王 成,林森斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

隨著城市規(guī)劃的日趨完善，地下工程如地下鐵道、公路隧道等作為城市規(guī)劃的重要部分，顯得尤為重要。但受到城市規(guī)劃空間的限制，涌現(xiàn)出越來越多的復(fù)雜隧道。

城市道路縱橫交錯(cuò)，且車流量與日俱增，隧道在下穿道路時(shí)如何確保道路正常使用及行車安全是目前設(shè)計(jì)、施工的難點(diǎn)。以山西某鐵路隧道下穿市區(qū)環(huán)城高速公路為研究背景，采用三維數(shù)值模擬法分析不同荷載及速度的車輛在行駛時(shí)與隧道施工的相互影響，在變形控制方面取得了一些有益的結(jié)論。

1 工程概況及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

以山西某鐵路隧道工程為例。隧道范圍內(nèi)地面建筑物密集，主要類型為民居、工廠建筑，沿線經(jīng)過大量村莊、市區(qū)公路、高速公路，近距離側(cè)穿受保護(hù)建筑物。根據(jù)覆土厚度及地質(zhì)條件，本隧道屬淺埋、土質(zhì)隧道，采用明、暗法相結(jié)合的方法施工。本次研究段落內(nèi)隧道采用暗挖法施工，采用單洞雙線隧道，線間距5 m，隧道內(nèi)設(shè)雙側(cè)救援通道，救援通道寬1.25 m(自線路中線外1.7 m起算)、凈高2.2 m，隧道開挖面積約131 m2。隧道下穿環(huán)城高速公路路寬24 m(雙向6車道)，與線路走向成147°夾角，隧道結(jié)構(gòu)頂距離高速公路路面約7.5 m。穿越區(qū)域地層主要為素填土、新黃土、粉質(zhì)黏土和圓礫土層，地下水位在隧道仰拱底以下。

為控制路面變形，設(shè)計(jì)采用在隧道拱部140°范圍內(nèi)采用φ159 mm雙層大管棚超前加強(qiáng)支護(hù)，管棚長(zhǎng)120 m；每層管棚環(huán)向間距0.4 m，層間距0.3 m，呈梅花形布置。管棚內(nèi)填充水泥漿，管棚之間架設(shè)小導(dǎo)管，采用φ42 mm、t=3.5 mm熱軋鋼管，環(huán)向3根/m，縱向兩榀格柵1環(huán)，施工外插角10°～15°。隧道上半斷面均采用玻纖錨桿穩(wěn)定掌子面，玻纖錨桿垂直于掌子面打入，錨桿長(zhǎng)度為12 m，錨桿每列間距60 cm，行間間距80 cm。隧道開挖方法采用CRD工法，開挖完畢后立即噴射C30早強(qiáng)混凝土，采用HW175型鋼支撐，間距0.5 m/榀。

根據(jù)高速公路評(píng)估結(jié)果及其管理單位要求，高速公路運(yùn)營(yíng)過程中，路面允許最大沉降值不超過30 mm，并設(shè)置預(yù)警值(65%極限值)、報(bào)警值(85%極限值)、極限值三級(jí)控制，施工過程中全程監(jiān)測(cè)。

2 不同行車條件下地表變形三維數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 模型概況

通過建立三維有限元地層-結(jié)構(gòu)模型模擬隧道下穿環(huán)城高速公路段落。模型四周及底部取法向約束，頂部為自由面；模擬隧道實(shí)際施工工序，不僅要考慮到周邊土體的復(fù)雜特性和施工作業(yè)方式(包括CRD工法的開挖工序、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式)，還要考慮開挖面推進(jìn)過程中的空間效應(yīng)及地層應(yīng)力釋放等因素。高速公路車輛荷載，根據(jù)相關(guān)公路規(guī)范取值。三維有限元地層-結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，路面地表測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 地層-結(jié)構(gòu)模型等軸側(cè)視圖

圖2 路面地表測(cè)點(diǎn)布置(僅示隧道中線方向)

