大断面浅埋隧道下穿高速公路变形分析

2021-08-28杨钊

运输经理世界 2021年12期

文/杨钊

1 工程概况

泉州台商投资区泉东大道为东西走向，位于滨湖南路（原通港路）以南，规划海湾大道以北，是台商投资区“五横五纵”路网规划中的重要一横，是台商区中心城区内的一条重要通道，也是台商投资区内部城市道路交通主骨架的重要组成部分；同时，它还具有对外交通的功能，是泉州台商投资区连接东海的交通性主干道。本项目西起南北大道，东至杏秀路，路线长度约2.8km，设计时速60km/h，为双向八车道，在鹰高山设置4 座隧道，其中车行隧道左线长980m，车行隧道右线长960m，人行隧道左线长1040m，人行隧道右线长960m[1]。

本项目下穿段位于泉州环城三期（泉州湾跨海通道），起于晋江新塘街道南塘村新塘互通，与环城高速公路二期相连，从石狮蚶江跨越泉州湾，经惠安秀涂、张坂，终于惠安锦水枢纽互通（与环城高速公路一期相接），全长约28.73km（跨海大桥长约12.92km，连接线长约15.81km），设计行车速度100km/h。沿线设蚶江、秀涂、张坂等3 处互通，大桥宽41m，双向八车道，路基宽33.5m，双向六车道。2009年底开工建设，2015年建成通车。下穿段高速公路竣工图桩号K34+550～K34+650（高速公路运营桩号为K43+100～K43+200）。

鹰高山车行隧道左线与环城高速平面交角约52°，相交处隧道路面标高27.01m，环城高速路面标高约46.13m，隧道结构顶距离环城高速路面最小距离约9.11m。车行隧道右线与环城高速平面交角约44°，相交处隧道路面标高27.54m，环城高速路面标高约45.71m，隧道结构顶距离环城高速路面距离最小约8.19m。同理，人行隧道左线距环城高速路面的距离为14.03m，人行隧道右线距环城高速的距离为11.41m。

鹰高山车行隧道开挖跨度19.92m，开挖高度13.26m，开挖面积213.5m2，采用双初支+单二衬的支护形式，其中第一层初期支护厚28cm，并采用I22b@500m 的工字钢架进行加强；第二层初期支护厚30cm，采用Φ25@500mm 的格栅钢架进行加强；二次衬砌采用70cm 厚模筑混凝土；超前支护采用Φ89 超前短管棚，环向间距40cm，纵向间距8m，长度10m，每两循环搭接2m；施工采用双侧壁导坑法施工。鹰高山人行隧道开挖跨度8.44m，开挖高度7.69m，开挖面积52.65m2，采用22cm 厚C25 喷射混凝土+Φ 22@1000×500mm 砂浆锚杆进行支护；二衬采用45cm 厚C35 模筑混凝土；超前支护采用双层超前小导管，环向间距40cm，纵向间距3m，长度4.5m，每两循环搭接1.5m；施工采用台阶法。

2 工程地质条件

根据勘察资料，隧道下穿泉州环城高速段属低山剥蚀丘陵与冲洪积沟谷相间地貌，地势起伏较大，呈“凸”形。地面植被发育，下穿泉州环城高速为深挖路堑，地层主要为中风化花岗岩、微风化花岗岩，局部有孤石，地层岩石矿物成分以长石、石英为主且有部分云母及少量暗色矿物，岩体较完整，强度较高。岩石坚硬程度分类属较硬岩，岩体完整程度为较破碎-较完整，地层物理力学参数如表1 所示。

表1 地层的物理力学参数

地下水主要为松散岩类孔隙水及风化岩层内的岩石裂隙水，地表水主要为山间水沟。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

本次计算采用三维有限元模型，在保证计算精度的条件下为使计算快捷，将模型适当简化，根据工程经验和理论分析，所取分析范围为280m×90×50m（长×宽×高）。由于左线人行隧道与车行隧道和右线人行隧道与车行隧道的净距一致，且沿高速公路方向地质情况较均匀，故可取一半进行轴对称建模进行计算，模型如图1 所示[2]。

图1 三维有限元模型

将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料。本构模型采用M-C 弹塑性模型。土体采用三维实体单元，隧道初支与二衬采用板单元，混凝土采用线弹性模型，锚杆采用植入式桁架单位，土与结构单元的相互单元采用界面单元进行模拟。

模型的左右及前后边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面为自由边界。

3.2 施工过程模拟

车行隧道施工采用双侧壁导坑法施工，人行隧道施工采用上下台阶法施工。每个导坑每循环进尺不得大于2 榀钢架间距，台阶长度控制在3～5m 以内，仰拱距掌子面距离不得大于35m。为了减少隧道开挖的相互影响，4 条隧道掌子面的间距控制在2D（洞径）以上（约为50m）。计算主要分为六个工况。

工况一：人行隧道左洞，初期支护完成。

工况二：人行隧道右洞，初期支护完成。

工况三：主线隧道左洞，初期支护完成。

工况四：主线隧道右洞，初期支护完成。

工况五：人行隧道二衬完成。

工况六：主线隧道二衬完成。

3.3 变形分析

3.3.1 总体变形规律

3.3.1.1 隧道施工完成后，隧道结构与岩土体的变形如图2 所示，隧道拱顶及仰拱一定范围内围岩发生不同程度的位移，但是就各个施工围岩位移的绝对量值而言均较小，且均在安全范围内。由于车行隧道是大断面浅埋隧道，其拱顶沉降量最大，仰拱回弹量次之；人行隧道为小断面隧道，其沉降量相对车行隧道较小。

