淺埋輸水隧洞穿越高速公路施工仿真模擬研究

李文富

(遼寧省水利廳，遼寧沈陽 110003)

1 工程概況

某重點輸水工程穿越高速公路段位于某河谷淺埋段，洞室長215m。穿越部位洞頂埋深10.8～15.8m，第四系沖洪積物厚約3.0～5.4m，其中粉質粘土層厚約 0.3～3.0m，圓礫層厚約1.9～3.4m，上覆巖體厚度6.2～8.2m。洞室圍巖為凝灰質砂巖、凝灰巖，弱風化為主，局部強風化，巖石強度低，為較軟巖。該段洞室圍巖類別以Ⅴ類為主。

該段隧洞屬于典型的淺埋段，設計上采用淺埋暗挖法施工。為了更全面地了解和分析該新建隧洞開挖對原有高速公路穩定性的影響，本文運用Midas GTS軟件對隧洞施工過程進行數值仿真模擬，通過路面沉降量判斷施工過程對公路產生的影響情況。該次數值模擬分析計算采用地層結構法，未考慮地下水等因素。

2 設計主要參數

2.1 結構參數

隧洞穿越Ⅴ級圍巖地區，對已有設計成果采用有限元程序分析驗算，確保結構安全經濟。隧洞開挖采用微震控制爆破技術，初期支護采用錨噴支護和鋼拱架支護聯合的方式，二襯采用模筑混凝土及時襯砌，混凝土襯砌與初期支護共同抵抗圍巖的變形。隧洞支護參數見表1，隧洞結構設計見圖1。

表1 隧洞支護結構參數表 單位:年

隧洞開挖后對隧洞洞頂圓礫進行加固處理，注漿范圍為頂拱90O，注漿孔直徑為Φ76，孔深一直鉆入圓礫層中1m。90O范圍以外采用固結灌漿對圍巖進行固結，孔深3.5m，環向設置6個孔，縱向間距3.0m，梅花形布置。

隧洞開挖時采用Φ42小導管超前支護，小導管間距0.3m。隧洞開挖采用臺階分步法開挖，開挖的循環進尺不大于1m。初期支護采用型鋼鋼架HW150間距0.6m;錨桿采用Φ25L4000@1000×1000，鋼筋網采用 Φ8@150×150，噴射混凝土C30厚度200mm。

2.2 力學參數選擇

隧洞結構計算所用參數綜合《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)、《公路隧道設計細則》(JTG/T D70-2010)、《鐵路設計規范》(GB50157-2003)等規范進行選取，具體見表2、3。

(1)巖土層力學計算參數。

圖1 斷面結構圖

表2 計算用巖土層力學參數表 單位:年

(2)支護結構材料力學參數。

表3 計算用支護結構力學參數表 單位:年

3 施工模擬

3.1 計算模型

針對公路采用Midas GTS軟件建立地層結構模型，對下穿隧洞施工過程進行模擬，在計算中，邊界約束條件對計算結果影響較大。因此，為盡量減小邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，計算模型的邊界范圍按照以下原則進行了確定，即有限元計算模型所取得地層范圍是:水平方向取隧洞左右3倍洞徑即30m;豎直方向隧洞下方取仰拱底部30m范圍，而隧洞上方按照實際埋深進行計算，計算參數參照巖土層力學參數表和支護結構力學參數表選取。

3.2 計算假定

(1)采用彈塑性計算模型。

(2)采用均一地層，巖土體的變形是各項同性的。

(3)隧洞的受力和變形是平面應變問題。

(4)不考慮地下水的影響。

(5)路面上部施加車道荷載，車道荷載的均布荷載標準值為qk=12kN/m。

3.3 模擬說明

計算中采用隧洞與地層共同作用的受力模式模擬分析隧洞結構的受力。初期支護采用梁單元，圍巖采用二維平面單元模擬。從偏于安全的方面考慮，隧洞上臺階開挖后，初期支護承受40%的圍巖壓力，隧洞下臺階開挖后，初期支護承受全部的圍巖壓力。二襯作為安全儲備，不在施工模擬計算中考慮。該次計算共對3種工況進行模擬。工況一:不對地層進行注漿加固，直接開挖;工況二:按照原設計采用洞內注漿加固地層，再進行開挖作業;工況三:采用地表注漿方式對地層加固，再進行開挖作業。

