超浅埋隧道下穿高速公路分级控制基准分析

黄林祥

(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)

0 引言

目前,隧道下穿高速公路的路基沉降控制标准确定主要依据专家经验,控制标准越来越高,甚至有的控制标准为零沉降.虽然提高标准对高速公路路基稳定和运营安全有利,但同时提高了设计、施工技术难度和工程成本.赵琳等以重庆铁路枢纽东环线新白杨湾下穿高速公路超浅埋隧道工程为依托,结合规范和其它工程,得出了本工程路面沉降控制在20 mm以内的结论[1].昝永奇等以深圳求水山隧道下穿机荷高速公路收费站为工程背景,运用Flac3D软件对施工过程进行沉降分析,提出了超浅埋隧道在下穿富水软土地层条件下将拱顶下沉控制在45.6 mm左右、地面沉降控制在184 mm左右的建议[2].何知思等依托于李家圪卜1号隧道浅埋下穿城大高速公路工程,基于相关规范和类似工程,将黄土隧道下穿高速公路的沉降控制基准定在50 mm[3].胖涛等以贵广铁路四寨二号隧道下穿厦蓉高速公路瑞坡隧道为例,结合理论分析、数值模拟和现场监测的方法,以既有隧道的安全为保证来确定沉降控制标准[4].LAI Hongpeng等结合了数值模和拟现场监测的方法研究了小角度情况下斜交盾构隧道穿越既有隧道时沉降槽的宽度变化规律[5].国内对于隧道下穿工程地表沉降预测多运用Peck公式,也有学者在研究时结合了模型试验,但对公路平整度涉及较少

本文结合Peck沉降理论和对公路平整度的要求,并考虑了维修不平整度、公路修筑使用年限和地质条件,得到了适用于新鼓山隧道下穿高速公路的沉降分级控制基准.

1 工程概况

新鼓山隧道隧址位于福州市鼓山风景区,隧道进口段在DK5+170～310里程下穿机场高速及三环公路,隧道与既有道路角度为49°,交叉段长约130 m,穿越段埋深浅,上覆土厚仅4.1～4.9 m,属超浅埋隧道,隧道下穿段地形如图1所示.进口穿越地层为全风化花岗闪长岩,岩性较差，为V级围岩,下穿段地下水系不发育,地下水主要分布为孔隙潜水.既有公路为浅路堑,公路路基为0～3 m厚人工填土.下穿道路宽约77.5 m,其中机场高速路32.5 m,三环路左右线共27 m,附属结构包括绿化带、人行道，宽约18 m,如图1所示.道路断面布置如图2所示.

图1 新鼓山隧道下穿段地形

图2 既有道路断面布置(单位：cm)

2 下穿引起路基变形规律分析

2.1 交通荷载模拟和下穿模型建立

Hyodo等通过卡车在道路行驶试验,发现同一深度竖向土压力可以用半波正弦来表示[6].叶斌等采用半波正弦荷载模拟交通动荷载作用,分析了路基的动态响应关系[7].由此将交通荷载简化为半波正弦动荷载,荷载示意如图3所示.

图3 交通动荷载示意

p(t)=pmaxsin(ωt),

(1)

式中:Pmax为动荷载峰值;ω为荷载圆频率.

隧道下穿高速公路段建立的三维模型尺寸为130 m×120 m×45 m(X×Y×Z),隧道埋深取最小覆土厚度4.1 m,土层、路基采用摩尔-库伦模型,衬砌支护采用弹性本构模型,开挖采用空模型,最后建立模型如图4所示.数值模拟所需地层以及隧道结构材料参数如表1所示.

图4 模型及网格划分

表1 材料参数

2.2 交通荷载作用下路面沉降分析

为分析路基横向动态响应规律,取路基表面右半幅,沿路基中轴线每隔3 m依次布置4个监测点.如图5所示.为分析动荷载作用向下部地层传递规律,从路基表面向下设置3个监测点,如图6所示.

图5 路基表面监测点布置(单位：m)

图6 地层监测点布置(单位：m)

在数值模拟计算完成以后,提取路基表面中线横向各数值模拟监测点位移数据绘制沉降曲线，如图7所示.

图7 路基沉降曲线对比

隧道施工造成路基沉降曲线出现沉降槽趋势,与Peck沉降槽曲线相似,数值模拟得到新鼓山隧道下穿公路地表沉降槽宽度系数i为9 m左右.对比有无交通荷载作用时路基沉降,静力开挖造成路基最大沉降值44.2 mm,交通荷载作用以后最大沉降为63.1 mm,增量达到18.9 mm,交通荷载对路基沉降的影响是非常明显的.

