周 飛，陳志敏,2，文 勇，黃林祥，任 益

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222； 4.重慶市鐵路(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

0 引言

近年來，隨著地下工程快速發(fā)展，隧道下穿既有線路或結(jié)構(gòu)物等工程逐漸增多，為保證新建隧道施工和上部結(jié)構(gòu)的安全，研究人員進(jìn)行大量研究：陳瑞文等[1]以杭州地鐵6號線區(qū)間隧道下穿錢江二路公路隧道為例，對上部土體的加固技術(shù)、沉降控制措施及監(jiān)測結(jié)果等進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[2-3]通過利用有限元軟件模擬隧道開挖，研究隧道在開挖過程中圍巖變形及公路沉降規(guī)律，并制定合理的施工方案；賈寶新等[4]以Peck公式為依據(jù)，通過理論推導(dǎo)得到在交叉隧道近接距離影響下的路基沉降值及相應(yīng)解析解，并通過數(shù)值模擬研究隧道開挖引起的路基沉降規(guī)律；董捷等[5]研究發(fā)現(xiàn)新建隧道下穿公路隧道時，重型汽車荷載引起的振動效應(yīng)是造成下部隧道拱頂沉降的主要原因；文獻(xiàn)[6-7]對新建隧道下穿公路或其他建筑結(jié)構(gòu)物時施工中采取的帷幕注漿等超前支護(hù)措施進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[8-9]對比分析CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在新建隧道下穿既有線路時的控制變形效果，得到雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制拱頂沉降效果好，CRD法控制水平收斂的效果更好。

新鼓山隧道洞口下穿段最小覆土厚度僅為4.1 m，要保證公路運(yùn)營不受隧道施工的影響困難極大。因此，本文針對新鼓山隧道工程洞口下穿段建立有限元模型，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析隧道開挖引起洞口段變形情況，制定控制隧道變形的開挖及支護(hù)措施。

1 工程概況及材料參數(shù)設(shè)計(jì)

新鼓山隧道位于福建省福州市鼓山風(fēng)景區(qū)，設(shè)計(jì)為單洞雙線，設(shè)計(jì)斷面寬13.8 m、高12.4 m，隧道進(jìn)口DK5+170～DK5+310段下穿機(jī)場高速及三環(huán)公路，穿越段埋深淺，覆土厚僅為4.1～4.9 m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)[10]，隧道埋深小于等效荷載高度13.7 m時，隧道進(jìn)口段為超淺埋。隧道洞口下穿段縱斷面示意如圖1所示。

圖1 新鼓山隧道洞口下穿段縱斷面示意

洞口下穿段穿越地層為人工填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗閃長巖，巖性較差。下穿段工程所處環(huán)境條件復(fù)雜，褶皺等節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)條件較差，為整個隧道乃至鐵路全線的重點(diǎn)控制工程，隧道地層參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

隧道初期支護(hù)采用C35噴射混凝土，厚度0.3 m，錨桿長4 m，采用梅花型布置，二次襯砌為C35鋼筋混凝土，厚度0.5 m，采用HRB400鋼筋。根據(jù)隧道實(shí)際情況建立三維模型，給模型施加與實(shí)際工程對應(yīng)的邊界和初始條件。三維模型尺寸為(X×Y×Z)130 m×120 m×45 m，隧道埋深取最小覆土厚度4.1 m，土層、路基采用摩爾-庫倫模型、襯砌支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型、開挖采用空模型。

在靜力計(jì)算時，模型采用摩爾-庫倫模型。考慮交通荷載時設(shè)置靜態(tài)邊界，Hyodo等[11]通過卡車在道路行駛試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同一深度豎向土壓力可以用半波正弦來表示；葉斌等[12]采用半波正弦荷載模擬交通動荷載作用，分析路基的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系。鑒于交通荷載本身的特性和前人成熟研究的可靠性，將交通荷載簡化為半波正弦動荷載，荷載示意如圖2所示。

圖2 交通動荷載示意

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)[13]，按BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)，取荷載峰值Pmax為后軸標(biāo)準(zhǔn)軸載50 kN,交通荷載豎向作用于整個道路。通過在模型邊界施加動態(tài)邊界條件的形式,模擬材料所承受的交通動荷載作用。

通過ANSYS軟件建模和劃分網(wǎng)格后再導(dǎo)入FLACD3D進(jìn)行后處理計(jì)算，最后建立模型如圖3所示。

圖3 模型及網(wǎng)格劃分

2 隧道下穿施工安全風(fēng)險評估

隧道下穿既有高速公路，施工時會對上覆既有公路造成很大影響，可能出現(xiàn)施工安全事故。因此，需要對新鼓山隧道下穿公路段進(jìn)行施工安全風(fēng)險評估。

