徐先達(dá)， 張雨昊

(中鐵上海工程局集團(tuán)華海工程有限公司，上海201101)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，公路鐵路等交通建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，鐵路與公路的相互影響也越發(fā)頻繁。當(dāng)前越來越多的鐵路建設(shè)工程利用下穿隧道的方式來盡可能的減小鐵路、公路之間的影響，通過大量的工程實(shí)踐可知，高速鐵路下穿隧道一般埋深較淺，上覆土的工程地質(zhì)條件較差，在隧道的施作中容易對圍巖的平衡造成破壞，導(dǎo)致地表沉降較大從而影響高速公路的運(yùn)營安全以及周邊建(構(gòu))筑物的安全。

雷亞峰[1]以深圳市紅棉路淺埋下穿隧道為研究對象，通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)控量測的方法提出了“水平導(dǎo)向”和“潛孔錘”并結(jié)合超長管棚的施工工法。曹成勇[2]則通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場測試的方法得到了隧道襯砌的應(yīng)力以及圍巖變形的動態(tài)變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的支護(hù)措施。李強(qiáng)[3]以某高速鐵路下穿高速公路為背景，在不影響上方高速公路通車的前提下，提出了超淺埋隧道下穿高速公路的蓋挖法修建技術(shù)。昝永奇[4]以深圳求水山隧道下穿機(jī)荷高速公路收費(fèi)站工程為研究背景，提出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑微臺階施工工法，成果解決了該工程變形沉降大的問題。趙琳[5]通過對重慶新白楊灣下穿高速公路隧道工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法對臺階法、CD法及CRD法這三種施工工法做對比，研究發(fā)現(xiàn)在控制圍巖變形、圍巖塑性區(qū)分布區(qū)域以及路面沉降方面來看，臺階法都比其他兩種施工工法好。但每個(gè)工程的特點(diǎn)不同，圍巖條件也不同，采取的施工方法也不能完全照搬。趙紀(jì)平[6]則以溫福鐵路上筆架山隧道工程為研究背景，該隧道既下穿國道又下穿高速鐵路，埋深極淺，圍巖也較為軟弱，通過對施工工法以及施工方案的不斷比選，最終采用了優(yōu)化后的CRD法進(jìn)行開挖以及支護(hù)。晉學(xué)輝[7]以新鼓山隧道下穿機(jī)場高速公路工程為研究背景，提出了“雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖+超前大管棚超前支護(hù)”施工工法，適合工程地質(zhì)較差的淺埋隧道支護(hù)手段。劉松濤[8]以石頭崗隧道下穿衡昆高速公路工程為研究背景，通過研究發(fā)現(xiàn)上部中隔墻法比較適合上軟下硬的地層中隧道的修建。張向東[9]則通過三軸試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值分析的方法對隧道下穿引起既有高速公路沉降規(guī)律進(jìn)行研究。

通過以上調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，已有很多學(xué)者對淺埋隧道下穿高速公路的施工工法做了大量的研究，也得出了相對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)與結(jié)論，但每個(gè)工程的特點(diǎn)不同，應(yīng)當(dāng)因地制宜地根據(jù)工程的具體特點(diǎn)采取不用的施工工法。但少有學(xué)者針對高速公路超載的情況，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析，大多為隧道施工方面的研究。因此，本文基于霞美村隧道下穿泉州繞城高速公路工程，考慮上方高速公路不同的超載情況，對隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)以及圍巖變形等展開相應(yīng)的研究，得到工程結(jié)論以及施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程背景

霞美村隧道里程DK145+511～DK146+483，全長972 m，出口終點(diǎn)里程為DK146+483；出口隧線明暗分界里程為DK146+464，隧道于DK146+405.8～DK146+447.3里程范圍內(nèi)下穿泉州繞城高速公路。交叉夾角為51 °，高速公路與霞美村隧道交點(diǎn)軌面高程為35.06 m，交叉段位于霞美村隧道出口附近，該段高速公路路面中心標(biāo)高為49.97～50.97 m，隧道埋深為4.7～5.75 m。