图2 隧道结构与岩土体变形

3.3.1.2 泉州环城高速路面出现盆式沉降，如图3 所示，沉降盆位于车行隧道正上方，两沉降盆整体呈“W”形，中间有明显的未变形带。人行隧道由于断面小，反射到路面的沉降也较小。

图3 环城高速路面结构沉降变形

3.3.1.3 车行隧道左、右线净距60.9m，约开挖跨度的3 倍，由于位于中风化花岗岩中，从图2 中可以看出，两车行隧道引起的围岩变形不重叠，因此车行隧道左、右线之间为分离式隧道。

3.3.1.4 车行隧道与人行隧道净距20.79～28.33m，约车行隧道开挖跨度的1.05～1.42 倍，约人行隧道开挖跨度的2.46～3.56 倍，但由于车行隧道为大跨度隧道，从图2 中可以看出，车行隧道与人行隧道变形相互重叠，因此尽管中夹岩厚度较大，两隧道仍为小净距隧道。

3.3.1.5 从图2 与图3 中还可以看出，由于矿山法隧道采用新奥法原理，其周边岩土体变形受开挖断面大小影响较大，车行隧道施工引起的变形相对于人行隧道大得多，反映了地下工程的空间效应大小，并进一步验证了矿山法隧道围岩与岩土体共同受力的特点[3]。

3.3.2 变形影响区域划分

变形影响区域的划分可以直观地了解到隧道施工过程中的危险部位，并采取针对性措施。隧道施工完成后，沉降量为0.5～3mm 的等值面，如图4 所示。

图4 隧道及周边岩土体沉降量等值面图

3.3.2.1 沉降量大于3mm 仅发生在隧道拱顶正上方，环城高速路面处的宽度约6.5m，等值面从上至下呈喇叭形；沉降量大于2mm 也集中位于隧道拱顶及拱腰正上方，范围比隧道开挖跨度稍小，环城高速路面处的宽度约15.8m，等值面从上至下大致竖直；沉降量大于1mm 发生在整个隧道开挖范围及其两侧，范围比隧道开挖跨度大，环城高速路面处的宽度约22.6m，等值面从上至下为倒喇叭形；沉降量大于0.5mm范围较大，包含了车行隧道、人行隧道及其两侧范围，环城高速路面处的宽度约为65.2m。

3.3.2.2 从图4 可以看出，通过沉降量等值面可以清晰地看到隧道开挖引起的不同沉降量所对应的区域，由此进一步根据隧道开挖断面、地质条件、施工方法等工程特性及可接受的变形量对项目进行变形影响分区。

本项目近似地以0.5mm、1mm、2mm、3mm为分界线，沉降量大于3mm 为强烈影响区，宽度6.5m，约0.3B（开挖跨度）；沉降量介于2～3mm 为显著影响区，宽度为15.8m，约0.8B；沉降量介于1～2mm 为一般影响区，宽度为22.6m，约1.2B；沉降量介于0.5～1mm 为低影响区，宽度为65.2m，约3B；沉降量小于1mm 为无影响区。

3.3.2.3 从图4 还可以分析得出浅埋隧道开挖引起沉降的机理。隧道开挖后，拱顶围岩发生松动，在自重作用下产生向下的位移，即强烈影响区，此位移为主动位移。

拱腰上方的围岩在自重作用力与拱顶围岩的摩擦力共同作用下发生沉降，即显著影响区，此位移即有主动位移，也有被动位移。

隧道轮廓边界附近上方的围岩在拱腰上方围岩的带动下也发生了一定的沉降，即一般影响区，此位移为被动位移。

3.3.3 特征点沉降

大断面浅埋隧道施工所关注的沉降特征点通常包括地表、拱顶、仰拱等，本项目特征点的沉降如图5 所示：

图5 特征点沉降量

车行隧道拱顶最大沉降3.88mm，仰拱最大回弹2.05mm，地表处沉降3.24mm；人行隧道拱顶最大沉降1.03mm，仰拱最大回弹1.11mm，地表处沉降0.71mm。由此可知，特征点的沉降量均较小，在规范要求的安全范围内，可以确保泉州环城高速行车的安全。

3.3.4 锚杆变形

隧道锚杆不是通过单根使抗拔力发挥作用，而是作为系统锚杆使初期支护与围岩连成整体共同受力，本项的锚杆的变形量如图6 所示。

图6 锚杆变形量

由图6 可知，锚杆均发生了拉伸变形，其中车行隧道最大拉伸量为3.91mm，位于拱顶；最小拉伸量0.3mm，位于拱腰；人行隧道最大拉伸量1.03m，位于拱顶；临近车行隧道一侧拱腰的拉伸量0.05mm，背离车行隧道一侧拱腰的拉伸量0.03mm。由此可以得出，锚杆的变形量与岩土体变形相吻合，即锚杆为被动受力，其变形量大小取决于围岩。