隧道施工風(fēng)險評估經(jīng)常采用專家調(diào)查打分法、模糊綜合評判法等，但這些方法結(jié)果受個人主觀因素影響較大，而且計(jì)算過程復(fù)雜、效率較低。曹成勇等[14]采用功效系數(shù)法對淺埋隧道下穿公路施工的風(fēng)險進(jìn)行分析，分析結(jié)果較為準(zhǔn)確。因此，本文根據(jù)功效系數(shù)法原理分析新鼓山隧道下穿公路施工風(fēng)險，分析過程包括以下5個部分：

1)選取代表性指標(biāo)。各指標(biāo)盡量能全面、綜合地反映分析目標(biāo)情況。

2)預(yù)警值和極限值的確定。即各指標(biāo)的的最高和最低水平。

3)計(jì)算功效系數(shù)值如式(1)所示：

(1)

式中：di為第i個指標(biāo)功效系數(shù)值；Xi為第i個指標(biāo)實(shí)際值；Xhi為預(yù)警值；Xsi為極限值。

4)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。采用專家評分后的歸一化權(quán)重，如式(2)所示：

(2)

式中：Pi與wi分別為第i個指標(biāo)權(quán)數(shù)和權(quán)重系數(shù)。

5)分析對象的總功效系數(shù)D，如式(3)所示：

(3)

根據(jù)總功效系數(shù)，可對分析對象進(jìn)行風(fēng)險分級評估，風(fēng)險分級見表2。

表2 風(fēng)險評估等級

根據(jù)新鼓山隧道現(xiàn)場監(jiān)測和地質(zhì)勘查情況，將地表沉降、周邊收斂、地下水、掌子面及支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察等內(nèi)容作為隧道下穿施工的風(fēng)險評估的主要指標(biāo)。分析大量實(shí)際工程和規(guī)范資料，得到各指標(biāo)的預(yù)警值與極限值如表3所示。

表3 指標(biāo)預(yù)警值與極限值

根據(jù)隧道(DK5+170)～(DK5+310)段的現(xiàn)場監(jiān)測和地質(zhì)勘察情況分析，在斷面(DK5+205)處，地表沉降速率最大為3.75 mm/d，周邊最大收斂速率為2.35 mm/d。由于變形速率更能體現(xiàn)風(fēng)險的發(fā)展趨勢，所以此次采用地表沉降速率和周邊收斂速率作為評價指標(biāo)。

將現(xiàn)場監(jiān)測與觀察結(jié)果計(jì)算各指標(biāo)功效系數(shù)，最后得到總功效系數(shù)見表4。

表4 新鼓山隧道下穿施工風(fēng)險評估表

總功效系數(shù)值為78.973，根據(jù)表2風(fēng)險評估分級標(biāo)準(zhǔn)，洞口段的風(fēng)險等級為高度，結(jié)合《新鼓山隧道設(shè)計(jì)說明》中對隧道下穿段的風(fēng)險分析，隧道(DK5+170)～(DK5+310)段主要風(fēng)險等級見表5。

表5 下穿段風(fēng)險等級

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》，概率等級4為可能發(fā)生，3為偶然發(fā)生；后果等級4為很嚴(yán)重的，3為嚴(yán)重的。根據(jù)風(fēng)險接受準(zhǔn)則，風(fēng)險等級高度是不期望的，這類風(fēng)險較大，必須要進(jìn)行一定的處理措施來降低風(fēng)險。

從表5中新鼓山隧道下穿段初始風(fēng)險等級來看，下穿段主要存在的風(fēng)險為垮塌、塌方和影響既有建構(gòu)筑物，都是可能發(fā)生的。后果很嚴(yán)重的高度風(fēng)險，必須要采取相應(yīng)的措施來降低這些風(fēng)險。經(jīng)過處理以后，下穿段仍會存在殘余風(fēng)險，這類風(fēng)險也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測和重視。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，新鼓山隧道下穿段施工會對上覆既有公路造成很大影響，可能發(fā)生后果嚴(yán)重的高度風(fēng)險，所以著重對隧道洞口段的變形特征及控制方法進(jìn)行研究。

3.1 交通荷載下隧道的變形特征

在有限元軟件中模擬交通荷載作用下隧道的變形，監(jiān)測拱頂豎向位移和拱腰的水平位移的變化。計(jì)算完成后，取3個監(jiān)測點(diǎn)位移變化數(shù)據(jù)，繪制位移時程曲線如圖4～5所示。

