交通荷载作用下超浅埋隧道洞口段变形及控制研究*

周 飞，陈志敏,2，文 勇，黄林祥，任 益

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070；3.中铁十八局集团有限公司，天津 300222； 4.重庆市铁路(集团)有限公司，重庆 401120)

0 引言

近年来，随着地下工程快速发展，隧道下穿既有线路或结构物等工程逐渐增多，为保证新建隧道施工和上部结构的安全，研究人员进行大量研究：陈瑞文等[1]以杭州地铁6号线区间隧道下穿钱江二路公路隧道为例，对上部土体的加固技术、沉降控制措施及监测结果等进行研究；文献[2-3]通过利用有限元软件模拟隧道开挖，研究隧道在开挖过程中围岩变形及公路沉降规律，并制定合理的施工方案；贾宝新等[4]以Peck公式为依据，通过理论推导得到在交叉隧道近接距离影响下的路基沉降值及相应解析解，并通过数值模拟研究隧道开挖引起的路基沉降规律；董捷等[5]研究发现新建隧道下穿公路隧道时，重型汽车荷载引起的振动效应是造成下部隧道拱顶沉降的主要原因；文献[6-7]对新建隧道下穿公路或其他建筑结构物时施工中采取的帷幕注浆等超前支护措施进行研究；文献[8-9]对比分析CD法、CRD法和双侧壁导坑法在新建隧道下穿既有线路时的控制变形效果，得到双侧壁导坑法控制拱顶沉降效果好，CRD法控制水平收敛的效果更好。

新鼓山隧道洞口下穿段最小覆土厚度仅为4.1 m，要保证公路运营不受隧道施工的影响困难极大。因此，本文针对新鼓山隧道工程洞口下穿段建立有限元模型，结合监测数据分析隧道开挖引起洞口段变形情况，制定控制隧道变形的开挖及支护措施。

1 工程概况及材料参数设计

新鼓山隧道位于福建省福州市鼓山风景区，设计为单洞双线，设计断面宽13.8 m、高12.4 m，隧道进口DK5+170～DK5+310段下穿机场高速及三环公路，穿越段埋深浅，覆土厚仅为4.1～4.9 m。根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)[10]，隧道埋深小于等效荷载高度13.7 m时，隧道进口段为超浅埋。隧道洞口下穿段纵断面示意如图1所示。

图1 新鼓山隧道洞口下穿段纵断面示意

洞口下穿段穿越地层为人工填土、粉质黏土、全风化花岗闪长岩，岩性较差。下穿段工程所处环境条件复杂，褶皱等节理裂隙发育，地质条件较差，为整个隧道乃至铁路全线的重点控制工程，隧道地层参数见表1。

表1 地层物理力学参数

隧道初期支护采用C35喷射混凝土，厚度0.3 m，锚杆长4 m，采用梅花型布置，二次衬砌为C35钢筋混凝土，厚度0.5 m，采用HRB400钢筋。根据隧道实际情况建立三维模型，给模型施加与实际工程对应的边界和初始条件。三维模型尺寸为(X×Y×Z)130 m×120 m×45 m，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。

在静力计算时，模型采用摩尔-库伦模型。考虑交通荷载时设置静态边界，Hyodo等[11]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；叶斌等[12]采用半波正弦荷载模拟交通动荷载作用，分析路基的动态响应关系。鉴于交通荷载本身的特性和前人成熟研究的可靠性，将交通荷载简化为半波正弦动荷载，荷载示意如图2所示。

图2 交通动荷载示意

根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)[13]，按BZZ-100标准，取荷载峰值Pmax为后轴标准轴载50 kN,交通荷载竖向作用于整个道路。通过在模型边界施加动态边界条件的形式,模拟材料所承受的交通动荷载作用。

通过ANSYS软件建模和划分网格后再导入FLACD3D进行后处理计算，最后建立模型如图3所示。

图3 模型及网格划分

2 隧道下穿施工安全风险评估

隧道下穿既有高速公路，施工时会对上覆既有公路造成很大影响，可能出现施工安全事故。因此，需要对新鼓山隧道下穿公路段进行施工安全风险评估。

隧道施工风险评估经常采用专家调查打分法、模糊综合评判法等，但这些方法结果受个人主观因素影响较大，而且计算过程复杂、效率较低。曹成勇等[14]采用功效系数法对浅埋隧道下穿公路施工的风险进行分析，分析结果较为准确。因此，本文根据功效系数法原理分析新鼓山隧道下穿公路施工风险，分析过程包括以下5个部分：

1)选取代表性指标。各指标尽量能全面、综合地反映分析目标情况。

2)预警值和极限值的确定。即各指标的的最高和最低水平。

3)计算功效系数值如式(1)所示：

(1)

式中：di为第i个指标功效系数值；Xi为第i个指标实际值；Xhi为预警值；Xsi为极限值。

4)计算各指标权重。采用专家评分后的归一化权重，如式(2)所示：

(2)

