超浅埋隧道下穿高速路基沉降控制标准与技术研究

2022-09-14陈志敏黄林祥

公路工程 2022年4期

陈志敏，周飞，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

新鼓山隧道位于福州市鼓山风景区，隧道进口段下穿机场高速和三环公路，穿越段上覆土最小厚度仅4.1 m，根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2005)，隧道进口段为超浅埋。下穿段地层为全风化花岗闪长岩，地质条件较差，是整个隧道乃至铁路全线的重点控制工程。

根据娄国充[1]调研国内部分已修建的隧道下穿既有线路工程的埋深、控制标准和方法见表1。从表1中可知，大多数下穿隧道上覆土厚度在5 m以上，部分小断面隧道的上覆土在4 m左右，断面面积较大且覆土厚度仅4 m的工程在目前非常少见。对于隧道施工引起的地表沉降规律的研究，文献[2-3]利用修正Peck公式并根据实际工程，计算地表沉降的最大值。肖矜[4]等在研究隧道开挖对上部路基沉降的影响时，发现在路基中添加土工格栅可以对基层的附加应变起到抑制作用，从而缓解差异沉降。傅鹤林[5]等通过理论研究推导隧道开挖引起地表沉降的计算公式，对下穿隧道施工所引起的地表沉降有一定预测作用。对于隧道施工引起的地表沉降的控制技术研究，文献[6-8]研究不同开挖方法对隧道地表沉降规律的影响，得到开挖步数越多对隧道扰动越小的结论，开挖方法需要根据具体的工程条件来确定。文献[9-10]研究不同循环进尺对隧道开挖引起的沉降变形规律，发现循环进尺越小越有利于隧道开挖的稳定性，但考虑工程进度需确定最合理的开挖进尺。文献[11-17]对比多种施工支护方案，发现大管棚加固效果最好，但预支护方案需根据沉降控制的要求与实际加固效果确定，以保证隧道安全顺利施工。

关于新建隧道下穿既有线路或结构物的工程，已经形成比较成熟的施工技术，但针对覆土厚度非常浅、断面大、围岩破碎的隧道下穿工程，还缺少完善的沉降控制标准和技术。

鉴于此，根据新鼓山隧道洞口段下穿高速公路的实际工程，建立有限元模型，通过修正的Peck公式计算公路路基沉降的控制标准，并分析由隧道开挖引起的高速公路路基沉降情况，得到工程最佳开挖进尺、开挖方法和支护方案。

表1 部分隧道下穿道路沉降控制Table 1 Settlement control of part of tunnel underpass road

1 工程概况

图1 新鼓山隧道进口段横断面图Figure 1 Cross-sectional view of the entrance section of the New Gushan Tunnel

图2 新鼓山隧道进口段纵断面图Figure 2 Longitudinal view of the entrance section of the New Gushan Tunnel

图3 新鼓山隧道进口段平面布置图Figure 3 Layout of the entrance section of the New Gushan Tunnel

2 模型与材料参数确定

2.1 交通荷载模拟

根据Hyodo[18]、叶斌[19]等的研究，交通荷载作用可用半波正弦荷载模拟，鉴于交通荷载本身的特性和前人成熟研究的可靠性，本文将交通荷载简化为半波正弦动荷载，荷载示意图如图4所示。

图4 交通动荷载示意图Figure 4 Traffic dynamic load diagram

2.2 三维模型建立

利用数值模拟的方法研究隧道-地层-公路体系在交通荷载作用下，隧道开挖后引起的高速公路变形情况。根据现场实际情况，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。根据新鼓山隧道下穿高速公路段实际情况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。

在不考虑交通荷载时，模型采用摩尔-库伦模型，模型考虑初始自重应力，除上部为自由边界外，其它面皆施加固定边界条件。在考虑交通荷载时设置静态边界或者自由场边界，静态边界即黏性边界，可以吸收到达边界的入射波；自由场边界为模型提供无线场效果，可以使波不发生扭曲，减少反射。最后建立模型如图5所示，通过ANSYS软件建模和划分网格再导入FLAC3D进行后处理计算。对隧道的开挖与支护模拟如图6所示。