隧道出口周邊大部分為毛石結(jié)構(gòu)民宅，東南面最近處距離毛石結(jié)構(gòu)民宅55 m，西面最近處距離毛石結(jié)構(gòu)民宅30 m，禁止爆破開挖，經(jīng)參建四方對現(xiàn)場踏勘和研究，現(xiàn)采用靜態(tài)開挖的替代爆破方案挖除石方(圖1)。

圖1 霞美村隧道出口下穿既有高速公路平面關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

隧道出口段為出露燕山晚期第三次侵入花崗巖{γ53b}，全～弱風(fēng)化，埋深較淺，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，自穩(wěn)性差，工程地質(zhì)條件差，其圍巖級別為V級，洞口穩(wěn)定性差。出口坡面分布有風(fēng)化殘余孤石，塊徑2～5 m，自穩(wěn)能力較差，地層施工工程等級及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

隧道區(qū)地下水類型為全風(fēng)化層孔隙潛水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，受大氣降水及地表水補(bǔ)給，向低洼處排泄。由于山體切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，地下水徑流途徑較短，受大氣降雨影響較大。

表1 巖土層施工工程等級及力學(xué)參數(shù)建議值

1.3 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

霞美村隧道對既有高速進(jìn)行臨時(shí)擴(kuò)寬處理，漸變段里程K4+540～K4+790，采用“半幅雙向通車，半幅封閉施工”的方案；隧道采用雙層初期支護(hù)，第一層初期支護(hù)鋼架采用HW175型鋼，第二層初期支護(hù)鋼架采用I20a，間距皆為0.6 m，如圖2所示；待隧道下穿既有高速公路段雙層初期支護(hù)封閉成環(huán)并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后，恢復(fù)既有高速公路交通，DK146+384～DK146+464下穿高速公路段采用三臺階法施工。

圖2 霞美村隧道支護(hù)參數(shù)

2 模型建立

針對于霞美村隧道淺埋下穿高速公路結(jié)構(gòu)安全性問題，采用二維計(jì)算方法對隧道受力最大的斷面進(jìn)行有限元分析和初支結(jié)構(gòu)安全性檢算。采用FLAC3D計(jì)算分析軟件，考慮高速公路通車后不同超載情況下，對隧道初期支護(hù)變形和受力以及圍巖變形進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，隧道開挖影響范圍為3～5D,D為洞徑。本次所取的計(jì)算范圍為 150 m×50 m，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

在數(shù)值計(jì)算中，假設(shè)圍巖為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，初期支護(hù)為彈性材料，模型均采用實(shí)體單元。本文模型參數(shù)如表2所示[10-11]。高速公路荷載轉(zhuǎn)換為均布荷載施加在隧道上方，車輛荷載選用公路-Ⅰ級最大載重550 kN[12]，均布荷載為14.67 kN/m。

表2 物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況

考慮四種不同的荷載工況，工況一的荷載為高速公路規(guī)定的最大荷載；工況二的荷載為考慮超載50 %的情況；工況三的荷載為考慮超載100 %的情況；工況四的荷載為路面荷載為150 t，匯總?cè)绫?所示。

表3 計(jì)算工況 kN/m

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 路面荷載為最大載重(550 kN)

3.1.1 圍巖位移分析

圖4是隧道上方高速公路滿載時(shí)圍巖的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發(fā)生在隧道中線處的地表上，最大沉降值為0.8 mm。

3.1.2 初期支護(hù)應(yīng)力及位移分析

由圖5可知，隧道雙層初期支護(hù)最小主應(yīng)力的最大值為-3.069 MPa，位于拱腰處；最大主應(yīng)力的最大值為-0.385 MPa，位于拱腳處外側(cè)，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力。

(a)圍巖水平位移

(b)圍巖豎向位移

(c)圍巖總體位移圖4 圍巖位移(單位:m)

(a)初期支護(hù)最小主應(yīng)力

(b)初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖5 初期支護(hù)最大最小應(yīng)力(單位:Pa)

圖6是初期支護(hù)的豎向及水平位移，最大豎向位移為0.559 mm，位于拱頂處；最大水平位移為0.158 mm，位于拱腰處。

3.2 路面荷載為最大載重的1.5倍(825 kN)

