潘曉明

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳518026)

0 引言

隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，近年來(lái)涌現(xiàn)了大量的鐵路隧道下穿公路的工程。礦山法隧道開(kāi)挖施工不可避免地對(duì)地層造成擾動(dòng)，引起地層沉降［1－4］，極有可能對(duì)公路結(jié)構(gòu)造成破壞。同時(shí)，公路行車(chē)荷載對(duì)隧道施工也會(huì)造成一定的影響［5－6］。因此，下穿隧道施工與公路行車(chē)相互影響，而淺埋大跨度隧道與重載行車(chē)的相互作用將更為明顯。分析隧道下穿施工對(duì)公路的作用及公路行車(chē)荷載對(duì)隧道施工的影響，對(duì)保證隧道施工及路面行車(chē)安全均具有重要意義［7］。

本文針對(duì)成都至貴陽(yáng)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)南廠溝隧道下穿公路，采用數(shù)值方法分析了隧道下穿施工與公路行車(chē)之間的相互作用與影響，并與下穿施工期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

1 工程概況

成都至貴陽(yáng)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)南廠溝隧道起訖里程DK101+805～DK104+980，全長(zhǎng)3175 m，為雙線(xiàn)隧道，隧道進(jìn)口段938.857 m位于R－9000的右偏曲線(xiàn)上，出口段2236.143 m位于直線(xiàn)上。隧道開(kāi)挖斷面140 m2，下穿段埋深13 m，為淺埋大跨度隧道。

隧道位于四川省宜賓縣古柏鄉(xiāng)，屬四川省與云南省交界處，山地密林，鄰近岷江，降雨量豐富，無(wú)強(qiáng)風(fēng)，年平均氣溫22℃。隧道地處川南紅層丘陵，圍巖為白堊系上統(tǒng)高坎壩組(K2gk)厚層至巨厚層泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)砂巖為粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)，厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀平緩，產(chǎn)狀約N70°E/6°SW，層理面為最發(fā)育的結(jié)構(gòu)面，結(jié)合程度一般，多為泥質(zhì)充填;另外主要發(fā)育有一組次生結(jié)構(gòu)面，其傾角約75°，結(jié)構(gòu)面呈閉合狀，多為泥質(zhì)或鈣質(zhì)充填，結(jié)合程度一般;由于層面產(chǎn)狀近水平，強(qiáng)度較低，再加上巖層中夾有軟弱層，開(kāi)挖在支護(hù)不及時(shí)的情況下可能導(dǎo)致掌子面上部及拱頂圍巖發(fā)生掉塊或坍塌。掌子面巖體主要為中—強(qiáng)風(fēng)化砂巖，磚紅色，錘擊聲不清脆，無(wú)回彈，屬較軟巖。

公路為當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村公路，寬度為4.5 m，隧道下穿段起訖里程為DK101+975.8～995.2，長(zhǎng)度為19.4 m，且該段屬淺埋段，最小埋深13.68 m。

2 隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)及施工方法

2．1 隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，開(kāi)挖斷面為148.2 m2，初期支護(hù)由噴射混凝土、鋼架、錨桿及鋼筋網(wǎng)組成，并超前小導(dǎo)管等輔助支護(hù)措施，充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮圍巖的自承能力。設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，Ⅴc型復(fù)合式襯砌類(lèi)型，全環(huán)支護(hù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 南廠溝隧道Ⅴc型復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

2．2 隧道施工方法

南廠溝隧道下穿施工便道區(qū)域采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)，臺(tái)階法(設(shè)臨時(shí)仰拱)開(kāi)挖，分上下臺(tái)階開(kāi)挖，開(kāi)挖掘進(jìn)兩個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行。開(kāi)挖循環(huán)上臺(tái)階進(jìn)尺控制在一榀鋼架，下臺(tái)階進(jìn)尺控制在兩榀鋼架，仰拱開(kāi)挖控制在3 m內(nèi)。