圖4 拱頂沉降位移時程曲線

由圖4可知，在交通荷載作用以后，拱頂豎向沉降逐漸增大，最大沉降值達(dá)到0.78 mm。拱頂沉降變形響應(yīng)在4 s以后趨于穩(wěn)定。交通荷載對隧道拱頂沉降有一定影響。

由圖5可知，在單次交通動荷載作用下，隧道左右拱腰出現(xiàn)不同程度的變形響應(yīng)。變形呈現(xiàn)對稱分布，水平位移數(shù)值也正好相反，說明交通動荷載傳遞至隧道拱腰處，拱腰表現(xiàn)出來水平位移響應(yīng)變化正好相反，隧道左拱腰向右變形，右拱腰向左變形，從而隧道凈空發(fā)生收斂變形。

圖5 拱腰水平位移時程曲線

在交通荷載作用以后，拱腰水平位移隨時間增大而增大，當(dāng)去掉荷載以后，變形開始恢復(fù)，最后在地層材料阻尼作用下變形衰減至穩(wěn)定值。

在相同開挖進(jìn)尺下，未施加交通荷載與施加交通荷載的拱頂最大沉降結(jié)果見表6。

表6 開挖完成隧道拱頂沉降結(jié)果

在有無交通荷載作用的情況下，拱頂沉降有較大差別，三臺階、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法3種方法在施加交通荷載作用完成后，拱頂沉降分別增加7.8，7.7，4.9 mm。說明交通荷載作用下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時后續(xù)核心土臺階對拱頂有一定的支撐效果，減少拱頂沉降。

3.2 不同開挖方法隧道變形控制分析

分析不同施工方法對下穿變形的控制效果時，采用臺階法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法3種典型的施工方法進(jìn)行比較分析。在相同開挖進(jìn)尺下計(jì)算。在隧道斷面剛開挖至公路邊緣時開始監(jiān)測記錄開挖步，記錄隧道開挖通過道路中線處隧道斷面拱頂沉降值與周邊收斂的變化，不同開挖方法的隧道斷面拱頂沉降與周邊收斂時程曲線如圖6所示。

圖6 道路中線處隧道斷面位移時程曲線

由圖6可知，隨著隧道施工部序的進(jìn)行，隧道拱頂沉降不斷累積增加。3條曲線在關(guān)鍵施工步均有明顯轉(zhuǎn)折，說明在采用相同進(jìn)尺施工情況下，施工部序越復(fù)雜，花費(fèi)時間越長。

隧道施工經(jīng)過道路中線處隧道斷面時，產(chǎn)生臨空面，使隧道周圍巖體產(chǎn)生局部卸載，周圍應(yīng)力進(jìn)行重分布，從而導(dǎo)致隧道洞周收斂變形。3種不同方法水平收斂曲線有明顯曲率變化，證明不同開挖步對隧洞的影響不同。從拱頂沉降和水平收斂變形的角度考慮，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于其他2種方法，但花費(fèi)時間大于其他2種方法。

3.3 不同支護(hù)方式隧道變形控制分析

要更好地控制隧道沉降變形，還需采取輔助加固措施，隧道預(yù)加固方案見表7。隧道預(yù)加固模型如圖7所示。

表7 隧道預(yù)加固方案

圖7 隧道預(yù)加固模型

選取4種方案隧道在路基中線下同一斷面，設(shè)置隧道拱頂和隧底變形監(jiān)測點(diǎn)，通過數(shù)值計(jì)算得到結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同預(yù)支護(hù)方案拱頂及隧底變形云圖

以無預(yù)支護(hù)沉降值為51.4 mm基礎(chǔ)，單層大管棚超前預(yù)支護(hù)拱頂沉降控制量占比9.5%；單層大管棚超前預(yù)支護(hù)+小導(dǎo)管拱頂沉降控制量占比22.8%；雙層大管棚超前預(yù)支護(hù)拱頂沉降控制量占比38.9%?？梢婋p層大管棚預(yù)支護(hù)對拱頂沉降的控制是顯著的。

在沒有預(yù)支護(hù)的情況下隧底隆起達(dá)到26.5 mm，有支護(hù)的情況下隆起值降到21 mm左右；但是加強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)措施，隧底隆起并沒有明顯改變，這說明超前預(yù)支護(hù)手段對隧道底部隆起控制效果沒有對拱頂沉降控制的那樣顯著。