式中：Pi与wi分别为第i个指标权数和权重系数。

5)分析对象的总功效系数D，如式(3)所示：

(3)

根据总功效系数，可对分析对象进行风险分级评估，风险分级见表2。

表2 风险评估等级

根据新鼓山隧道现场监测和地质勘查情况，将地表沉降、周边收敛、地下水、掌子面及支护结构观察等内容作为隧道下穿施工的风险评估的主要指标。分析大量实际工程和规范资料，得到各指标的预警值与极限值如表3所示。

表3 指标预警值与极限值

根据隧道(DK5+170)～(DK5+310)段的现场监测和地质勘察情况分析，在断面(DK5+205)处，地表沉降速率最大为3.75 mm/d，周边最大收敛速率为2.35 mm/d。由于变形速率更能体现风险的发展趋势，所以此次采用地表沉降速率和周边收敛速率作为评价指标。

将现场监测与观察结果计算各指标功效系数，最后得到总功效系数见表4。

表4 新鼓山隧道下穿施工风险评估表

总功效系数值为78.973，根据表2风险评估分级标准，洞口段的风险等级为高度，结合《新鼓山隧道设计说明》中对隧道下穿段的风险分析，隧道(DK5+170)～(DK5+310)段主要风险等级见表5。

表5 下穿段风险等级

根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》，概率等级4为可能发生，3为偶然发生；后果等级4为很严重的，3为严重的。根据风险接受准则，风险等级高度是不期望的，这类风险较大，必须要进行一定的处理措施来降低风险。

从表5中新鼓山隧道下穿段初始风险等级来看，下穿段主要存在的风险为垮塌、塌方和影响既有建构筑物，都是可能发生的。后果很严重的高度风险，必须要采取相应的措施来降低这些风险。经过处理以后，下穿段仍会存在残余风险，这类风险也应当加强监测和重视。

3 计算结果分析

根据以上分析，新鼓山隧道下穿段施工会对上覆既有公路造成很大影响，可能发生后果严重的高度风险，所以着重对隧道洞口段的变形特征及控制方法进行研究。

3.1 交通荷载下隧道的变形特征

在有限元软件中模拟交通荷载作用下隧道的变形，监测拱顶竖向位移和拱腰的水平位移的变化。计算完成后，取3个监测点位移变化数据，绘制位移时程曲线如图4～5所示。

图4 拱顶沉降位移时程曲线

由图4可知，在交通荷载作用以后，拱顶竖向沉降逐渐增大，最大沉降值达到0.78 mm。拱顶沉降变形响应在4 s以后趋于稳定。交通荷载对隧道拱顶沉降有一定影响。

由图5可知，在单次交通动荷载作用下，隧道左右拱腰出现不同程度的变形响应。变形呈现对称分布，水平位移数值也正好相反，说明交通动荷载传递至隧道拱腰处，拱腰表现出来水平位移响应变化正好相反，隧道左拱腰向右变形，右拱腰向左变形，从而隧道净空发生收敛变形。

图5 拱腰水平位移时程曲线

在交通荷载作用以后，拱腰水平位移随时间增大而增大，当去掉荷载以后，变形开始恢复，最后在地层材料阻尼作用下变形衰减至稳定值。

在相同开挖进尺下，未施加交通荷载与施加交通荷载的拱顶最大沉降结果见表6。

表6 开挖完成隧道拱顶沉降结果

在有无交通荷载作用的情况下，拱顶沉降有较大差别，三台阶、CD法、双侧壁导坑法3种方法在施加交通荷载作用完成后，拱顶沉降分别增加7.8，7.7，4.9 mm。说明交通荷载作用下，双侧壁导坑法开挖时后续核心土台阶对拱顶有一定的支撑效果，减少拱顶沉降。

3.2 不同开挖方法隧道变形控制分析

分析不同施工方法对下穿变形的控制效果时，采用台阶法、CD法、双侧壁导坑法3种典型的施工方法进行比较分析。在相同开挖进尺下计算。在隧道断面刚开挖至公路边缘时开始监测记录开挖步，记录隧道开挖通过道路中线处隧道断面拱顶沉降值与周边收敛的变化，不同开挖方法的隧道断面拱顶沉降与周边收敛时程曲线如图6所示。

图6 道路中线处隧道断面位移时程曲线

由图6可知，随着隧道施工部序的进行，隧道拱顶沉降不断累积增加。3条曲线在关键施工步均有明显转折，说明在采用相同进尺施工情况下，施工部序越复杂，花费时间越长。

隧道施工经过道路中线处隧道断面时，产生临空面，使隧道周围岩体产生局部卸载，周围应力进行重分布，从而导致隧道洞周收敛变形。3种不同方法水平收敛曲线有明显曲率变化，证明不同开挖步对隧洞的影响不同。从拱顶沉降和水平收敛变形的角度考虑，双侧壁导坑法优于其他2种方法，但花费时间大于其他2种方法。