(a) Ansys中建立模型 (b) 导入FLAC3D后的模型

图6 开挖与支护模型图Figure 6 Excavation and support model diagram

2.3 材料参数确定

通过室内试验与地勘资料、设计资料综合分析确定地层和隧道结构材料参数如表2所示。

表2 材料参数表Table 2 Material parameters table

3 路基沉降控制标准确定

新鼓山隧道最小埋深为4.1 m，考虑到既有公路路面的不平整性，简化为20%的维修不平整度，考虑公路修筑使用年限和地质条件，简化分析采用1.5的安全系数。根据①朱正国[20]等、②璩继立[21]等、③张治国[22]等推导的路基沉降控制基准计算公式，通过计算和对比分析得到沉降控制基准值和修正值如表3所示。

表3 新鼓山隧道下穿公路沉降控制基准Table 3 Settlement control datum of the New Gushan Tunnel under highwaymm

综合3种结果分析，为保证施工安全，取最小值即按③计算所得的值为基准值，所以新鼓山隧道下穿高速公路沉降控制基准值为36 mm。为方便管控和更好地保证施工安全，将这个基准更加细化为3个等级，得到基准值、预警值和报警值如下：预警值为21.6 mm，报警值为28.8 mm，基准值为36 mm。

4 计算结果分析

4.1 不同开挖方法对路基沉降控制效果分析

4.1.1横向沉降分析

模拟台阶法、CD法、双侧壁导坑法在无交通荷载下路基的沉降，路基竖向位移如图7所示。

由图7可以看出，高速公路路基在隧道不同方法开挖的情况下，沉降值有明显的差别。隧道穿过以后，路基出现不均匀沉降现象，隧道轴线上沉降值最大，远离隧道轴线沉降逐渐减小，沉降云图关于隧道轴线呈对称分布。

(a) 三台阶法开挖路基沉降云图

从数值计算结果分析，路基在隧道采用台阶法、CD法、双侧壁导坑法情况下，达到的最大沉降值分别是44.2、35.5、27.3 mm。以台阶法沉降值为基础，CD法减少沉降量占比19.7%，双侧壁导坑法减少沉降量占比38.2%，说明双侧壁导坑法在这3种方法中对路基的影响是最小的。

取路基中线处隧道横断面为分析断面，沿断面左右横向在地表各监测点选取具有代表性的特征点，绘制各主要施工阶段断面的横向沉降曲线如图8所示。

图8 三台阶法开挖路基中线断面横向沉降曲线Figure 8 Lateral settlement curve of middle section of subgrade excavated by three-step method

图8表明，三台阶法施工不同台阶穿过断面时对上覆路基造成不同程度的沉降，上台阶开挖引起轴线上最大沉降12.2 mm，占总沉降量27.6%，中台阶开挖占总沉降量59.5%，下台阶开挖后沉降达到86.9%，开挖通过断面以后沉降已经占到大部分，后期沉降缓慢发展，直至二次衬砌跟进后沉降达到稳定。

图9中CD法开挖，采用左右上下4个台阶的方法开挖，沉降曲线明显与三台阶法不同，由于先开挖左侧台阶，所以沉降曲线最大值向左偏离隧道轴线，并且由于开挖台阶比三台阶法中每个台阶小，每次开挖造成的路基沉降量也较小，做到了很好的分步控制变形，最后随着右侧土体的开挖，沉降曲线最大值慢慢回到隧道轴线上，最终达到稳定值35.5 mm。

图9 CD法开挖路基中线断面横向沉降曲线Figure 9 Transverse settlement curve of the middle section of roadbed excavated by CD method

从图10中沉降曲线可以看出隧道开挖的全过程、路基沉降的变化和沉降槽的变化，通过对双侧壁导坑法各个施工步开挖沉降从曲线的对比发现，沉降槽底随着导坑的开挖而变化，先在隧道轴线左侧，随着开挖逐渐向右移动，最后移动至隧道轴线，中部核心土开挖到隧道贯通，路基沉降发展到最大值27.3 mm。

图10 双侧壁导坑法开挖路基中线横向沉降曲线Figure 10 Lateral settlement curve of middle line of subgrade excavated by double-wall guide pit method

3种不同施工方法在穿过路基中线断面时，路基表面对于不同施工步的响应，沉降变形随着施工部序的进行而依次发展。通过3种施工方法的开挖计算，得到最终路基沉降值，绘制路基表面横向沉降曲线如图11所示。

图11 不同施工方法最终沉降曲线Figure 11 Final settlement curves of different construction methods