2.2 不同行車荷載、速度條件下地表變形分析

本次模擬按正常使用工況假定行車道及超車道僅限小中型車行駛，時(shí)速120 km；慢車道僅限大型車行駛，時(shí)速80 km，根據(jù)模擬結(jié)果得出圖3所示的地表沉降曲線。當(dāng)上述速度分別降為80 km/h與40 km/h時(shí)，地表沉降曲線如圖4所示。

圖3 正常車速行駛下地表沉降曲線

圖4 降低車速行駛下地表沉降曲線

由圖3可知，左、右側(cè)路肩的最大沉降值始終大于中間隔離帶處的最大沉降值。由于左、右側(cè)路肩均位于重車道方向，故在重車的荷載作用下，隨著隧道的開挖，其地表沉降值大于輕車道方向的沉降值。由圖4可知，在不同行駛速度下，以左側(cè)路肩為例，地表沉降最大值分別為29.30 mm與27.34 mm，行駛速度對(duì)地表沉降值具有一定的影響。

該路段處于曲線段，考慮車輛荷載在不同速度下產(chǎn)生的向心力，在該向心力的作用下產(chǎn)生的地表水平位移如圖5所示(以左側(cè)路肩處水平位移曲線為例)，正常行駛速度為80 km/h時(shí)，該處最大水平位移為11.65 mm；限速40 km/h時(shí)，該處最大水平位移為9.60 mm。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，可以初步認(rèn)為汽車在曲線上的行駛速度對(duì)路面水平位移具有一定的影響，速度越快(表現(xiàn)為向心力越大)，路面水平位移越大。

圖5 左側(cè)路肩處路面水平位移曲線施工步

圖6 隧道中心方向路面水平位移曲線

由圖6可知，在行駛速度為120 km/h下，不同車荷載作用下產(chǎn)生的路面水平位移差異較大。其最大位移值發(fā)生在左側(cè)路肩處，該處位于線路最大曲線半徑處，且為重車方向，故其位移為11.65 mm，最小值發(fā)生在高速公路的隔離帶，該處車荷載基本為零，其位移值最小，為6.41 mm。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，地表測(cè)點(diǎn)布置與圖2一致，圖7為實(shí)測(cè)地表沉降曲線，圖8為現(xiàn)場(chǎng)地表裂縫情況。

圖7 實(shí)測(cè)地表沉降曲線

圖8 高速公路路面開裂情況

由圖7可知，地表沉降最大位移發(fā)生在右側(cè)路肩處，該行車方向重車密度大，在重車荷載的反復(fù)作用下，隧道開挖影響范圍內(nèi)，該側(cè)路肩位移最大值為31.95 mm。地表沉降最小位移發(fā)生在左側(cè)路肩處，該行車方向重車密度小，多為空車返回，隧道影響范圍內(nèi)發(fā)生的最大位移值為27.81 mm。實(shí)測(cè)地表沉降趨勢(shì)基本與模擬結(jié)果吻合，由于隔離帶處兩側(cè)均位于超車道，行車速度快且車流密度較大，使得其實(shí)測(cè)地表最大沉降值大于左側(cè)路肩處最大沉降值。

伴隨隧道掌子面的推進(jìn)，地表逐漸出現(xiàn)1條細(xì)微裂縫，沿著掌子面的推進(jìn)方向向前發(fā)展，并在仰拱封閉成環(huán)時(shí)裂縫寬度達(dá)到最大值，約為15 mm。當(dāng)該裂縫擴(kuò)展至行車道與超車道交界處，出現(xiàn)1條細(xì)微的縱向裂縫，當(dāng)仰拱施作至此位置時(shí)，裂縫寬度達(dá)最大值，與橫向裂縫交錯(cuò)處約為20 mm，裂縫兩側(cè)的路面出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)高差約為12 mm。該縱向裂縫沿著車輛行駛方向逐漸擴(kuò)展，裂縫寬度逐漸變小，直至消失。實(shí)際行車過程中，重車主要行駛在行車道與慢車道，其實(shí)際產(chǎn)生的最大向心力位于行車道與超車道之間，即由圖8所示的路面橫向裂縫出現(xiàn)在行車道與超車道附近。

因該高速路段為該地區(qū)外環(huán)主要干道，實(shí)際行車荷載、速度與模擬取值具有一定的差異，其與地表沉降的關(guān)系可參考數(shù)值模擬結(jié)果中的相關(guān)內(nèi)容。

