公路隧道改路堑对衬砌结构的安全影响分析

韩风雷，刘宗韩，王 益，肖东辉，秦 臻

(1. 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 重庆交通大学，重庆 400074；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 3. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045； 4. 保利长大工程有限公司，广东 广州 510620)

0 引 言

随着经济的快速发展和交通运输量的日益增加，改建工程越来越多，将既有隧道拆除改建为公路路堑是一种方式。既有隧道上方土体大面积的开挖卸荷对衬砌结构会产生不利影响，严重时会开裂破坏[1-2]，如不采取有效的保护措施及合理的施工组织方式，可能会造成人员伤亡和财产损失。为保证既有隧道结构和路堑施工安全，开展隧道受力变形演变规律和安全分区研究对指导现场施工组织和保证施工安全具有重要意义。

目前国内外学者采用现场监测数据[3-4]，数值模拟[5]，模型试验[6-7]及理论解析[8-9]等手段分析了近接地下工程围岩或支护结构受力变形规律。孙克国等[10]采用强度折减法研究了郑西高铁隧道上方高速公路路基改扩建工程的最大挖方和超载运营2个状态对近接隧道安全性影响；YE Shuaihua等[11]基于旁侧基坑开挖对地铁隧道的变形安全分析，得出基坑开挖卸载对地铁的影响与基坑距离、一次开挖土方量、工程地质条件密切相关；郑刚等[12]通过对天津市某深基坑开挖对邻近盾构隧道变形分析，结合不同规范变形控制标准划分了施工影响区；龚伦等[13]结合模型试验和现场监测分析上方路基开挖时既有隧道受力和位移，得出在埋深足够大时隧道会经历无-弱-强3个影响区；仇文革等[14]依托连霍高速公路改扩建工程，基于强度折减法研究不同初始埋深下既有隧道上方填挖方时的影响分区，并结合实际工程进行了验证分析；SHI Chenghua等[15]研究了旁侧基坑开挖过程盾构隧道管片及其接头处的力学与变形性能，得出管片接缝处的应力会急剧增加并容易发展局部裂缝影响隧道长期安全；翁承显等[16]结合重庆轨道交通三号线附近基坑工程施工案例，通过验算轨道结构截面安全与裂缝宽度分析了隧道的安全性；卜康正等[17]综合考虑影响衬砌结构的6个安全风险因子，利用蒙特卡罗方法研究了基坑开挖对地铁隧道影响并进行风险预测。

以上研究主要关于基坑和高速公路扩建工程开挖卸荷对既有隧道的影响，针对岩性变化较大的既有隧道拆除改深路堑的案例研究较少。在上方路堑大面积开挖卸荷下，如何保证既有隧道衬砌结构安全和行车正常运营是一个值得研究的问题。笔者以柳树垭隧道拆除改路堑工程为背景，结合现场施工方案和数值仿真研究路堑开挖卸荷对既有隧道衬砌结构的受力变形演变规律，综合考虑衬砌结构的位移、应力、安全系数3个因素，提出路堑开挖对运营隧道的安全影响施工分区并指导现场施工。

1 工程概况

四川顺蓬营一级公路建设工程为双向六车道，须对原建双向四车道柳树垭隧道的山体挖方，并将隧道拆除改扩建为深挖六车道公路路堑。原隧道为小净距隧道和分离式隧道组合结构，左右洞间距19.2～27.6 m，左洞长度490 m，右洞长度551 m，隧道衬砌结构设计参数如图1。隧址主要出露地层为第四系全新统人工填土层、坡残积层，厚度在25.56～26.00 m。隧道洞身段以遂宁组中风化粉砂质泥岩为主，虽然裂隙较发育，但贯通性及富水性弱。