3 下穿引起路面沉降控制基准分析

3.1 路面不均匀沉降分析

下穿工程难免会造成地表和地层的纵向沉降和横向沉降,根据下穿段风险评估的最终结果,该下穿隧道施工会引起地层-路基-路面体系的沉降.据《公路工程技术标准》(JCT B01—2014),路基路面变形引起的路面横坡、纵坡和平整度的改变不应超出该标准.此外,依据Peck沉降理论还需满足地层结构的稳定性.

1) 路基路面变形的要求.

① 对横坡的影响.横坡的变化主要是因为地层和地表横向沉降所引起的,根据《公路工程技术标准》(JCT B01—2014)的要求,要保证横向沉降的坡差不超过1%.

② 对纵坡的影响.路基竖向沉降会使纵坡标准下降,为使公路等级不下降,工程修建中必须要保证小于1%的纵坡变化,而对于高等级公路还必须要进行安全评价.

③ 对平整度的影响.平整度直接反映了车辆行驶的舒适度及路面的安全性和使用期限.平整度是对路面平整性做出的评价,是路面施工完工之后验收的重要指标,通过测量线路纵向相对高差获得,由此可见平整度是评定路面质量的主要技术指标.

根据《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1—2012)和《公路养护技术规范》(JTG H10—2009)等相关规范,路面平整度测定通常采用平整度仪,而采用3 m直尺时,一般以直尺与面层的最大间隙作为标准.不同级别公路平整度判别标准如表2所示.

表2 平整度判别标准

2) 地层结构稳定性的要求.

在地层沉降变形的分析中,1969年Peck利用实测数据拟合出的地下开挖引起地表横向沉降的经验公式被广泛应用.如图8所示,在横向沉降槽曲线的拐点处曲线的斜率最大,即在拐点处的剪应变最大,此拐点成为保证地层稳定的控制点.

图8 地层横向沉降槽曲线

综上所述,路面横向变形的控制指标是地表横向沉降槽曲线拐点处的剪应变,路面纵向变形的控制指标是路面的平整度.

3.2 控制基准调研分析

查阅大量已完成的关于隧道下穿道路工程的资料,发现隧道下穿既有工程沉降变形控制基准大多是通过工程类比法或是直接采用我国地铁工程中的经验值30 mm,由于各个工程的具体情况不一样,这样确定的基准具有很大的盲目性.表3收集了部分已建成的隧道下穿道路的资料[8],可以看出关于隧道下穿道路沉降控制没有统一的标准,沉降控制标准一般控制在10～100 mm以内,主要可以按<30 mm,30～60 mm,>60 mm 3种情况来归类,这样能更加细化控制基准,从沉降基准的数值上分为小、中、大3种沉降基准.此基准也可以作为工程危险情况判断的参考依据.

表3 部分隧道下穿道路沉降控制基准比较

3.3 新鼓山隧道下穿沉降控制基准分析

鼓山新建福平铁路隧道在里程DK05+170～DK05+310进口段下穿机场高速公路,公路与铁路交叉角为49°,穿越段隧道顶覆土最小4.1m,隧道通过地层为V级围岩.在此环境条件下，下穿施工比较困难,必须要进行严格的沉降变形控制.

关于地表沉降,1969年Peck在通过大量计算和实测分析,首次提出地表沉降槽高斯分布公式,即Peck公式

S(x)=Smaxexp[-x2/2i2]，

(2)

式中:x为距隧道中线值;S(x)为地表沉降;Smax为最大沉降;i为沉降槽宽度系数.

沉降槽既会造成公路不均匀沉降,又会造成公路横向变坡,因此可以把沉降槽曲线斜率数值等同于公路变坡指数.沉降槽曲线斜率最大处在x=i处即沉降反弯点处,最大斜率为

0.61Smax/i.

(3)

按照平整度要求,沉降槽曲线斜率应小于等于平整度变坡指数[f],即

0.61Smax/i≤[f].

(4)

所以根据上式可以求得最大沉降量Smax为

(5)

前人研究主要是分析沉降槽宽度系数i与隧道埋深H、内摩擦角φ、隧道半径R的关系.大多是通过拟合方式得到宽度系数i的关系式.下面选取部分专家学者对于宽度系数i的研究进行分析:

1) 朱正国等通过数据模拟分析路面沉降规律,得到沉降槽宽度系数拟合结果为:单线隧道i=0.4639H+3.8448i=0.4174H+5.173,拟合相关系数R=0.95,双线隧道,相关系数R=0.99;可以看出i和H呈线性关系[9].