由图11可以得到，3种施工方法最终造成的路基沉降规律相似，横向影响范围相差不大。但是在最终沉降值上，台阶法>CD法>双侧壁导坑法。所以从沉降控制和安全的角度来讲，浅埋下穿隧道选用双侧壁导坑法比其他2种方法更为适用。

4.1.2纵向变形分析

在施加交通荷载作用计算后，得到模型沿隧道中线剖面的竖向变形云图如图12所示。

(a) 三台阶法开挖地层竖向变形云图

(b) CD法开挖地层竖向变形云图

从图12可以看出，对比3种不同施工方法，它们的沉降最大值点随着施工方法步骤的复杂而远离开挖断面。由于CD法分左右上下4步开挖，当开挖左上台阶时，右上台阶土体没有开挖可以起支撑作用，可以有效地控制一次开挖扰动造成的沉降量；双侧壁导坑法分8步开挖，每步间隔3 m，中下台阶掌子面和左上导坑掌子面相距24 m，更有效地减缓沉降。所以双侧壁导坑法更有效控制了隧道中线正上方地层沉降。

4.2 不同开挖进尺对路基沉降控制效果分析

4.2.1横向沉降

利用软件模拟用双侧壁导坑法开挖，开挖进尺为0.5、1、2、3 m这4种工况的数值计算，不同开挖进尺开挖的路基沉降云图如图13所示。

(a) 进尺0.5 m开挖路基沉降云图

(b) 进尺1 m开挖路基沉降云图

(d) 进尺3 m开挖路基沉降云图

由图13可以看出，沉降云图关于隧道轴线呈对称分布，隧道轴线上沉降值最大，远离隧道轴线沉降逐渐减小，路基表面沉降有由隧道轴线向两侧发展的趋势。取路基表面中线横向各监测点，进行横向沉降分析，提取不同进尺开挖部分监测点数据如表4所示。

表4 路基中线表面横向监测点沉降值Table 4 Settlement values of lateral monitoring points on the surface of middle route of subgrade

从表4路基中线监测点监测到的路基表面横向沉降数据分析，随着隧道开挖进尺的不同，引起路基表面沉降值明显不同。路基在隧道开挖进尺0.5、1、2、3 m情况下，达到最大沉降值分别是44.2、47.5、50.3、53.4 mm。

从数据显示结果分析，沉降值大小与开挖进尺大小呈现正相关，即沉降值随着隧道开挖进尺的增大而增大。从0.5 m进尺增加到3 m进尺，沉降量增加了9.2 mm，增加了20.8%，说明开挖进尺对路基沉降变形的影响是比较大的。

取路基表面中线横向各监测点在不同进尺开挖下的监测数据，并根据提取数据绘制路基表面沉降曲线如图14所示。

综合表4和图14可以得到以下规律：

4种不同开挖进尺沉降曲线反映了明显的沉降槽效应，这也说明新鼓山隧道下穿高速公路施工会对路基造成“U”形的沉降破坏面。从沉降曲线可以得出新鼓山隧道在埋深4.1 m情况下，沉降槽宽度B即隧道开挖对路基表面横向变形影响范围在48 m左右，沉降槽宽度系数i对应的横坐标为9 m左右。

从距离隧道中轴线3～9 m范围内，沉降曲线变化明显，3 m开挖进尺在这段区域沉降值由47.5 mm下降到14.3 mm，变化值达到33.2 mm，占总沉降量的62.2%；2 m进尺情况下，这段范围沉降变化值为32.9 mm，占总沉降量65.4%；1 m情况下，这段范围沉降变化值为30.5 mm，占总沉降量64.2%；0.5 m情况下，这段范围沉降变化值为29 mm，占总沉降量的65.6%；从这几种情况来看，在距隧道轴线3～9 m这段范围，沉降值变化在60%以上，这段区域应为主沉降区。

从沉降变形控制和隧道开挖进度的角度来讲，针对于新鼓山浅埋隧道下穿的实际工程情况，现场选用0.5 m进尺开挖为宜，这样既能保证下穿路基的沉降控制，也能确保隧道施工的安全。