上部導(dǎo)坑、下導(dǎo)及仰拱采用控制爆破開(kāi)挖，以保護(hù)圍巖;各部之間的間距3～10 m。各部開(kāi)挖后及時(shí)封閉掌子面，噴、網(wǎng)、錨及鋼架聯(lián)合支護(hù)作業(yè)，施作臨時(shí)仰拱。拱腳、下導(dǎo)墻角增設(shè)鎖腳錨管，初期支護(hù)及時(shí)成環(huán)。各部實(shí)行平行作業(yè)。

臺(tái)階法設(shè)臨時(shí)仰拱施工工序見(jiàn)圖1。

3 下穿施工三維數(shù)值模擬

3．1 計(jì)算模型

圖1 臺(tái)階法臨時(shí)仰拱法施工工序

本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行下穿施工的三維數(shù)值分析［8］。根據(jù)巖石力學(xué)原理，對(duì)于地下工程的結(jié)構(gòu)分析圍巖可選用3倍或以上洞徑范圍作為有限元分析的模型范圍。本次計(jì)算，圍巖選取范圍以隧道中線(xiàn)為基準(zhǔn)，左側(cè)、右側(cè)延伸到40 m;上部延伸到地表;下部延伸到隧道仰拱以下30 m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束。計(jì)算中，用六面體實(shí)體單元及四面體實(shí)體單元模擬圍巖，用殼單元模擬初期支護(hù)，用梁?jiǎn)卧M臨時(shí)仰拱。隧道計(jì)算模型中實(shí)體單元總數(shù)為123614個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為131352個(gè)(如圖2所示)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3．2 參數(shù)及荷載取值

3．2．1 有限差分?jǐn)?shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)對(duì)圍巖及不同標(biāo)號(hào)混凝土的物理力學(xué)參數(shù)取值，對(duì)于初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)內(nèi)的工字鋼按等效剛度簡(jiǎn)化，隧道中墻內(nèi)鋼筋也按等效剛度進(jìn)行簡(jiǎn)化。全部土層參數(shù)及等效后隧道支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

3．2．2 荷載計(jì)算方法

由于隧道下穿施工便道，因此應(yīng)考慮上方重載貨車(chē)荷載。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)，計(jì)算施工便道混凝土路面永久荷載和汽車(chē)動(dòng)荷載對(duì)隧道的豎向作用的荷載組合，假定汽車(chē)荷載在道路平面上的橫向分布寬度為2.5 m，可按下式進(jìn)行計(jì)算:

表2 有限元分析材料參數(shù)

貨車(chē)荷載以均布荷載的形式施加于地表面，方向垂直向下。

4 計(jì)算結(jié)果分析及施工建議

4．1 各施工步應(yīng)力場(chǎng)

各分步開(kāi)挖后，計(jì)算域內(nèi)圍巖應(yīng)力分布情況如圖3、圖4所示。

圖4 隧道通過(guò)便道下方10 m后第一主應(yīng)力

由以上各開(kāi)挖步圍巖第一、第三主應(yīng)力分布情況可知，由于在隧道開(kāi)挖之前進(jìn)行了小導(dǎo)管注漿支護(hù)，小導(dǎo)管注漿支護(hù)對(duì)拱部圍巖起到了很好的保護(hù)作用。在開(kāi)挖過(guò)程中隧道周邊圍巖內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)大范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4．2 各施工步位移場(chǎng)

隧道開(kāi)挖引起的圍巖位移能直觀反映周?chē)鷰r體變形情況，同時(shí)淺埋隧道施工必然會(huì)引起地表沉降。隧道通過(guò)施工便道下方10 m后，圍巖位移場(chǎng)如圖5所示。

圖5 隧道通過(guò)便道下方10 m后Z－disp云圖

根據(jù)計(jì)算得到的豎向位移，最大拱頂沉降量為49.6 mm，最大地表沉降為17.6 mm。拱頂沉降量與地表沉降量均在設(shè)計(jì)控制值范圍內(nèi)。這說(shuō)明初期支護(hù)及超前小導(dǎo)管起到了很好的超前預(yù)支護(hù)作用，有效地減緩了隧道開(kāi)挖區(qū)地層下沉對(duì)地表的影響。