3 仰拱封閉成環(huán)時(shí)間與地表沉降的關(guān)系

結(jié)合大多數(shù)工程經(jīng)驗(yàn)，仰拱封閉成環(huán)作為隧道施工的關(guān)鍵步驟之一，在現(xiàn)代隧道施工中顯得尤為重要，合理的仰拱封閉成環(huán)時(shí)間更是對(duì)環(huán)境敏感區(qū)域控制變形起到關(guān)鍵作用。圖9為實(shí)測(cè)DK12+560處隧道上方的地表位移。由圖9可知，采用CRD法分部開挖隧道各個(gè)斷面時(shí)，地表累計(jì)沉降為10.78 mm。當(dāng)開挖仰拱部分土體時(shí)，一次性開挖長(zhǎng)度為8 m，至仰拱部分土體開挖完畢，地表累計(jì)沉降為29.02 mm，增量為18.24 mm，隨著仰拱的澆筑封閉成環(huán)后，地表沉降增量逐漸趨于穩(wěn)定，至二次襯砌澆筑前基本穩(wěn)定在29.02 mm左右。

圖9 DK12+560處隧道施工過程中地表沉降曲線

DK12+560正位于高速路坡腳處，由于變形過大，導(dǎo)致截水溝開裂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合圖9可知主要變形發(fā)生在施作仰拱時(shí)，如何縮短仰拱封閉成環(huán)時(shí)間是控制變形的主要因素。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將原8 m施作一循環(huán)仰拱調(diào)整為每3 m施作一循環(huán)，圖10為地表DK12+570處實(shí)測(cè)沉降值，分析可知在縮短仰拱循環(huán)步長(zhǎng)、縮短其封閉成環(huán)時(shí)間可很好地控制地表沉降，經(jīng)過施工步序調(diào)整，DK12+570處地表沉降最終控制在26.87 mm左右。隨著掌子面向輕車道方向，地表沉降基本控制在27 mm左右。

圖10 DK12+570處隧道施工過程中地表沉降曲線

4 結(jié)論與建議

(1)車輛荷載與行車速度對(duì)路面地表沉降影響較大，建議類似工程在條件允許時(shí)，盡量實(shí)行公路限速，并控制重車通過數(shù)量及頻率；對(duì)于下穿該類高速公路路段施工時(shí)，控制行車速度是必要的，車輛在高速行駛的過程中產(chǎn)生的離心力加速地表裂縫的擴(kuò)展，特別是貫通路面的縱向裂縫在該力的作用下容易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，引發(fā)安全事故。

(2)仰拱封閉成環(huán)時(shí)間是控制地表沉降的關(guān)鍵因素，結(jié)合本文在仰拱施作循環(huán)長(zhǎng)度的調(diào)整上得出的結(jié)論，建議對(duì)于后續(xù)類似工程，仰拱封閉成環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度控制在3～5 m。

[1] 王建宇.隧道工程監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1990．

[2] 黃宏偉.巖土工程中位移量測(cè)的隨機(jī)逆反分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1995，17(3)：36-41.

[3] 鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)— 隧道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1995.

[4] 朱合華，丁文其.地下結(jié)構(gòu)施工過程的動(dòng)態(tài)仿真模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(5)：558-562.

[5] 謝和平，周宏偉，王金安.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(4)：397-401.

[6] 麻永華，賀善寧.建筑物下淺埋暗挖隧道施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(12).

[7] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社，2005.

[8] 蔣爵光.隧道工程地質(zhì)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1991.

[9] 岳嶺.超淺埋鐵路隧道小角度下穿鐵路沉降控制技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(8)：80-82.

[10] 王春林.地鐵隧道施工對(duì)地層變形的影響[J].科技資訊，2006(8)：36-38.

[11] 郭磊，帖卉霞，周欽.下穿高速公路鐵路隧道對(duì)高速公路的影響研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(5)：94-96.

[12] 鄭戰(zhàn)清.高速公路超淺埋下穿318國(guó)道施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2005,25(4)：29-33.

[13] 劉和清.下穿高速公路的淺埋大斷面隧道襯砌受力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(4)：95-97.