劉鵬程

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 工程背景

隨著我國(guó)軌道交通事業(yè)的高速發(fā)展，隧道修建面臨的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，新建隧道與既有交通建筑物近距離施工越來(lái)越多，在隧道下穿既有道路施工方面，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了研究，賓國(guó)林[1]基于數(shù)值方法對(duì)片麻巖地層隧道下穿國(guó)道施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，識(shí)別隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，提出保證隧道施工、既有路基安全的建議；郭明[2]等研究淺埋砂質(zhì)新黃土隧道下穿國(guó)道進(jìn)洞技術(shù)，得到了各工況下結(jié)構(gòu)受力和沉降變形規(guī)律，提出相關(guān)隧道進(jìn)洞工藝措施及控制措施；袁野[3]等模擬隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程，分析了隧道下穿公路地表沉降及圍巖穩(wěn)定性；張沙嶠[4]等對(duì)隧道施工工法進(jìn)行探討，提出了CRD法更適用于下穿既有道路的隧道修建；馮劍[5]以西南地區(qū)某隧道進(jìn)口段下穿填方公路為例，探索隧道下穿填方公路支護(hù)的有效方法，提出了針對(duì)性的系統(tǒng)支護(hù)方案；齊小勇[6]對(duì)秦嶺終南山隧道通風(fēng)豎井進(jìn)行施工過(guò)程模擬，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性與可行性進(jìn)行了分析。

本文以某鐵路隧道近距離下穿國(guó)道為研究背景，隧道穿越地層主要為砂質(zhì)黃土和片麻巖組成的上軟下硬地層，隧道出口淺埋段22 m近距離下穿310國(guó)道，線(xiàn)位交角約90 °，最小埋深僅4 m左右，覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土及公路路基填料。擬通過(guò)數(shù)值模擬分析該隧道修建對(duì)國(guó)道及初支結(jié)構(gòu)的影響，提出保障隧道施工安全要求和措施。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算模型建立

計(jì)算軟件采用Midas GTS NX，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，建立的計(jì)算模型長(zhǎng)44 m，寬47.5 m，高34～70 m；為保證計(jì)算精度并提高計(jì)算效率，對(duì)隧道開(kāi)挖及相鄰區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，疏密網(wǎng)格單元尺寸比例為1∶3，網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖1所示。同時(shí)，模型底部為固定邊界，四周施加法向位移約束，如圖2所示。本次計(jì)算模型劃分單元28 402×104個(gè)，節(jié)點(diǎn)16 296個(gè)，地層采用修正莫爾-庫(kù)倫模型。

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

隧道洞身主要為砂質(zhì)黃土和片麻巖組成的上軟下硬地層，為保證隧道中施工安全和順利開(kāi)挖，隧道洞內(nèi)采用φ108

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 計(jì)算邊界條件

圖3 隧道施工開(kāi)挖模型細(xì)部單元?jiǎng)澐?/p>

mm鋼管作超前管棚支護(hù)，環(huán)向間距40 cm，以減小隧道開(kāi)挖對(duì)上部公路的影響，隧道施工開(kāi)挖模型細(xì)部單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。根據(jù)地勘報(bào)告并結(jié)合JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]確定的各地層巖體及計(jì)算中管棚加固區(qū)的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層參數(shù)

模擬段支護(hù)參數(shù)為：初次支護(hù)采用噴射23 cmC25混凝土，φ22 mm砂漿錨桿長(zhǎng)3 m、1.0 m×1.0 m布置，φ8 mm鋼筋網(wǎng)，I16@0.6 m鋼架，采用板單元模擬；二次襯砌采用Ⅴ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌，拱墻、仰拱均采用C35鋼筋混凝土，襯砌厚45 cm，環(huán)向鋼筋φ22 mm，縱向間距25 cm。

對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)為鋼拱架?chē)婂^聯(lián)合支護(hù)，采用將鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的彈性模量折算給混凝土，其計(jì)算方法為：