4．3 圍巖塑性區(qū)分布

隧道掌子面通過(guò)施工便道下方10 m后圍巖塑性區(qū)分布情況如圖6所示。

圖6 隧道通過(guò)便道下方10 m后塑性區(qū)

從開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)可以看出，僅是在隧道輪廓周邊出現(xiàn)了卸載作用引起的剪切破壞塑性區(qū)，但塑性區(qū)并未延伸發(fā)展甚至貫通，塑性區(qū)深度與體積較小，因此對(duì)施工安全影響不大。

4．4 地表下沉規(guī)律

根據(jù)設(shè)計(jì)工況及行車(chē)荷載計(jì)算得到的地表情況如圖7所示，并與不施加行車(chē)荷載工況下的地表沉降進(jìn)行對(duì)比。

從兩種工況計(jì)算得到的地表沉降曲線(xiàn)可以看出，考慮行車(chē)荷載作用時(shí)，最大地表沉降為17.6 mm，不考慮行車(chē)荷載時(shí)，最大地表沉降為14.8 mm。因此行車(chē)荷載會(huì)對(duì)地表沉降造成一定影響，且隧道施工的地表沉降范圍變大(圖中沉降槽變寬)，地表沉降量增加18.9%，但對(duì)施工安全的整體影響較小。

圖7 兩種工況下地表橫斷面沉降曲線(xiàn)

綜合上述分析，可以認(rèn)為，該隧道下穿施工引起的地表沉降在安全范圍內(nèi)，行車(chē)荷載對(duì)隧道施工影響較小，可以正常施工。

5 下穿施工變形監(jiān)測(cè)分析

下穿施工過(guò)程中，對(duì)地表沉降、拱頂下沉及凈空收斂進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。該段共設(shè)5組監(jiān)控?cái)嗝?，選取地表沉降及拱頂下沉數(shù)據(jù)最大值的DK101+985斷面為例。斷面DK101+985拱頂下沉量穩(wěn)定在30 mm左右，地表沉降量穩(wěn)定在10 mm左右(參見(jiàn)圖8)。監(jiān)測(cè)結(jié)果明顯小于數(shù)值模擬結(jié)果，這是由于數(shù)值模擬考慮了開(kāi)挖初期應(yīng)力釋放造成的圍巖變形，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由于測(cè)點(diǎn)埋設(shè)的滯后性(初噴完成后)導(dǎo)致了沉降量變小。

圖8 DK101+985斷面拱頂下沉與地表沉降

施工過(guò)程中拱頂沉降與地表沉降均在合理范圍內(nèi)，隧道初支未出現(xiàn)明顯變形，地表道路也未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，考慮行車(chē)荷載時(shí)最大地表沉降為17.6 mm，不考慮行車(chē)荷載時(shí)最大地表沉降為14.8 mm。車(chē)輛通行條件下，隧道開(kāi)挖引起的地表沉降變形會(huì)增大，沉降槽寬度也略有變寬，即行車(chē)荷載對(duì)隧道施工引起的地表變形存在一定影響，施工期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表沉降的監(jiān)測(cè)。

(2)從整體變形及應(yīng)力分析結(jié)果來(lái)看，在行車(chē)荷載作用下，隧道施工過(guò)程中圍巖周邊僅有小范圍土層出現(xiàn)塑性，地表沉降量增加較小，隧道施工產(chǎn)生的拱頂沉降和地表沉降均在安全范圍內(nèi)，行車(chē)荷載對(duì)隧道施工影響較小，可以正常施工。

(3)下穿施工過(guò)程中的拱頂下沉及地表沉降的監(jiān)測(cè)值均在數(shù)值分析控制范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值分析的正確性。

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