郭 瑞, 鄭 波, 黎 晨

(1. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 四川 成都 611731; 中鐵十五局集團(tuán)有限公司, 上海 200040)

0 引言

隧道工程作為線性工程,往往不可避免地要穿越地表建(構(gòu))筑物,這給隧道實(shí)際施工帶來諸多挑戰(zhàn)。新建成貴鐵路大方隧道施工范圍內(nèi)下穿杭瑞高速,該公路路堤層為高填土路堤層,且隧道所處地層為巖溶發(fā)育區(qū),下穿隧道開挖擾動(dòng)極易造成高填土路堤層失穩(wěn),誘發(fā)上覆地層及高速公路發(fā)生變形并產(chǎn)生開裂破壞,對(duì)杭瑞高速正常通行和隧道安全施工造成嚴(yán)重威脅。

近年來,許多學(xué)者針對(duì)隧道下穿或近接建(構(gòu))筑物方面做了大量研究,獲得了豐富成果。在地鐵隧道施工近接樁基方面,文獻(xiàn)[1-3]通過對(duì)盾構(gòu)隧道開挖進(jìn)行模擬,研究了下穿隧道施工對(duì)近接橋樁的影響,分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有樁基變形影響規(guī)律及其施工措施。在隧道施工穿越地鐵車站方面,文獻(xiàn)[4-5]通過理論分析、數(shù)值模擬,預(yù)測(cè)分析了隧道施工穿越既有地鐵車站引起的地表沉降,并分別提出了沉降控制方案。在新建隧道下穿既有線路和平行已有隧道方面,文獻(xiàn)[6-8]分別通過模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了隧道下穿施工時(shí)對(duì)既有鐵路產(chǎn)生變形的規(guī)律,討論了盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)既有隧道變形的影響。在新建隧道下穿地表既有建筑物方面,文獻(xiàn)[9-11]分別研究了不同下穿位置、上部結(jié)構(gòu)形式下結(jié)構(gòu)受下穿隧道影響的機(jī)制,分析了地表結(jié)構(gòu)物的變形與受力規(guī)律,同時(shí)研究了下穿地表建筑物的安全控制技術(shù)。在隧道下穿高速公路方面,文獻(xiàn)[12]通過數(shù)值模擬研究了山區(qū)鐵路下穿高速公路的影響分區(qū),提出了一系列優(yōu)化防控措施; 文獻(xiàn)[13-14]分別模擬分析了不同開挖進(jìn)尺、隧道埋深、地層條件等因素對(duì)高速公路受力變形的影響,提出了旋噴樁、超前大管棚和錨桿等加固措施; 文獻(xiàn)[15]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了動(dòng)荷載作用下地鐵隧道下穿高速公路穩(wěn)定性及其影響因素。

以上研究大多聚焦于隧道下穿建(構(gòu))筑物施工技術(shù)及防治對(duì)策方面,而針對(duì)巖溶地區(qū)隧道下穿松散高填土路堤時(shí)的地層變形規(guī)律、地表縱向變形特征以及隧道下穿施工對(duì)地表各特征位置變形影響范圍等方面的相關(guān)研究很少,缺少?gòu)氖┕そ嵌瘸霭l(fā)的定量研究。鑒于此,本文以成貴鐵路大方隧道下穿杭瑞高速為研究背景,考慮下穿工程區(qū)松散地質(zhì)條件及上覆高填土路堤易失穩(wěn)變形等問題,結(jié)合實(shí)際工程建立隧道下穿高填土路堤層的三維有限元模型,研究下穿隧道動(dòng)態(tài)施工作用下不同位置地層的沉降變形規(guī)律,給出地表各特征位置沉降變形的主要影響范圍; 最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)論證數(shù)值模擬的合理性,并給出相關(guān)施工措施建議,以期為今后類似工程下穿施工和地層變形控制提供參考。

1 工程概況

根據(jù)設(shè)計(jì)資料,大方隧道在進(jìn)口段下穿杭瑞高速公路,與杭瑞高速交叉角約為55°,下穿段隧道洞頂與高速公路路面距離為 23 m,路堤高度為18 m,屬于高填土路堤層,隧道至公路坡腳擋墻最小距離僅約為4 m。該下穿段從公路路面往下分別為3～9 m的人工填筑碎石土層、 0～8 m的原生黏土層、 0～6 m的灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r層。針對(duì)該特殊地質(zhì)條件,本次施工采用三臺(tái)階開挖,施工中在洞口段隧道中線左右各10 m范圍至高速公路坡腳采用鋼管樁注漿加固,同時(shí)采用雙層大管棚超前加固,以保證洞口和高填土路堤層的穩(wěn)定性。由于該范圍高速公路為高填土路堤,該地層無黏聚力,同時(shí)隧道下穿地層為坡殘積黏土層,自穩(wěn)能力差,加之原生巖土層豎向巖溶管道發(fā)育,下穿隧道開挖擾動(dòng)極易影響高填土路堤穩(wěn)定性,誘發(fā)地層及高速公路發(fā)生變形破壞,對(duì)隧道安全施工造成嚴(yán)重威脅。