图1 运营隧道衬砌支护设计

2 计算模型及施工工序

2.1 计算模型

选取桩号为ZK2+995的典型计算断面，隧道洞顶距离地面为42 m，两洞间距为19.2 m。根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》考虑隧道内侧附加荷载等效高度，得出计算模型为浅埋小净距隧道。数值计算模型X、Y方向尺寸为382.0 m×131.7 m，地表填土考虑为最大厚度26 m，填土下为砂质泥岩厚度105.7 m，路堑第1层开挖宽度达到216 m。模型左、右边界和下部边界均施加法向约束，地表无约束。围岩采用Drucker-Prager弹塑性本构模型，岩体、锚杆加固圈、喷射混凝土、仰拱回填均采用实体Plane42单元，二次衬砌采用beam3单元模拟。取该模型一半作图，路堑开挖线用虚线表示，具体模型尺寸如图2。

图2 计算模型断面示意(单位：m)

2.2 计算模型参数

根据岩土勘察报告提供的土层物理力学参数，将计算土体划分为2层。锚杆考虑为加固区，将岩体参数提高1.05倍。初期支护中喷射混凝土和钢拱架的综合作用采用等效原则，将钢拱架的弹性模量等效给混凝土，等效模量具体计算公式[18]为：

式中：Eeq为等效模量，MPa；Eshot为喷射混凝土弹性模量，MPa；Esteel为钢拱架的弹性模量，MPa；Asteel为钢拱架的横截面积，cm2；s为喷射混凝土厚度，cm；d为钢拱架纵向布置间距，cm；Jsteel为钢拱架横截面惯性矩，cm4。根据现场试验和相关规范，计算所需的物理力学参数取值见表1。

表1 物理力学参数

2.3 施工工况模拟

既有运营隧道的原始应力状态与开挖工法相关，模拟路堑施工之前，需根据原隧道施工方案模拟隧道开挖，所以文中分两部分进行计算。隧道采用台阶法施工，左洞为先行洞。隧道开挖的释放荷载分担比例：围岩和初期支护为60%，二衬为40%。结合现场施工方案，路堑采用整体放坡机械开挖，最大开挖深度至隧道锚固区，距离洞顶仅4 m，之后为隧道支护结构的拆除阶段不做分析。由于前期路堑开挖过程中机械设备等施工荷载对隧道影响较小，仅在最后埋深16 m时考虑4台25 t机械自重均布作用在开挖工作线。计算工况及内容见表2。

表2 计算工况及内容

3 计算结果分析

3.1 隧道衬砌结构位移分析

选取的计算断面为浅埋小净距隧道，根据计算结果可知两洞衬砌结构绝对位移与相对位移差异不大，文中选取左洞计算结果进行说明。由图3、图4可知，隧道衬砌竖向最大位移在拱顶为36.77 mm，最小位移在仰拱中心为30.23 mm，相对位移为6.54 mm，衬砌结构呈整体上浮。水平最大、最小位移在衬砌两侧边墙分别为2.75、0.15 mm，相对位移为2.60 mm，衬砌结构均向洞内收缩。因此，上方路堑开挖的卸荷作用使隧道衬砌整体向上回弹，两边墙呈向内挤压，且以竖向变形为主。

图3 衬砌结构总位移矢量及变形

图4 左洞衬砌结构埋深4 m位移云图

图5(a)为路堑开挖过程中隧道衬砌竖向位移变化。随开挖深度增加，拱顶与仰拱竖向位移逐渐增大，变化速率基本保持不变，开挖第5步时位移变化速率略微增加，第7步时位移变化速率降低。主要由于岩性变化、开挖面积减少和施工荷载增加的综合作用。当路堑开挖至隧道埋深为28 m时，拱顶竖向绝对位移为12.41 mm；当路堑开挖至隧道埋深为20 m时，拱顶竖向绝对位移为19.60 mm；当填土区开挖结束即埋深16 m时，拱顶竖向绝对位移为23.19 mm；隧道开挖至锚杆加固区埋深4 m时拱顶绝对位移为36.77 mm，拱顶沉降相对位移最大值为6.54 mm。由图5(b)可知路堑开挖过程中水平位移和竖向位移变化趋势相同。当隧道埋深28、16、4 m时左边墙水平绝对位移分别为1.07、1.90、2.75 mm，周边相对位移最大值为2.60 mm。路堑开挖卸荷过程中对水平位移影响不大，同时小净距隧道中夹岩具有一定抵抗隧道侧向变形的能力。