3.3 不同支护方式隧道变形控制分析

要更好地控制隧道沉降变形，还需采取辅助加固措施，隧道预加固方案见表7。隧道预加固模型如图7所示。

表7 隧道预加固方案

图7 隧道预加固模型

选取4种方案隧道在路基中线下同一断面，设置隧道拱顶和隧底变形监测点，通过数值计算得到结果如图8所示。

图8 不同预支护方案拱顶及隧底变形云图

以无预支护沉降值为51.4 mm基础，单层大管棚超前预支护拱顶沉降控制量占比9.5%；单层大管棚超前预支护+小导管拱顶沉降控制量占比22.8%；双层大管棚超前预支护拱顶沉降控制量占比38.9%。可见双层大管棚预支护对拱顶沉降的控制是显著的。

在没有预支护的情况下隧底隆起达到26.5 mm，有支护的情况下隆起值降到21 mm左右；但是加强超前预支护措施，隧底隆起并没有明显改变，这说明超前预支护手段对隧道底部隆起控制效果没有对拱顶沉降控制的那样显著。

不同预支护方案的隧道水平收敛变形控制结果见表8。由表8可知，没有预支护的情况下水平收敛达到26.2 mm，随支护措施加强，水平收敛值得到显著减小。

表8 不同预支护方案水平收敛变形控制结果

以无预支护水平收敛值为基础，单层大管棚超前预支护水平收敛控制量占比13.7%；单层大管棚超前预支护+小导管水平收敛控制量占比24.4%；双层大管棚超前预支护水平收敛控制量占比38.2%。说明双层大管棚预支护对水平收敛的控制较其他预支护方式更加明显。

综上，从横向、竖向位移场的计算结果来看，4种方案的变形控制效果为：双层大管棚>单层大管棚+小导管>单层大管棚>无预支护。通过超前大管棚预支护，隧道开挖引起的地表沉降、拱顶沉降以及隧道水平收敛等不利变形得到有效控制，可降低施工风险，保障施工安全。

4 现场监测结果对比

新鼓山隧道洞口下穿段现场施工时采用双侧壁导坑法开挖，开挖示意如图9所示。

图9 隧道开挖示意

隧道在现场施工中采用长管棚支护，管棚布置示意如图10所示。长管棚一般为10～60 m，用每节长4～6 m的热轧无缝钢管以丝扣连接而成，钢管上钻注浆孔，呈梅花形布置，钢管间距为0.40 m，钢管轴线与衬砌外缘线夹角为1°～3°，相邻钢管之间环向不大于0.1 m。

图10 隧道洞口段长管棚布置示意

选取隧道下穿南三环路处，断面里程DK5+205为监测断面，在隧道拱顶及拱腰位置布设测点，现场与数值模拟拱顶沉降对比如图11。

图11 现场与数值模拟拱顶沉降对比

由图11可知，现场监测拱顶沉降的累计随时间发展与数值模拟时程曲线趋势相似，拱顶监测点最终的稳定沉降值为40.6 mm，与数值模拟结果相近，由于工程条件的复杂性，现场监测值会略大于数值模拟计算结果。

选取隧道断面里程DK5+205为监测断面，现场与数值模拟水平收敛对比如图12所示。由图12可知，水平收敛监测到最终稳定收敛值为21.38 mm，水平收敛时程曲线与地表和拱顶沉降时程曲线变化趋势一致。同时，现场监测水平收敛的累计随时间发展与数值模拟时程曲线趋势相似，均为累积增加的过程。

图12 现场与数值模拟水平收敛对比

5 结论

1)在交通荷载作用下，隧道变形趋势一致，沉降值随地层深度的增加而减小。与没有交通荷载时相比，隧道拱顶沉降值增加10%左右，说明交通荷载对隧道变形有一定影响，有必要进行交通管制。

2)采用双侧壁导坑对隧道变形控制的效果最佳，可以将拱顶沉降控制在46 mm以内，CD法次之，台阶法的效果最差，隧道拱顶沉降能达到70 mm左右。

3)单层大管棚加小导管注浆的预加固措施满足要求且更经济实用。与无预支护时的沉降值和收敛值相比，单层大管棚支护沉降值和收敛值分别减小9.5%和13.7%，单层大管棚+小导管注浆支护减小22.85%和24.4%，双单层大管棚支护减小38.9%和38.2%。

4)现场采用双侧壁导坑法开挖，10～60 m的长管棚支护时，监测断面最终拱顶沉降值为40.6 mm，水平收敛值为21.38 mm，其控制变形效果与采用双侧壁导坑法开挖单层大管棚+小导管支护模拟结果相近，有效保证隧道洞口下穿段的施工。