2 模型建立及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.1 數(shù)值模型建立

采用 FLAC3D軟件模擬隧道下穿高填土路堤施工。依據(jù)設(shè)計(jì)資料,圖1示出大方隧道下穿高填土路堤層的三維計(jì)算模型,模型尺寸為160 m×130 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高),隧道基底以下取35 m,隧道進(jìn)洞口埋深約5 m,隧道跨徑為14 m,高填土路堤高度為18 m,下穿段隧道洞頂與高速公路路面距離為23 m,模型頂部地表均設(shè)為自由邊界,模型的其他邊界均施加法向位移約束。為了提高計(jì)算結(jié)構(gòu)精度,同時(shí)對(duì)隧道周圍和洞口加固部分區(qū)域采取網(wǎng)格加密劃分。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料,本次施工采用三臺(tái)階開挖,上臺(tái)階高度為3.5 m,中臺(tái)階高度為3.9 m,下臺(tái)階高度為2.5 m。上、中、下臺(tái)階長(zhǎng)度分別以9 m為一個(gè)循環(huán),初期支護(hù)和仰拱填充每次長(zhǎng)度為3 m; 二次襯砌距掌子面距離為45 m; 隧道每次開挖步距為3 m,二次襯砌每環(huán)施作9 m。

計(jì)算中采用彈塑性分析,圍巖采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,初期支護(hù)和二次襯砌選用彈性模型。開挖過程中初期支護(hù)采用C25噴射混凝土,厚度為28 cm; 二次襯砌為C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),厚度為55 cm,同時(shí)采用實(shí)體單元模擬坡腳擋墻支護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,在洞口段隧道中線左右各10 m范圍至高速公路坡腳采用鋼管樁注漿加固。為此,在地應(yīng)力平衡后,把鋼管樁加固段地層的力學(xué)參數(shù)調(diào)整為管樁加固的等效參數(shù)。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig. 1 Numerical calculation model

管棚支護(hù)效果通常采用合理增強(qiáng)隧道上方一定厚度圍巖的物理力學(xué)參數(shù)的方法進(jìn)行等效分析。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,管棚等效加固區(qū)厚度取2 m,其彈性模量的取值是把管棚彈性模量折算給圍巖。根據(jù)文獻(xiàn)[16]中鋼管混凝土剛度的計(jì)算方法對(duì)管棚換算彈性模量進(jìn)行如下?lián)Q算:

式中:Eg為管棚換算彈性模量;E1為鋼管彈性模量;E2為砂漿彈性模量;I1為鋼管慣性矩;I2為砂漿慣性矩。

得到管棚換算彈性模量后,再把它與巖土體彈性模量進(jìn)行換算,計(jì)算方法[17-18]為:

式中:E為折算后管棚加固區(qū)的地層彈性模量;E0為原巖土層的彈性模量;Sg為注漿管棚截面面積;S為管棚等效加固區(qū)截面面積。

根據(jù)勘察資料,隧道下穿高速公路段地層依次為: 路面瀝青混凝土、碎石土、殘坡積黏土、豎向巖溶發(fā)育區(qū)和厚層灰?guī)r。數(shù)值模擬中采用的各地層及支護(hù)的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of numerical model

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

主要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有: 地表沉降、擋墻變形、高速公路路面變形以及拱頂沉降。共布置4條測(cè)線,測(cè)線1由沿模型縱軸方向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成,測(cè)線2(y=6 m)由洞口地表垂直隧道軸線處地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成,測(cè)線3(y=38 m)由擋墻(重力式擋土墻)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成,測(cè)線4(y=85 m)由高速公路路面沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。各測(cè)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 2 Layout of monitoring points