图5 左洞衬砌结构各工况位移变化

根据改建工程施工方案，在上方路堑一定开挖深度既有运营隧道需满足通车要求，参考CJJ/T202—2013《城市轨道交通结构设计安全保护技术规范》规定：隧道水平和竖向位移预警值为小于10 mm，控制值为小于20 mm。当隧道埋深28 m时达到位移预警值，需加强拱顶位置的变形受力监测，路堑施工应采用非爆破开挖；埋深16 m时已超过控制值，应加强洞内衬砌监测并停止通车运营。

3.2 隧道衬砌结构受力分析

隧道上方路堑开挖卸荷会对周边岩体产生扰动，引起一定范围内围岩应力重分布，导致衬砌结构的受力变化。对比图6～图8可知，衬砌拱顶和仰拱由内侧受拉变为外侧受拉，拱肩及边墙部位由外侧受拉变为内侧受拉，衬砌弯矩最大值由80 kN·m增加为210 kN·m；衬砌轴力由受压变为受拉，轴力最大值由1 020 kN增加为2 130 kN。路堑开挖前后隧道衬砌结构反弯点位置基本相同，埋深28 m时结构内力方向完全相反。仰拱和拱顶部位弯矩几乎相同，衬砌内侧弯矩基本大于外侧，拱脚弯矩变化量远大于其他部位，在拱脚、边墙部位容易出现裂缝。衬砌结构内力变化主要是因为路堑开挖卸荷导致围岩应力状态发生变化，衬砌受到水平压力增大，隧道抬升引起的弹性抗力只能减缓卸荷引起的竖向压力降低。

图6 左洞衬砌结构埋深42 m内力

图7 左洞衬砌结构埋深4 m内力

图8 左洞衬砌弯矩变化

由图9(a)可知，路堑开挖过程中衬砌最大压应力先下降稳定后再上升。隧道建成时最大压应力为4.55 MPa，在埋深28、20、4 m时最大压应力分别为1.04、0.94、2.97 MPa，在整个开挖过程中最大压应力降低了34.7%。由图9(b)可知，路堑开挖过程中衬砌最大拉应力先略微降低后增加。隧道建成时最大拉应力为0.7 MPa，在埋深28、20、4 m时最大拉应力分别为1.05、3.47、11.2 MPa。其中最大拉应力由左洞拱脚外侧到右洞拱脚内侧，受拉区域由仰拱大面积分布扩展到边墙，并向上至拱顶外侧。围岩应力重新分布后，附加应力使衬砌结构内力由受压变成受拉，小净距隧道建成时衬砌结构也存在不对称应力，从而引起左右洞的受力差异。在埋深20 m时已超过衬砌结构混凝土抗拉强度极限值，混凝土结构会发生开裂破坏，应注意路堑开挖进尺和封闭运营隧道。

图9 两洞衬砌结构各工况主应力变化

3.3 隧道衬砌结构安全系数分析

为确保既有隧道正常通车以及路堑开挖中衬砌结构安全，根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》进行衬砌安全系数计算，其中抗压和抗拉极限强度安全系数值分别为2.4和3.6。选取路堑开挖至隧道埋深42、28、16、4 m绘制安全系数包络线如图10。

图10 各埋深衬砌结构安全系数包络图

在路堑开挖过程中，拱顶位置呈增大-降低-增大趋势，埋深16 m时出现最小安全系数5.25。拱脚至仰拱位置基本呈增大-降低趋势，埋深16、4 m时拱脚安全系数分别为4.34、1.91，混凝土材料将产生受拉破坏。边墙内侧呈降低-增大-降低趋势，埋深28 m时边墙内侧最小安全系数为7.19。总体来看，除拱顶区域在卸荷后期安全系数增大，其他衬砌位置安全系数基本降低。对于衬砌断面不同位置安全系数最小值顺序为拱脚、拱顶、边墙内侧，路堑开挖过程需要重点注意以上区域的受力变形监测。先行洞和后行洞安全系数有明显差异，在先行洞拱顶至拱肩及内侧边墙位置基本低于后行洞，而拱脚至边墙位置高于后行洞，两洞安全系数差异主要由于小净距隧道施工建成后受力条件不同，中岩柱的附加水平荷载也会使隧道两侧边墙安全系数不同。文中模型计算断面小净距隧道间距较大，先行洞与后行洞计算值差异不明显，但从分析可知路堑施工时应特别注意先行洞拱顶和边墙位置，两洞拱脚位置的监测。

