王忠雙

鐵路隧道下穿京藏高速公路施工地表沉降控制

王忠雙

摘 要：以中川鐵路工程九合二號(hào)隧道下穿高速公路為工程背景，建立數(shù)值分析模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)高速公路地表安全性進(jìn)行綜合性分析。結(jié)合理論公式和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出下穿高速公路隧道工法優(yōu)選指標(biāo)，從多屬性多目標(biāo)決策角度給出下穿公路隧道圍巖穩(wěn)定分析及工法優(yōu)選的一般準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；下穿公路；地表沉降

隨著城市和道路建設(shè)的不斷發(fā)展，后續(xù)工程往往需下穿一些建筑物或道路、鐵路等工程。新建隧道下穿既有公路的施工不可避免會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，必然會(huì)產(chǎn)生不同程度的地面沉降，從而對(duì)施工和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響。

利用數(shù)值分析方法研究新建下穿隧道施工方案對(duì)既有高速公路的影響，并探討不同開(kāi)挖方案下新建隧道圍巖穩(wěn)定性及公路地表沉降變形規(guī)律，為近接隧道施工提供一定指導(dǎo)。

1 工程概況

九合二號(hào)隧道下穿高速公路段（見(jiàn)圖1）施工里程：HYK6+917—HYK7+017，Ⅴ級(jí)圍巖，長(zhǎng)100m，埋深僅8．0m，表層為人工填土，其下為Ⅲ級(jí)硬土。設(shè)計(jì)在隧道斷面最大跨以上采用一環(huán)φ159mm管棚支護(hù)，長(zhǎng)度65m，環(huán)向間距0．2m，I20、I22雙層鋼拱架全封閉，間距0．5m，縱向采用鋼筋連接，同時(shí)設(shè)置超前小導(dǎo)管及鎖腳錨桿。設(shè)計(jì)建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，隨時(shí)觀測(cè)圍巖變形，調(diào)整施工方案。為確保安全，施工時(shí)對(duì)高速公路進(jìn)行單側(cè)封閉、兩次疏導(dǎo)交通的方案。為盡早開(kāi)放交通，施工時(shí)采用三臺(tái)階法，局部爆破和機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合，并建立數(shù)值分析模型，分析控制路面的橫縱向沉降。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

分析表明，在均質(zhì)彈性無(wú)限域中開(kāi)挖的圓形洞室，由于荷載釋放而引起的洞周介質(zhì)應(yīng)力和位移的變化，在5倍洞徑范圍外將<1%，3倍洞徑外約<5%。本次計(jì)算模型水平寬度取為隧道跨度120m，垂直方向隧道下部距離為洞高的5倍，隧道上方計(jì)算模型取為高速公路路面，數(shù)值計(jì)算幾何模型見(jiàn)圖2。

巖體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。三維數(shù)值模型計(jì)算網(wǎng)格和開(kāi)挖體的計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖3，劃分單元總數(shù)85840，節(jié)點(diǎn)總數(shù)91553。

計(jì)算過(guò)程中對(duì)2種開(kāi)挖方案進(jìn)行計(jì)算模擬（見(jiàn)圖4），包括：（1）上下臺(tái)階法開(kāi)挖；（2）三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法開(kāi)挖。模型水平左、右兩側(cè)邊界施加x向位移約束，縱向前、后兩側(cè)邊界施加y向位移約束，底部邊界施加z向位移約束，頂部為自由表面。

圖1 九合二號(hào)隧道下穿公路段示意圖

圖2 數(shù)值計(jì)算幾何模型

圖3 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型

圖4 九合二號(hào)隧道下穿高速公路數(shù)值計(jì)算開(kāi)挖工法

目前確定數(shù)值計(jì)算中圍巖力學(xué)參數(shù)應(yīng)用較多的是工程經(jīng)驗(yàn)法：一種是將巖石參數(shù)做適當(dāng)折減來(lái)選取巖體參數(shù)；一種是把圍巖分類，然后按巖體級(jí)別給出相應(yīng)參數(shù)。以《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》作為主要依據(jù)，圍巖分類也是依據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范而定。