2) 璩继立等通过实测数据和数学拟合的方法,得到得到沉降槽宽度系数拟合结果为:i=4.35+7.29×10-9H8,相关系数R=0.9985;可以看出宽度系数i和埋深H的8次幂呈线性关系[10].

3) 张治国等通过计算和对比分析,得到沉降槽宽度系数修正拟合公式为:i=R+Htan(45°-φ/2),可以看出宽度系数i与隧道埋深H、内摩擦角φ、隧道半径R都有关系[11].

通过上述关于沉降槽宽度系数的研究,得到沉降槽宽度系数的计算式,将i带入到式(4)中,变坡指数[f]根据表2中规范值选取,便可以得到各等级公路最大允许沉降量即沉降变形控制基准计算式，如表4所示.

表4 i按不同方式取值时隧道下穿地表沉降控制基准

表5 新鼓山隧道下穿公路沉降控制基准 mm

通过表5可以得到4种不同方法计算出的沉降控制基准值,可以明显看出按文献[10]方法计算的沉降控制为18 mm,与其他3种方法相差最大,原因是璩继立在研究中主要分析地铁盾构单线隧道,得到的地表横向沉降槽宽度系数i偏小,导致最后沉降控制值较小,所以这种地铁盾构单线隧道的计算方法不适用于大跨山岭隧道下穿道路的计算.本文通过数值模拟和拟合计算得到沉降槽宽度系数,最后得到的沉降控制基准修正值为38 mm,与其他2种文献方法计算值较为接近.综合分析3种结果,为保证施工安全,取最小值即按文献[11]方法计算所得的值为基准值,最终得到新鼓山隧道下穿高速公路沉降控制基准值为30 mm，为中沉降控制基准.为方便管控和更好地保证施工安全,将该基准更加细化为3个等级,在控制值的基础上增加预警值和报警值.预警值是提醒准备采取措施的警示值,一般是控制值的60%;报警值是提醒需要采取一定措施的提示值,一般是控制值的80%.得到的基准值、预警值和报警值如表6所示.

表6 新鼓山隧道下穿公路沉降控制基准分级 mm

4 监控量测与控制基准对比分析

选取现场监测断面DK05+230,收集DB00、DB01、DB02、DB03、DB04 5个横向监测点所监测的沉降随时间变化的数据,其沉降时程曲线如图9所示.

图9 DK05+230断面现场监测地表沉降时程曲线

由图9可以看出：隧道开挖初期沉降变形较缓,随后沉降速率增加,最后缓慢增加达到稳定状态；其中DB00监测点为隧道轴线上方路基监测点,其达到最终的稳定沉降值为29.93 mm；5个监测点达到稳定后的沉降量都小于最终得到的新鼓山隧道下穿高速公路沉降控制基准值30 mm.

选取DK05+230断面地表横向沉降监测点DB00、DB01、DB02、DB03、DB04监测结果，拟合出沉降曲线和计算沉降控制基准值的对比曲线如图10所示.

图10 现场监测与沉降控制基准值地表横向沉降对比

由图10可知,由于现场监测地表沉降1个断面只有5个监测点,所以监测范围在隧道轴线左右各10 m的范围,地表横向沉降实测的最大值小于计算所得的沉降控制基准值30 mm,但比预警值24 mm稍大.由此可见,利用公路平整度并结合Peck公式推导得出的浅埋隧道下穿高速公路路面沉降基准在实际工程中是可行的,其计算方法可为不同工况下的具体工程提供依据.

5 结论

1) 从规范的角度出发,路面横向变形的控制指标是地表横向沉降槽曲线拐点处的剪应变,路面纵向变形的控制指标是路面的平整度.

2) 在数值模拟获得沉降槽宽度系数i的基础上,结合公路平整度和peck公式,并考虑了维修不平整度、公路修筑使用年限和地质条件,计算新鼓山隧道下穿公路的最大允许沉降量,并与前人研究的3种方法进行对比分析,获得最佳沉降控制基准为30 mm.

3) 通过现场监测数据拟合的沉降曲线与最佳沉降控制基准值对比分析,验证了该计算浅埋隧道下穿高速公路最佳沉降控制基准方法的可行性,该计算方法可运用于类似工程.