由于在埋深16 m时安全系数已经接近控制值，选取最后4步施工工序分析左洞安全系数变化规律，按逆时针顺序选取衬砌结构断面节点绘制埋深16～4 m时不同位置安全系数，如图11。路堑开挖过程安全系数波动较大，波动曲线整体呈W形。衬砌结构各部位受力不均匀，仰拱区域基本水平，拱顶和仰拱区域安全系数较其他部位更大，拱肩至拱脚区域安全系数持续降低。其中拱脚部位安全系数偏低，该部位受力不均匀，容易出现应力集中，应注意拱脚部位安全。综合考虑，路堑开挖埋深16 m之后应该控制开挖进尺，以防造成安全隐患。

图11 左洞衬砌结构埋深16～4 m安全系数变化

3.4 路堑开挖对运营隧道的安全影响分区

综合分析路堑开挖卸荷过程中衬砌结构位移、应力、安全系数3项指标的变化规律，根据表3不同埋深各指标的计算值，将路堑开挖对既有隧道的影响程度进行安全影响分区，得出路堑施工影响的3个区域：埋深42～28 m的一般影响区，埋深28～20 m的显著影响区，埋深20～0 m的强烈影响区，其中埋深20 m达到安全临界线，此时应该封闭运营隧道，禁止车辆通行。

表3 不同埋深衬砌结构各指标计算值

对于在既有运营隧道上部进行挖方工程，常采以残留埋深比即h/H为界定的经验参考值来划分路堑施工安全影响分区以指导施工，将文中计算值和经验参考值汇总于表4。表4中计算残留埋深比大于经验残留埋深比，说明路堑开挖大面积卸荷作用对既有运营隧道衬砌安全影响较大，在满足隧道安全通车要求时需加强对路堑施工控制。取示意图一半安全影响分区如图12。其中一般影响区和强烈影响区占总区域80%，显著影响区占比很小，路堑开挖过程中一般影响区很快过渡到强烈影响区，表明在显著影响区域衬砌结构各项控制值会发生较大变化。安全临界线相对经验值更早出现，说明小净距隧道拆除改路堑工程相对于一般明挖工程对隧道衬砌结构影响更大。建议在路堑施工前选取衬砌典型断面进行变形和内力监测，根据监测数据优化施工步序。

图12 路堑施工过程中安全影响分区

表4 各影响区域残留埋深比

4 结 论

通过路堑施工卸荷下隧道衬砌结构进行的数值仿真分析，研究了路堑开挖卸荷对下临既有运营隧道衬砌结构施工力学动态变化，得到以下结论：

1)受路堑开挖卸荷、围岩弹性抗力和岩性变化作用，隧道衬砌结构整体上浮且两边墙向内挤压，竖向绝对位移远大于水平位移，最大竖向位移位于拱顶为36.77 mm。随路堑开挖衬砌结构应力先降低后升高，受拉区由仰拱向上扩展到拱顶，埋深20 m时拉应力达3.47 MPa已超过混凝土强度极限值，拱脚易出现应力集中。

2)路堑开挖卸荷过程中衬砌安全系数波动较大，安全系数最小值顺序为拱脚、拱顶、边墙内侧，其中拱脚为1.91，施工中尤其需加强两洞拱脚区域监测。

3)参考规范并综合分析衬砌结构位移、应力、安全系数变化规律，采用计算残留埋深比即h/H划分了路堑施工对隧道安全影响的3个分区，且比经验残留埋深比界线值较大。一般影响区和强烈影响区占总区域80%，显著影响区占比很小且衬砌结构各项控制值会发生较大变化。

4)整个路堑开挖过程中，要加强运营隧道拱顶、拱脚，内侧边墙区域的监测。路堑开挖至强烈影响区安全临界线时要封闭运营隧道，采用非爆破开挖，并控制开挖进尺。