4.2.2纵向变形分析

在施加交通荷载作用计算时，得到模型沿隧道中线剖面的竖向变形云图如图15所示。

(a) 进尺0.5 m竖向变形云图

(b) 进尺1 m竖向变形云图

(d) 进尺3 m竖向变形云图

从图15可以看出：随着隧道开挖通过，掌子面后方35 m以后地表的最终沉降量趋于稳定，这是由于开挖后二次衬砌及时跟进施作，使得掌子面后方变形得到控制。

总体来说，4种不同开挖进尺对地层变形的影响大小为3>2>1>0.5 m，在新鼓山浅埋下穿隧道施工中开挖进尺方面选择0.5 m对变形控制的效果最好。

4.3 不同支护方法对路基沉降控制效果分析

通过以上研究得到，在超浅埋隧道下穿高速公路施工中双侧壁导坑法明显优于CD法和台阶法，可以有效减小开挖扰动影响和沉降变形，开挖进尺取0.5 m，可以有效控制沉降变形。开挖进尺和开挖方法都属于施工要素优化研究，要更好地控制变形还要采取一些预加固措施。通过比较以下4种预加固方案效果(见表5)，得到最优加固方案。

表5 隧道预加固方案Table 5 Tunnel pre-reinforcement scheme

通过数值模拟计算，地表沉降云图如图16所示。

(a) 无预支护地表沉降云图(b) 单层大管棚支护地表沉降云图

从图16可以看出，隧道穿越路基段，沉降值明显变大，说明交通荷载对隧道下穿施工造成了一定的影响。从没有预支护到双层大管棚预支护4种方案对地表沉降的影响变化；随着预支护手段的加强，地表变形值越来越小。

通过数值模拟4种不同预支护方案，得到其沉降控制结果，选取开挖完成后路基中线数据将其拟合出沉降曲线如图17所示。

图17 不同预支护方案路基沉降曲线Figure 17 Subgrade settlement curves of different pre-support schemes

由图17得到，在施加交通荷载的情况下，对比没有预支护的情况下的沉降值，3种预支护方案对路基的沉降控制减少量占总沉降的百分比分别是单层大管棚支护16%、单层大管棚+小导管支护36%、双层大管棚支护50.9%。

从3种方案的沉降控制效果上来看双层大管棚支护最佳。在选在双侧壁导坑法开挖，开挖进尺为0.5 m，且选择双层大管棚预支护时，可以将公路路基的沉降控制在20 mm以内，相对于控制标准38 mm是能够保证公路运营不受隧道开挖影响的。

4.4 现场监测结果对比

在实际施工采用三台阶临时仰拱法开挖，如图18所示，先利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护，弱爆破开挖①部，再施作①部导坑周边初期支护，导坑底部铺设I18轻型工字钢，喷10 cm厚混凝土，施做①部临时仰拱。钻设系统锚杆后喷混凝土至设计厚度，必要时在①部中间设置竖向支撑。在滞后于①部一段距离后，弱爆破开挖②部，导坑周边部分初喷4 cm厚混凝土，架立钢架，并设锁脚钢管。导坑底部喷10 cm厚混凝土，施作②部临时仰拱。钻设系统锚杆后喷混凝土至设计厚度。在滞后于②部一段距离后，弱爆破开挖③部，再施作初期支护。最后灌筑中部④部隧底仰拱。

图18 隧道开挖步骤示意图Figure 18 Schematic diagram of tunnel excavation steps

在实际施工时隧道采用长管棚支护，如图19所示为管棚布置图，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40cm，钢管轴线与衬砌外缘线夹角为1°～3°，钢管施工误差径向不大于20 cm ，相邻钢管之间环向不大于10 cm。

图19 隧道洞口段长管棚布置图Figure 19 Arrangement of long pipe shed at tunnel entrance

选取现场设置的DB00、DB01、DB02、DB03、DB04这5个横向监测点所监测的地表沉降随时间变化的数据，其沉降时程曲线如图20所示。

图20 现场监测地表沉降时程曲线Figure 20 Time-history curve of surface settlement monitored on site

由图20分析可知，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31.48 mm。通过现场监测与数值模拟相比，数值模拟采用双侧壁导坑法开挖地表沉降的发展更加缓慢，做到逐步控制，比现场施工采用的三台阶临时仰拱法开挖对路基沉降控制效果好。采用双层大管棚支护比实际施工中采用长管棚支护的沉降值降低了35.83%，单层大管棚+小导管预支护时比实际降低了16.45%，单层大管棚预支护时比实际提高了9.6%，无预支护时比实际降低了30.56%。现场监测沉降的累计随时间发展与数值模拟结果相似，开挖初期发展较缓，随后沉降速率增加，最后缓慢增加达到稳定状态，验证了数值模拟计算正确性。