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

圖3示出開挖支護(hù)完成后的模型最終位移。由圖3(a)可知,隧道施工導(dǎo)致高速公路路面產(chǎn)生了顯著沉降,云圖中表現(xiàn)為藍(lán)色區(qū)域; 而洞口至坡腳地層預(yù)先進(jìn)行了注漿加固,地層抵抗變形能力較強(qiáng),洞口地表變形表現(xiàn)較小。路堤中的地層主要為黏聚力微弱的人工填筑碎石土層,當(dāng)隧道開挖至高填土路堤層時(shí),易導(dǎo)致上覆黏土層發(fā)生剪切破壞,引發(fā)路基碎石土層的快速失穩(wěn)破壞,從而造成在高速公路路面產(chǎn)生顯著沉降變形。由圖3(b)可知,隧道下穿高速公路后,因松散高填土路堤層黏聚力較差,上覆地層向隧道正中方向產(chǎn)生了橫向位移,約為17 mm。

圖3 模型最終位移云圖(單位: m)Fig. 3 Final displacement nephogram of model (unit: m)

從位移云圖可以看出地表變形具有顯著的區(qū)域特征。圖4示出測(cè)線1地表縱向沉降槽曲線,由圖可知,洞口至左坡腳(0～34 m)的地表沉降值在-20～-10 mm,高填土路堤層(34～117 m)的沉降變形范圍在-50～-20 mm。參考國(guó)內(nèi)外公路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[19],地表沉降量設(shè)計(jì)允許值不得大于30 mm,而路面位置(y=86 m)處路面沉降值達(dá)到48 mm,遠(yuǎn)大于允許值。右坡腳至出口(117～160 m)相比高填土路堤層地表沉降值減小,數(shù)值基本穩(wěn)定。這是由于下穿高速公路段為高填土路堤,且該地層以碎石土和黏土為主,黏聚力極弱; 同時(shí),隧道下穿地層為殘坡積黏土層和巖溶發(fā)育區(qū),自穩(wěn)能力差,誘發(fā)地層及高速公路發(fā)生變形破壞; 而洞口區(qū)域預(yù)先進(jìn)行了注漿加固,地層強(qiáng)度較高,穩(wěn)定性較強(qiáng),故洞口相對(duì)高填土路堤區(qū)域變形較小。綜上,地表縱向沉降范圍可劃分為微變形區(qū)(洞口淺埋沉降區(qū))、強(qiáng)變形區(qū)(高填土路堤沉降區(qū))和弱變形區(qū)(地表沉降區(qū))3個(gè)區(qū)域,如圖4所示。其中,高填土路堤層沉降最為顯著,此區(qū)域?yàn)闈撛谖ｋU(xiǎn)區(qū)。因此,在隧道下穿路面位置時(shí),應(yīng)采取特殊注漿加固措施。

圖4 地表縱向沉降槽曲線(測(cè)線1)Fig. 4 Curve of vertical surface settlement tank (line 1)

為了研究隧道動(dòng)態(tài)施工作用下的地表變形規(guī)律,圖5示出洞口測(cè)線2(y=6 m)地表各測(cè)點(diǎn)沉降曲線。由圖5(a)可知,隨著隧道開挖支護(hù)的進(jìn)行,拱頂處地表(x=0 m)沉降值變化最大,同時(shí)從拱頂向兩側(cè)地表沉降值逐漸減小; 當(dāng)開挖進(jìn)尺大于30 m時(shí)(開挖至90 m),監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降趨于穩(wěn)定,說明對(duì)于淺埋洞口地表沉降的主要影響范圍為開挖前的75 m,此范圍下穿隧道施工對(duì)洞口地表影響較大。

由圖5(b)可知,洞口地表沉降隨著施工進(jìn)行先是增大,然后隨支護(hù)體系的施加,地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定,在拱頂?shù)乇砦恢?x=0 m)處沉降最大為8.6 mm,說明洞口采取的管樁注漿加固作用良好,起到一定的控制變形作用。從沉降槽曲線可知,洞口地表橫向槽主要影響范圍為30 m。

3.2 擋墻沉降分析

圖6示出坡腳擋墻測(cè)線3(y=38 m)各測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)沉降曲線、豎向沉降槽曲線和縱向收斂變形曲線。由圖6(a)可知,各測(cè)點(diǎn)隨開挖進(jìn)尺的增加逐漸產(chǎn)生不均勻沉降,但與地表沉降不同的是,拱頂正上方(x=0 m)擋墻沉降值并非最大值,而是擋墻偏左方(x=-6 m)沉降值為最大,達(dá)到20 mm; 同時(shí)從曲線可以看出,沿縱向隧道開挖對(duì)擋墻變形的主要影響范圍為60 m,即擋墻開挖后方8 m和擋墻開挖前方52 m。