3 隧道開(kāi)挖引起的地表沉降計(jì)算

3.1 橫向地表沉降計(jì)算

沉降變形在空間上表現(xiàn)為隨著開(kāi)挖其沉降槽不斷向前推進(jìn)，沉降槽曲線表現(xiàn)為類似于正態(tài)分布的Gauss曲線，Peck認(rèn)為地層沉降主要由地層損失所造成，橫向沉降Peck曲線近似描述為：式中：w（x）為距離隧道中心軸線為x處的地表沉降值，mm；x為距隧道中心線的距離，m；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，自隧道中心至沉降曲線反彎點(diǎn)的距離；wmax為隧道中心線處的最大沉降量，mm。

其中：

式中：i為地表沉降槽寬度系數(shù)，沉降槽大體寬度的一半可以取為2．5i；H為隧道拱頂覆蓋層厚度；R為隧道等效半徑；φ為地層摩擦角。

計(jì)算可得，i=8．87、wmax≈Vi/2．5i=5．38，Peck曲線可表示為：

隧道開(kāi)挖后地表沉降曲線見(jiàn)圖5。

根據(jù)Peck公式，下穿隧道開(kāi)挖后地表圍巖沉降最大值應(yīng)約為5．38mm，影響范圍在隧道中線左右20m范圍內(nèi)，作為施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)施工期間觀測(cè)，三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法開(kāi)挖地表沉降控制較好，經(jīng)研究決定改變施工方法，在左半幅二次襯砌施工完成后，右半幅隧道施工改為上下臺(tái)階法。2種工法隧道上覆巖層不同深度處的地表實(shí)際沉降曲線分布見(jiàn)圖6。

（1）圖6中D1、D2、D3、D4、D5分別為行車道中斷面距離地表0、2m、4m、6m、8m的橫向沉降曲線。隨著上覆巖層位置距離隧道拱頂位置不同，隧道最大沉降值也逐漸減小，2種開(kāi)挖方案下隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵刀荚?mm以下，滿足隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的位移控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）隧道上覆巖層產(chǎn)生了一定程度的隆起，這主要是由于管棚在掌子面推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的反向彎矩造成的，這在管棚彎矩動(dòng)態(tài)變化規(guī)律中可以得到驗(yàn)證。

圖5 隧道開(kāi)挖后地表橫向沉降曲線

（3）隧道地表沉降值基本可控制在1mm以內(nèi)，滿足上部地表高速公路穩(wěn)定性及安全性的控制要求。

3.2 縱向地表沉降計(jì)算

經(jīng)過(guò)對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到隧道上覆巖層不同深度處的縱向沉降曲線分布（見(jiàn)圖7）。

（1）圖7中D1、D2、D3、D4、D5分別為線路中線斷面距離地表0、2m、4m、6m、8m的縱向沉降曲線。分析可知，隨著上覆巖層位置距離隧道拱頂位置不同，隧道最大沉降值也逐漸減小。在隧道縱向沉降值隨上覆巖層厚度的增加沉降也逐漸明顯。2種開(kāi)挖方案下隧道在高速公路部分的最大沉降都在2mm以內(nèi)，滿足隧道開(kāi)挖對(duì)地表高速公路穩(wěn)定性的位移控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）隧道在遠(yuǎn)離高速公路的山體段沉降明顯，位移值在12mm左右。分析可能是巖石節(jié)理發(fā)育不同引發(fā)的。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)九合二號(hào)隧道下穿高速公路隧道下沉理論與實(shí)際對(duì)比，橫向沉降影響范圍基本在隧道中線左右20m范圍，驗(yàn)證了Peck公式的實(shí)用性。

（2）由于管棚超前支護(hù)及鋼架、錨桿和襯砌的支撐作用，沉降值遠(yuǎn)小于Peck公式的預(yù)測(cè)值。說(shuō)明開(kāi)挖過(guò)程中所采取的支護(hù)措施有效可靠。

（3）根據(jù)分析觀測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工方法，在確保高速公路安全前提下，有效加快了施工進(jìn)度。

（4）不封閉交通情況下地面荷載較為復(fù)雜，通過(guò)上述沉降觀測(cè)數(shù)值，也可嘗試在不封閉交通情況下的隧道開(kāi)挖新工法。

5 參考文獻(xiàn)

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王忠雙：中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，天津，300300

責(zé)任編輯 高紅義

中圖分類號(hào)：U45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2015）05-0037-03