Ec=E0+AsEs/Ac

式中：Ec為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量；As為鋼拱架截面積；Es為鋼材彈模；Ac為混凝土面積。

表2 支護(hù)力學(xué)參數(shù)

2.3 施工過(guò)程模擬

為探討隧道修建對(duì)國(guó)道及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響問(wèn)題，采用有限差分軟件Midas GTS NX進(jìn)行施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。地層初始應(yīng)力為自重應(yīng)力，施工階段于公路路基處施加公路Ⅰ級(jí)荷載。該鐵路隧道施工，按上下臺(tái)階法施工，先施工上臺(tái)階，下臺(tái)階滯后上臺(tái)階10 m，計(jì)算開(kāi)挖進(jìn)尺2 m，每開(kāi)挖一步進(jìn)行上一步的初期支護(hù)，直至隧道施工完成。計(jì)算中圍巖壓力由初支承擔(dān)，二襯僅視為安全儲(chǔ)備。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果可獲得隧道開(kāi)挖全過(guò)程310國(guó)道公路路基豎向位移和不均勻沉降情況、初支位移及受力情況，經(jīng)過(guò)分析，可確定該施工工法下隧道下穿國(guó)道施工的安全性與正確性。

3.1 路基和隧道位移分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到在模型中隧道開(kāi)挖貫通時(shí)路基和初支豎向位移云圖如圖4所示。310國(guó)道公路路基在交疊處隆起0.7 mm，模型范圍內(nèi)公路路基豎向最大位移在3 mm以?xún)?nèi)，變形量相對(duì)較小。隧道初期支護(hù)拱頂最大沉降量為8.0 mm，仰拱最大隆起為 5.9 mm，隧道在與路基交疊處豎向最大位移在3 mm以?xún)?nèi)，可見(jiàn)采用上、下臺(tái)階法施工，配合超前管棚支護(hù)可以有效地控制該隧道的位移及對(duì) 310 國(guó)道公路路基的影響。

圖4 隧道貫通時(shí)路基與初支豎向位移(單位：m)

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

圖5 新建隧道初支最小主應(yīng)力PRIN TOP

圖6 新建隧道初支最小主應(yīng)力PRIN BOT

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到新建隧道初支的最小主應(yīng)力分布情況如圖5、圖6所示?？梢钥闯鲈撍淼莱跗谥ёo(hù)外緣最大主壓應(yīng)力為5.95 MPa，位于邊墻墻腳處；隧道初期支護(hù)內(nèi)緣最大主壓應(yīng)力為5.81 MPa，位于仰拱拱底處。最大主壓應(yīng)力均小于TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中C25 混凝土彎曲及偏心受壓容許應(yīng)力9.6 MPa，可見(jiàn)采用上、下臺(tái)階法施工，配合超前管棚支護(hù)的情況下，襯砌的安全性較好。但考慮到實(shí)際施工復(fù)雜及計(jì)算參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的差異情況，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照施工圖進(jìn)行施工，即時(shí)完成超前管棚支護(hù)、初支及二襯的實(shí)施，最大程度保證隧道施工安全。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)本隧道項(xiàng)目，對(duì)于隧道在上軟下硬地層中修建時(shí)近距離下穿一級(jí)公路時(shí)，采用上、下臺(tái)階法施工，并配合超前管棚支護(hù)可以有效地控制新建隧道的位移以及對(duì)既有公路路基的影響。值得注意的是，由于隧道上覆土層過(guò)淺，很有可能造成公路路基隆起，在采取加固措施時(shí)應(yīng)考慮此情況的發(fā)生。

(2)經(jīng)過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析，發(fā)現(xiàn)由于應(yīng)力集中的影響，最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力多出現(xiàn)在邊墻墻角，故建議在初支及二襯結(jié)構(gòu)配筋時(shí)對(duì)邊墻墻角進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

(3)從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著隧道施工的不斷進(jìn)行，隧道上覆層厚度不斷增加，上覆層巖土自重引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力也隨之快速增長(zhǎng)，其影響程度逐漸大于既有公路對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)適時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。