由圖6(b)可知,沉降槽明顯偏向左方,且距掌子面-8 m處即尚未開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)擋墻基本穩(wěn)定,當(dāng)開挖經(jīng)過擋墻且擋墻距掌子面22 m時(shí),擋墻最大沉降變形為15 mm; 當(dāng)擋墻距離掌子面大于52 m時(shí),擋墻豎向沉降基本穩(wěn)定,不再顯著增大,進(jìn)一步說明在此60 m范圍內(nèi),隧道開挖對(duì)擋墻變形影響顯著。

由圖6(c)可知,隧道開挖經(jīng)過擋墻且距掌子面22 m時(shí),擋墻變形基本穩(wěn)定,擋墻水平位移最大僅為2.5 mm; 隨著開挖的向前推進(jìn),擋墻向公路一側(cè)即y軸正方向的水平位移明顯增大,且曲線最值同樣向左部產(chǎn)生了顯著的偏轉(zhuǎn),這是由于隧道和高速公路的斜交作用,導(dǎo)致上覆地層產(chǎn)生了非對(duì)稱的偏心地應(yīng)力。從數(shù)值上看,擋墻豎向位移明顯大于水平位移,說明擋墻主要發(fā)生沉降變形; 同樣,當(dāng)距離掌子面大于52 m時(shí),擋墻縱向收斂變形基本穩(wěn)定。綜合擋墻豎向變形和水平變形可知,隧道開挖對(duì)擋墻造成變形的主要影響范圍為60 m,且主要在擋墻前方52 m區(qū)域,隧道下穿施工對(duì)其影響顯著。

圖5 測(cè)線2(y=6 m)測(cè)點(diǎn)沉降曲線(洞口)Fig. 5 Settlement curves of monitoring points at measuring line 2 (tunnel portal)

3.3 高速公路路面沉降分析

圖7 示出公路路面測(cè)線4動(dòng)態(tài)沉降曲線和沉降槽曲線。由圖7(a)可知,隨著掌子面逐漸靠近監(jiān)測(cè)位置,各測(cè)點(diǎn)逐漸產(chǎn)生了不均勻沉降; 隨著后續(xù)支護(hù)的進(jìn)行和開挖面的持續(xù)掘進(jìn)遠(yuǎn)離路面中心,沉降值趨于穩(wěn)定。由動(dòng)態(tài)沉降曲線可知,下穿施工造成路面沉降變形的影響范圍為90 m,即開挖后方25 m和開挖前方65 m。

圖6 測(cè)線3(y=38 m)測(cè)點(diǎn)沉降曲線(擋墻)Fig. 6 Settlement curves of monitoring points at measuring line 3 (retaining wall)

由圖7(b)可知,當(dāng)隧道縱向開挖距離≤60 m即監(jiān)測(cè)斷面距離掌子面小于-25 m時(shí),路面基本穩(wěn)定; 當(dāng)開挖至路面正下方即距離掌子面僅5 m時(shí),路面沉降值增大至22.3 mm; 當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面距離掌子面35 m即開挖至路基另一側(cè)坡腳時(shí),路面沉降值增大至44.5 mm,數(shù)值增大了99.6%; 施工完畢后路面沉降值增大至50.7 mm,數(shù)值僅僅增大了13.9%。同時(shí)可知路基正下方隧道開挖時(shí)路面沉降數(shù)值占總路面沉降變形的82.8%,說明路基正下方隧道開挖對(duì)路面影響最大,且路面沉降變形主要集中在隧道邊界向上正投影區(qū)域。通常把地表變形極限值的60%作為預(yù)警值,計(jì)算可得高速公路的路面預(yù)警值為18 mm,以此作為預(yù)警值。由圖7(b)可知高速公路路面的橫向沉降槽影響范圍為53 m。

圖7 測(cè)線4(y=85 m)測(cè)點(diǎn)沉降曲線(路面)Fig. 7 Settlement curves of monitoring points at measuring line 4 (road surface)

3.4 拱頂沉降分析

圖8 示出拱頂動(dòng)態(tài)沉降曲線和沉降槽曲線。由圖8(a)可知,拱頂動(dòng)態(tài)沉降曲線均呈反“S”形特征; 同時(shí),當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí),各測(cè)點(diǎn)發(fā)生顯著沉降; 隨著初期支護(hù)和二次襯砌施工地進(jìn)行,拱頂沉降注漿區(qū)域穩(wěn)定; 在路面位置處,拱頂沉降值最終達(dá)到53 mm。