不同預(yù)支護(hù)方案的隧道水平收斂變形控制結(jié)果見表8。由表8可知，沒有預(yù)支護(hù)的情況下水平收斂達(dá)到26.2 mm，隨支護(hù)措施加強(qiáng)，水平收斂值得到顯著減小。

表8 不同預(yù)支護(hù)方案水平收斂變形控制結(jié)果

以無預(yù)支護(hù)水平收斂值為基礎(chǔ)，單層大管棚超前預(yù)支護(hù)水平收斂控制量占比13.7%；單層大管棚超前預(yù)支護(hù)+小導(dǎo)管水平收斂控制量占比24.4%；雙層大管棚超前預(yù)支護(hù)水平收斂控制量占比38.2%。說明雙層大管棚預(yù)支護(hù)對水平收斂的控制較其他預(yù)支護(hù)方式更加明顯。

綜上，從橫向、豎向位移場的計(jì)算結(jié)果來看，4種方案的變形控制效果為：雙層大管棚>單層大管棚+小導(dǎo)管>單層大管棚>無預(yù)支護(hù)。通過超前大管棚預(yù)支護(hù)，隧道開挖引起的地表沉降、拱頂沉降以及隧道水平收斂等不利變形得到有效控制，可降低施工風(fēng)險，保障施工安全。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

新鼓山隧道洞口下穿段現(xiàn)場施工時采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，開挖示意如圖9所示。

圖9 隧道開挖示意

隧道在現(xiàn)場施工中采用長管棚支護(hù)，管棚布置示意如圖10所示。長管棚一般為10～60 m，用每節(jié)長4～6 m的熱軋無縫鋼管以絲扣連接而成，鋼管上鉆注漿孔，呈梅花形布置，鋼管間距為0.40 m，鋼管軸線與襯砌外緣線夾角為1°～3°，相鄰鋼管之間環(huán)向不大于0.1 m。

圖10 隧道洞口段長管棚布置示意

選取隧道下穿南三環(huán)路處，斷面里程DK5+205為監(jiān)測斷面，在隧道拱頂及拱腰位置布設(shè)測點(diǎn)，現(xiàn)場與數(shù)值模擬拱頂沉降對比如圖11。

圖11 現(xiàn)場與數(shù)值模擬拱頂沉降對比

由圖11可知，現(xiàn)場監(jiān)測拱頂沉降的累計(jì)隨時間發(fā)展與數(shù)值模擬時程曲線趨勢相似，拱頂監(jiān)測點(diǎn)最終的穩(wěn)定沉降值為40.6 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果相近，由于工程條件的復(fù)雜性，現(xiàn)場監(jiān)測值會略大于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

選取隧道斷面里程DK5+205為監(jiān)測斷面，現(xiàn)場與數(shù)值模擬水平收斂對比如圖12所示。由圖12可知，水平收斂監(jiān)測到最終穩(wěn)定收斂值為21.38 mm，水平收斂時程曲線與地表和拱頂沉降時程曲線變化趨勢一致。同時，現(xiàn)場監(jiān)測水平收斂的累計(jì)隨時間發(fā)展與數(shù)值模擬時程曲線趨勢相似，均為累積增加的過程。

圖12 現(xiàn)場與數(shù)值模擬水平收斂對比

5 結(jié)論

1)在交通荷載作用下，隧道變形趨勢一致，沉降值隨地層深度的增加而減小。與沒有交通荷載時相比，隧道拱頂沉降值增加10%左右，說明交通荷載對隧道變形有一定影響，有必要進(jìn)行交通管制。

2)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑對隧道變形控制的效果最佳，可以將拱頂沉降控制在46 mm以內(nèi)，CD法次之，臺階法的效果最差，隧道拱頂沉降能達(dá)到70 mm左右。

3)單層大管棚加小導(dǎo)管注漿的預(yù)加固措施滿足要求且更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。與無預(yù)支護(hù)時的沉降值和收斂值相比，單層大管棚支護(hù)沉降值和收斂值分別減小9.5%和13.7%，單層大管棚+小導(dǎo)管注漿支護(hù)減小22.85%和24.4%，雙單層大管棚支護(hù)減小38.9%和38.2%。

4)現(xiàn)場采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，10～60 m的長管棚支護(hù)時，監(jiān)測斷面最終拱頂沉降值為40.6 mm，水平收斂值為21.38 mm，其控制變形效果與采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖單層大管棚+小導(dǎo)管支護(hù)模擬結(jié)果相近，有效保證隧道洞口下穿段的施工。