3.2.1 圍巖位移分析

圖7是隧道上方高速公路考慮50 %超載時(shí)圍巖的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發(fā)生在隧道中線處的地表上，最大沉降值為1.24 mm。

(a)初期支護(hù)豎向位移

(b)初期支護(hù)水平位移圖6 初期支護(hù)位移(單位:m)

(a)圍巖水平位移

(b)圍巖豎向位移

(c)圍巖整體位移圖7 圍巖位移(單位:m)

3.2.2 初期支護(hù)應(yīng)力及位移分析

由圖8可知，隧道雙層初期支護(hù)最小主應(yīng)力的最大值為-3.1 MPa，位于拱腰處；最大主應(yīng)力的最大值為-0.388 MPa，位于拱腳處外側(cè)，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力。

圖9是初期支護(hù)的豎向及水平位移，最大豎向位移為0.872 mm，位于拱頂處；最大水平位移為0.241 mm，位于拱腰處。

3.3 路面荷載為最大載重的2倍(1 100 kN)

3.3.1 圍巖位移分析

圖10是隧道上方高速公路考慮100 %超載時(shí)的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發(fā)生在隧道中線處的地表上，最大沉降值為1.672 mm。

(a)初期支護(hù)最小主應(yīng)力

(b)初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖8 初期支護(hù)最大最小主應(yīng)力(單位:Pa)

(a)初期支護(hù)豎向位移

(b)初期支護(hù)水平位移圖9 初期支護(hù)位移(單位:m)

3.3.2 初期支護(hù)應(yīng)力及位移分析

(a) 圍巖水平位移

(b)圍巖豎向位移

(c)圍巖整體位移圖10 圍巖位移(單位:m)

(a)襯砌最小主應(yīng)力

(b)襯砌最大主應(yīng)力圖11 襯砌最大最小主應(yīng)力(單位:Pa)

(a)襯砌水平位移

(b)襯砌豎向位移圖12 襯砌位移(單位:m)

由圖11可知，隧道雙層初期支護(hù)最小主應(yīng)力的最大值為-3.13 MPa，位于拱腰處；最大主應(yīng)力的最大值為-0.391 MPa，位于拱腳處外側(cè)，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力。

圖12是初期支護(hù)的豎向及水平位移，最大豎向位移為1.187 mm，位于拱頂處；最大水平位移為0.324 mm，位于拱腰處。

3.4 路面荷載為1 500 kN

3.4.1 圍巖位移分析

圖13是隧道上方高速公路荷載為1 500 kN時(shí)的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發(fā)生在隧道中線處的地表上，最大沉降值為2.31 mm。

(a) 圍巖水平位移

(b)圍巖豎向位移

(c)圍巖整體位移圖13 圍巖位移(單位:m)

(a)襯砌最小主應(yīng)力

(b)襯砌最小主應(yīng)力圖14 襯砌最大最小主應(yīng)力(單位:Pa)

3.4.2 初期支護(hù)應(yīng)力及位移分析

由圖14可知，隧道雙層初期支護(hù)最小主應(yīng)力的最大值為-3.18 MPa，位于拱腰處；最大主應(yīng)力的最大值為-0.393 MPa，位于拱腳處外側(cè)，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力。

圖15是初期支護(hù)的豎向及水平位移，最大豎向位移為1.662 mm，位于拱頂處；最大水平位移為0.448 mm，位于拱腰處。

(a)襯砌水平位移

(b)襯砌豎向位移圖15 襯砌位移(單位:m)

4 結(jié)論

通過FLAC3D建立的二維計(jì)算模型，基于高速公路不同超載情況，分析了隧道上方的地面沉降、雙層初期支護(hù)的變形和受力。通過計(jì)算可得，在正常荷載情況下，路面沉降量最大值僅為0.8 mm；在超載50 %的工況下，路面的沉降量的最大值為1.24 mm；在超載100 %的工況下，路面的沉降量的最大值為1.672 mm，在路面荷載為1 500 kN時(shí)，路面的最大沉降值為2.31 mm，均滿足最大沉降限制1 cm的要求。同時(shí)雙層初期支護(hù)的變形和受力均較小，在材料的允許范圍內(nèi)，可以判定隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。