复杂环境下浅埋隧道下穿高速公路结构安全性研究

徐先达， 张雨昊

(中铁上海工程局集团华海工程有限公司，上海201101)

随着国民经济的快速增长，公路铁路等交通建设事业迅猛发展，铁路与公路的相互影响也越发频繁。当前越来越多的铁路建设工程利用下穿隧道的方式来尽可能的减小铁路、公路之间的影响，通过大量的工程实践可知，高速铁路下穿隧道一般埋深较浅，上覆土的工程地质条件较差，在隧道的施作中容易对围岩的平衡造成破坏，导致地表沉降较大从而影响高速公路的运营安全以及周边建(构)筑物的安全。

雷亚峰[1]以深圳市红棉路浅埋下穿隧道为研究对象，通过数值模拟以及现场监控量测的方法提出了“水平导向”和“潜孔锤”并结合超长管棚的施工工法。曹成勇[2]则通过数值模拟结合现场测试的方法得到了隧道衬砌的应力以及围岩变形的动态变化规律，提出了相应的支护措施。李强[3]以某高速铁路下穿高速公路为背景，在不影响上方高速公路通车的前提下，提出了超浅埋隧道下穿高速公路的盖挖法修建技术。昝永奇[4]以深圳求水山隧道下穿机荷高速公路收费站工程为研究背景，提出了双侧壁导坑微台阶施工工法，成果解决了该工程变形沉降大的问题。赵琳[5]通过对重庆新白杨湾下穿高速公路隧道工程为依托，采用数值模拟的方法对台阶法、CD法及CRD法这三种施工工法做对比，研究发现在控制围岩变形、围岩塑性区分布区域以及路面沉降方面来看，台阶法都比其他两种施工工法好。但每个工程的特点不同，围岩条件也不同，采取的施工方法也不能完全照搬。赵纪平[6]则以温福铁路上笔架山隧道工程为研究背景，该隧道既下穿国道又下穿高速铁路，埋深极浅，围岩也较为软弱，通过对施工工法以及施工方案的不断比选，最终采用了优化后的CRD法进行开挖以及支护。晋学辉[7]以新鼓山隧道下穿机场高速公路工程为研究背景，提出了“双侧壁导坑开挖+超前大管棚超前支护”施工工法，适合工程地质较差的浅埋隧道支护手段。刘松涛[8]以石头岗隧道下穿衡昆高速公路工程为研究背景，通过研究发现上部中隔墙法比较适合上软下硬的地层中隧道的修建。张向东[9]则通过三轴试验结合数值分析的方法对隧道下穿引起既有高速公路沉降规律进行研究。

通过以上调研可以发现，已有很多学者对浅埋隧道下穿高速公路的施工工法做了大量的研究，也得出了相对应的经验与结论，但每个工程的特点不同，应当因地制宜地根据工程的具体特点采取不用的施工工法。但少有学者针对高速公路超载的情况，对隧道结构进行安全分析，大多为隧道施工方面的研究。因此，本文基于霞美村隧道下穿泉州绕城高速公路工程，考虑上方高速公路不同的超载情况，对隧道的支护结构以及围岩变形等展开相应的研究，得到工程结论以及施工经验。

1 工程概况

1.1 工程背景

霞美村隧道里程DK145+511～DK146+483，全长972 m，出口终点里程为DK146+483；出口隧线明暗分界里程为DK146+464，隧道于DK146+405.8～DK146+447.3里程范围内下穿泉州绕城高速公路。交叉夹角为51 °，高速公路与霞美村隧道交点轨面高程为35.06 m，交叉段位于霞美村隧道出口附近，该段高速公路路面中心标高为49.97～50.97 m，隧道埋深为4.7～5.75 m。

隧道出口周边大部分为毛石结构民宅，东南面最近处距离毛石结构民宅55 m，西面最近处距离毛石结构民宅30 m，禁止爆破开挖，经参建四方对现场踏勘和研究，现采用静态开挖的替代爆破方案挖除石方(图1)。

图1 霞美村隧道出口下穿既有高速公路平面关系

1.2 工程地质及水文地质条件

隧道出口段为出露燕山晚期第三次侵入花岗岩{γ53b}，全～弱风化，埋深较浅，岩体较破碎，节理裂隙较发育，自稳性差，工程地质条件差，其围岩级别为V级，洞口稳定性差。出口坡面分布有风化残余孤石，块径2～5 m，自稳能力较差，地层施工工程等级及力学参数如表1所示。

隧道区地下水类型为全风化层孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水，受大气降水及地表水补给，向低洼处排泄。由于山体切割强烈，沟谷纵横，地下水径流途径较短，受大气降雨影响较大。

表1 岩土层施工工程等级及力学参数建议值

1.3 隧道设计参数

霞美村隧道对既有高速进行临时扩宽处理，渐变段里程K4+540～K4+790，采用“半幅双向通车，半幅封闭施工”的方案；隧道采用双层初期支护，第一层初期支护钢架采用HW175型钢，第二层初期支护钢架采用I20a，间距皆为0.6 m，如图2所示；待隧道下穿既有高速公路段双层初期支护封闭成环并达到设计强度要求后，恢复既有高速公路交通，DK146+384～DK146+464下穿高速公路段采用三台阶法施工。

图2 霞美村隧道支护参数

2 模型建立

针对于霞美村隧道浅埋下穿高速公路结构安全性问题，采用二维计算方法对隧道受力最大的断面进行有限元分析和初支结构安全性检算。采用FLAC3D计算分析软件，考虑高速公路通车后不同超载情况下，对隧道初期支护变形和受力以及围岩变形进行分析。