圖2 計算模型圖

3.4 模擬結果

3.4.1 工況一

在不對地層進行加固處理的情況下開挖隧洞，計算結果如圖3～6。

圖3 豎向位移云圖

圖4 路基豎向位移云圖

根據計算結果顯示，路面最大沉降量為24.3mm，初期支護最大軸力627.25kN，最大彎矩64.01kN.m。

圖5 初期支護彎矩圖

圖6 初期支護軸力圖

3.4.2 工況二

按照原設計在隧洞內對地層采用注漿加固，注漿范圍深入圓礫層1m，地層注漿加固模型圖見圖8。

圖7 洞內地層加固模型圖

根據計算結果可知，路面最大沉降量為21.2mm，初期支護最大軸力515.64kN，最大彎矩64.70kN.m。

3.4.3 工況三

采用地表注漿方式對地層進行加固，加固范圍為隧洞跨度2倍范圍內，地表注漿加固模型圖見圖8。

圖8 地表注漿土層加固模型圖

根據計算結果可知，路面最大沉降量為15.3mm，初期支護最大軸力626.01kN，最大彎矩45.45kN.m。

3.4.4 二襯結構驗算

對隧洞二襯結構驗算采用荷載結構模型，計算結果如圖9、10所示。

圖9 二次襯砌軸力圖

圖10 二次襯砌彎矩圖

根據計算結果，最大拉力為1.11kN，出現在拱頂位置;最大壓力為2.64kN，出現在拱腳位置;最大彎矩為2.23kN.m，出現在底板中部位置。通過計算可知二次襯砌結構強度滿足相關規范要求。

3.4.5 計算結果分析

對比3種工況的計算結果，采用注漿方式對地層進行加固可一定程度上減小隧洞開挖引起的地層沉降，其中洞內注漿可減小沉降量3.1mm，約占沉降量的12.8%，地表注漿可減小沉降量9mm，約占沉降量的37%。由此可見，通過地層注漿可有效減小地層沉降，是抑制地層產生較大沉降量的有效的加固方式。另外，根據初期支護結構內力計算結果，拱腳與底板交接處局部存在應力集中現象，彎矩較大，在施工時應對該部位加強監測，必要時及時進行加固處理。而通過對二襯結構進行驗算可知，二襯結構能夠滿足運營使用要求。

4 結論與建議

鑒于輸水隧洞穿越高速公路的重要性，通過對穿越施工過程進行數值模擬結果分析，得出以下結論。

(1)建議在隧洞施工前，從地表對地層結構進行注漿加固，加固范圍為隧洞周邊2倍洞徑的距離，路基邊沿采用與地面夾角60O方向斜向注漿。隧洞在高速公路下方施工時需打設大管棚，施工過程中，及時通過小導管對周邊圍巖注漿加固，以減小隧洞施工導致的土體固結沉降，降低其對路基及路面的影響。

(2)隧洞開挖采用CD法分臺階施工，上臺階與下臺階拱腳處均應打設鎖腳錨桿，每處打設2～4根，襯砌拱部與邊墻均應打設系統錨桿。每一個分部開挖后，應立即采用噴射混凝土封閉洞室圍巖，并及時進行拱架支護和錨桿、掛網支護等，要求整個工序在短時間內完成，以保證圍巖穩定。

(3)開挖施工采用微震控制爆破技術，遵循“短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的方針，保障隧洞施工過程的安全，每循環開挖進尺不大于0.8m，鋼拱架間距不大于0.8m，二襯施做應及時跟進。

(4)根據現有結構設計方案對隧洞的初期支護進行結構受力計算，拱腳與底板交接區域存在應力集中的現象，建議結構上采用圓弧過渡或在施工過程中對該區域采取加強措施;建議根據現場監控量測結果及地質情況，對局部變形較大或圍巖較差區域加強初期支護結構強度，以增加隧洞結構的安全性。

(5)施工階段將引起路面產生沉降和裂縫。應加強隧洞施工期間的監控量測，尤其應對路面進行沉降監測，并對路面的裂縫情況進行觀測統計，將監測與統計結果及時反饋，指導施工作業;隧洞施工結束后，施工單位應對路面的沉降與裂縫采取相應方式處理，恢復原貌。

［1］張淵，魏放，田新明．淺埋暗挖法施工工藝在鐵路隧道穿越高速公路中的應用［J］．鐵道標準設計．2008(02):88～91．

［2］許亞軍．超淺埋暗挖隧道下穿高速公路的施工技術［J］．隧道建設．2009(02):101 ～104．