由圖8(b)可知,拱頂沉降同樣具有分段特征,進(jìn)洞口段沉降值最小,高填土路堤層對(duì)應(yīng)的隧道沉降值最大,出洞口段其次。同樣可對(duì)拱頂沉降曲線劃分為3個(gè)區(qū)域: 微變形區(qū)(洞口至左坡腳)、強(qiáng)變形區(qū)(高填土路堤層)和弱變形區(qū)(右坡腳至洞口)。綜合以上分析可知,隧道下穿杭瑞高速造成高填土路堤層區(qū)域變形顯著,嚴(yán)重威脅高速公路安全運(yùn)行,易引發(fā)路面彎曲沉陷和擋墻開裂等病害。

圖8 拱頂沉降曲線Fig. 8 Settlement curves at vault

4 與監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析

為了驗(yàn)證上述數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果和進(jìn)一步分析隧道下穿松散高填土路堤層的變形規(guī)律,將已有模擬值和監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。圖9示出拱頂沉降監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線。由圖9可知,拱頂沉降模擬值和監(jiān)測(cè)值曲線變化趨勢(shì)相同,但數(shù)值上模擬值大于監(jiān)測(cè)值,模擬值和監(jiān)測(cè)值峰值相差17%。這是由于施工監(jiān)測(cè)拱頂沉降時(shí),由于時(shí)間效應(yīng),開挖變形己經(jīng)釋放一部分后才布設(shè)好監(jiān)測(cè)設(shè)備,導(dǎo)致部分變形沒有測(cè)出; 同時(shí),監(jiān)測(cè)時(shí)間一般不超過2個(gè)月,無法監(jiān)測(cè)后期殘余變形。

圖10示出路面監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線。由圖10可知,兩曲線基本吻合,路面沉降監(jiān)測(cè)值略大于計(jì)算模擬值,計(jì)算值和模擬值峰值相差13%。綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析可知,由于本次數(shù)值模擬未考慮高速公路車輛外荷載對(duì)公路路面的作用,高速公路車輛對(duì)路面的碾壓沉降以及對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響同樣較大,故路面沉降模擬值稍小于監(jiān)測(cè)值。總體來說,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)在變化規(guī)律上基本吻合。

圖9 拱頂沉降監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線Fig. 9 Comparison curves between monitoring value and calculated value for vault settlement

圖10 路面沉降監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線Fig. 10 Comparison curves between road monitoring value and simulated value

5 結(jié)論與建議

本文針對(duì)成貴鐵路大方隧道下穿杭瑞高速公路施工穩(wěn)定性及施工對(duì)既有高填土路堤的影響問題,建立了三維有限元模型,開展了隧道下穿施工對(duì)上覆地層變形影響的數(shù)值模擬研究,得出如下結(jié)論。

1)隧道下穿施工造成高填土路堤層發(fā)生顯著沉降變形,且上覆路堤層向隧道正中方向產(chǎn)生了橫向位移。同時(shí),大方隧道施工對(duì)地表變形可劃分為3個(gè)區(qū)域: 微變形區(qū)(洞口淺埋沉降區(qū))、強(qiáng)變形區(qū)(高填土路堤沉降區(qū))和弱變形區(qū)(地表沉降區(qū))。

2)隧道施工對(duì)地表不同位置影響范圍不同。在洞口處地表縱向影響范圍為開挖前方75 m,擋墻處縱向影響范圍為開挖前方52 m和開挖后方8 m,公路路面縱向影響范圍為開挖前方65 m和開挖后方25 m,在此影響范圍內(nèi)地層位移變化劇烈。

3)拱頂動(dòng)態(tài)沉降曲線均呈反“S”形特征,當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí),各測(cè)點(diǎn)發(fā)生顯著沉降; 拱頂沉降同樣也可劃分為3個(gè)沉降區(qū)域。

4)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比可知,模擬計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值變化規(guī)律基本吻合,數(shù)值上拱頂沉降模擬值略大于監(jiān)測(cè)值,路面沉降監(jiān)測(cè)值略大于模擬值,但均在合理范圍內(nèi)。

5)在類似下穿施工中,隧道開挖應(yīng)短進(jìn)尺,弱爆破,開挖后及時(shí)支護(hù)封閉,下穿段應(yīng)采取超前加固措施,預(yù)先加固高填土路堤層區(qū)域地層; 此外,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),及時(shí)科學(xué)地指導(dǎo)施工。

本文僅探討了隧道下穿三臺(tái)階法施工對(duì)高填土路堤沉降規(guī)律的影響及其影響范圍,而關(guān)于開挖形式和注漿措施對(duì)高填土路堤的影響尚需進(jìn)一步研究。