2.1 计算模型

根据工程经验和理论分析，隧道开挖影响范围为3～5D,D为洞径。本次所取的计算范围为 150 m×50 m，计算模型如图3所示。

图3 计算模型

2.2 计算参数

在数值计算中，假设围岩为理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服准则，初期支护为弹性材料，模型均采用实体单元。本文模型参数如表2所示[10-11]。高速公路荷载转换为均布荷载施加在隧道上方，车辆荷载选用公路-Ⅰ级最大载重550 kN[12]，均布荷载为14.67 kN/m。

表2 物理力学参数表

2.3 计算工况

考虑四种不同的荷载工况，工况一的荷载为高速公路规定的最大荷载；工况二的荷载为考虑超载50 %的情况；工况三的荷载为考虑超载100 %的情况；工况四的荷载为路面荷载为150 t，汇总如表3所示。

表3 计算工况 kN/m

3 计算结果

3.1 路面荷载为最大载重(550 kN)

3.1.1 围岩位移分析

图4是隧道上方高速公路满载时围岩的位移云图。由图可知，最大沉降位置发生在隧道中线处的地表上，最大沉降值为0.8 mm。

3.1.2 初期支护应力及位移分析

由图5可知，隧道双层初期支护最小主应力的最大值为-3.069 MPa，位于拱腰处；最大主应力的最大值为-0.385 MPa，位于拱脚处外侧，远小于材料的屈服应力。

(a)围岩水平位移

(b)围岩竖向位移

(c)围岩总体位移图4 围岩位移(单位:m)

(a)初期支护最小主应力

(b)初期支护最大主应力图5 初期支护最大最小应力(单位:Pa)

图6是初期支护的竖向及水平位移，最大竖向位移为0.559 mm，位于拱顶处；最大水平位移为0.158 mm，位于拱腰处。

3.2 路面荷载为最大载重的1.5倍(825 kN)

3.2.1 围岩位移分析

图7是隧道上方高速公路考虑50 %超载时围岩的位移云图。由图可知，最大沉降位置发生在隧道中线处的地表上，最大沉降值为1.24 mm。

(a)初期支护竖向位移

(b)初期支护水平位移图6 初期支护位移(单位:m)

(a)围岩水平位移

(b)围岩竖向位移

(c)围岩整体位移图7 围岩位移(单位:m)

3.2.2 初期支护应力及位移分析

由图8可知，隧道双层初期支护最小主应力的最大值为-3.1 MPa，位于拱腰处；最大主应力的最大值为-0.388 MPa，位于拱脚处外侧，远小于材料的屈服应力。

图9是初期支护的竖向及水平位移，最大竖向位移为0.872 mm，位于拱顶处；最大水平位移为0.241 mm，位于拱腰处。

3.3 路面荷载为最大载重的2倍(1 100 kN)

3.3.1 围岩位移分析

图10是隧道上方高速公路考虑100 %超载时的位移云图。由图可知，最大沉降位置发生在隧道中线处的地表上，最大沉降值为1.672 mm。

(a)初期支护最小主应力

(b)初期支护最大主应力图8 初期支护最大最小主应力(单位:Pa)

(a)初期支护竖向位移

(b)初期支护水平位移图9 初期支护位移(单位:m)

3.3.2 初期支护应力及位移分析

(a) 围岩水平位移

(b)围岩竖向位移

(c)围岩整体位移图10 围岩位移(单位:m)

(a)衬砌最小主应力

(b)衬砌最大主应力图11 衬砌最大最小主应力(单位:Pa)

(a)衬砌水平位移

(b)衬砌竖向位移图12 衬砌位移(单位:m)

由图11可知，隧道双层初期支护最小主应力的最大值为-3.13 MPa，位于拱腰处；最大主应力的最大值为-0.391 MPa，位于拱脚处外侧，远小于材料的屈服应力。

图12是初期支护的竖向及水平位移，最大竖向位移为1.187 mm，位于拱顶处；最大水平位移为0.324 mm，位于拱腰处。

3.4 路面荷载为1 500 kN

3.4.1 围岩位移分析

图13是隧道上方高速公路荷载为1 500 kN时的位移云图。由图可知，最大沉降位置发生在隧道中线处的地表上，最大沉降值为2.31 mm。

(a) 围岩水平位移

(b)围岩竖向位移

(c)围岩整体位移图13 围岩位移(单位:m)

(a)衬砌最小主应力

(b)衬砌最小主应力图14 衬砌最大最小主应力(单位:Pa)

3.4.2 初期支护应力及位移分析

由图14可知，隧道双层初期支护最小主应力的最大值为-3.18 MPa，位于拱腰处；最大主应力的最大值为-0.393 MPa，位于拱脚处外侧，远小于材料的屈服应力。

图15是初期支护的竖向及水平位移，最大竖向位移为1.662 mm，位于拱顶处；最大水平位移为0.448 mm，位于拱腰处。

(a)衬砌水平位移

(b)衬砌竖向位移图15 衬砌位移(单位:m)

4 结论

通过FLAC3D建立的二维计算模型，基于高速公路不同超载情况，分析了隧道上方的地面沉降、双层初期支护的变形和受力。通过计算可得，在正常荷载情况下，路面沉降量最大值仅为0.8 mm；在超载50 %的工况下，路面的沉降量的最大值为1.24 mm；在超载100 %的工况下，路面的沉降量的最大值为1.672 mm，在路面荷载为1 500 kN时，路面的最大沉降值为2.31 mm，均满足最大沉降限制1 cm的要求。同时双层初期支护的变形和受力均较小，在材料的允许范围内，可以判定隧道结构处于安全状态。