩監測點（線），5為拱頂監測點（線），6為拱底監測點（線）。

2.4.2 地表沉降監測點布置

隧道上部土體進行地表沉降監測，在K0+790，K0+810，K0+830三個監測面處沿兩隧道中心點設置橫向地表沉降監測線。同時監測兩隧道中心線、左幅隧道中心線、右幅隧道中心線對應的縱向地表沉降。地表沉降監測線如圖6所示。

圖5監測點(線)位置示意圖

圖6 地表沉降監測線位置示意圖

3 數值計算結果分析

3.1 拱頂、拱肩圍巖變形分析

對于大跨度小凈距隧道的開挖，圍巖和襯砌易發生大變形甚至出現塌方的危險，因此研究拱頂和拱肩的變形規律是十分必要的，總結出拱頂和拱肩隨著隧道上部覆土改變而產生的變化，著重對危險區域進行監測和加固，從而有效應對實際施工中面臨的問題。

K0+790～K0+830區間左幅隧道拱頂和拱肩沉降曲線如圖7所示。其中在K0+790～K0+800和K0+820～K0+830區間拱頂和拱肩沉降增長迅速，在K0+800～K0+830區間拱頂和拱肩沉降增長較緩慢。盡管沉降趨勢有所不同，但在K0+790～K0+830區間隨著覆土厚度的增大，拱頂和拱肩沉降整體上不斷增大。5條監測線沉降值的極差分別為11.0 mm，11.3 mm，11.5 mm，11.6 mm，沉降值的標準差分別為3.0，3.1，3.2，3.2。通過上述分析可知，本工程隧道上部覆土厚度變化對拱頂和拱肩的沉降有著明顯的影響。

圖7 左幅隧道拱頂和拱肩沉降曲線

對比圖7中監測線1～5數據可知，在開挖里程相同的情況下，拱頂（監測點1）沉降值最大，距離拱頂越遠的拱肩沉降越小。由于受到右幅隧道的影響，左幅隧道右側拱肩（監測點2）沉降值略大于與之對稱的左側拱肩（監測點1）沉降值。

3.2 拱底變形分析

對于大跨度小凈距隧道的開挖，圍巖及襯砌易發生底鼓現象，影響道路的平整性，因此研究拱底變形規律同樣尤為重要。通過變形規律分析，預測危險區域并著重對其監測和修整，更好地指導工程實際。

在K0+790～K0+830區間，左幅隧道拱底位移曲線如圖8所示。左幅隧道底鼓值約為36 mm，右幅隧道底鼓值約為42 mm，右幅隧道晚于左幅隧道開挖，因此左幅隧道底鼓值整體低于右幅隧道底鼓值。隨著隧道上部覆土厚度的增加，左幅和右幅隧道拱底位移值先增加然后降低最后再增加。左幅和右幅隧道底鼓極差值分別為1.7 mm，1.1 mm，底鼓值標準差分別為0.6，0.3，上述數據說明本工程隧道上部覆土厚度的變化對于隧道底鼓影響不顯著。

圖8 左幅隧道拱底位移曲線

3.3 地表沉降分析

K0+780，K0+800，K0+820三個監測面處的地表橫向沉降曲線如圖9所示。隧道上部覆土厚度為23 m～33 m，隧道埋深較大，三條地表監測線沉降槽呈典型的U型。K0+790，K0+810，K0+830處地表沉降最大值分別為40 mm，37 mm，33 mm，最大沉降值均出現在兩隧道中心線上。三條沉降曲線的反彎點出現在兩隧道中心線兩側40 m左右。

圖9 地表橫向沉降曲線

兩隧道中心線、左幅隧道中心線和右幅隧道中心線對應在地表縱向沉降曲線如圖10所示。兩隧道中心線對應的地表沉降明顯大于其他二者，右幅隧道中心線地表沉降略大于左幅隧道中心線地表沉降。地表沉降在K0+780～K0+840區間整體呈增大趨勢，在K0+780～K0+790區間下降趨勢較緩和，在K0+790～K0+830區間下降趨勢較激烈，在K0+830～K0+840區段呈緩和上升趨勢。3條監測線地表沉降極差值分別為6.3 mm，5.1 mm，4.7 mm，地表沉降標準差分別為2.3，1.8，1.7。上述數據說明本工程隧道上部覆土厚度的變化對于隧道底鼓影響比較顯著。

圖10 地表縱向沉降曲線

4 數值計算結果與現場數據對比分析

現場數據作為數值模擬結果的驗證方式，同時作為確保施工安全及結構的長期穩定性的重要手段，分析現場監測數據是不可或缺的一部分。現場監測數據主要為拱頂和拱肩沉降值，監測點的布置和數值模擬的監測點相同；監測儀器采用精密水準儀和收斂計銦鋼尺。監測面位于K0+790，K0+810，K0+830，數值計算與現場監測對應的拱頂與拱肩沉降值列于表2。

表2 拱底與拱肩沉降值

通過表2數據可知，數值模擬中監測點1～5的沉降值都略大于現場監測中監測點1～5的沉降值，但二者的沉降值相差不大，保證了數值模擬數據是合理且準確的。同一個里程下監測點1～5沉降值依次增大，拱頂處出現最大沉降值，距離拱頂越遠的拱肩沉降越小；拱頂和拱肩沉降值隨著里程的增加（隧道上部覆土厚度的增加）不斷增大。現場監測數據與數值模擬結果相輔相成，印證了上述規律的合理性。

5 結論

以蘭陵縣三峰山公路隧道為工程背景，通過有限元軟件計算結果和現場數據結合，研究隧道上部覆土厚度變化對大跨度小凈距公路隧道圍巖變形和地表沉降的影響規律，得到了以下結論：

1）隨著開挖里程的增加，隧道上部覆土厚度不斷增大，拱頂和拱肩的沉降也隨之增大；拱頂沉降值最大，距離拱頂越遠的拱肩沉降越小；拱頂和拱肩沿開挖方向沉降值的極差和均方差較大，說明上部覆土厚度變化對拱頂和拱肩沉降存在顯著影響。

2）隨著隧道上部覆土厚度不斷增大，拱底沉降值先增大然后減小最后再增大；拱底沿開挖方向沉降值的極差和均方差較小，說明上部覆土厚度變化對拱底變形的影響程度較低。

3）地表橫向沉降曲線均為U型沉降曲線，最大值出現在兩隧道中心線處。隨著隧道上部覆土厚度增大，地表縱向沉降曲線整體呈下降趨勢；地表沿開挖方向沉降值的極差和均方差較大，說明上部覆土厚度變化對地表沉降存在顯著影響。

4）研究隧道上部覆土厚度變化對圍巖變形和地表沉降影響規律，在實際工程中根據覆土厚度變化，適當改變監測范圍并及時進行加固措施，可以有效避免因覆土厚度變化引起的圍巖大變形和地表沉降過大問題。