埋深對(duì)大管幕支護(hù)隧道下穿高速公路施工的地表沉降影響研究

邢琳斌，李豫東，張 敏，梁 斌?

（1.中鐵十五局集團(tuán)第三工程公司，成都，610097；2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,河南洛陽(yáng)，471023）

0 引言

隨著鐵路網(wǎng)的建設(shè)和完善，鐵路將會(huì)越來(lái)越多，各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境越來(lái)越多，在穿越高速公路時(shí)，為節(jié)省資源和不影響高速公路通車(chē)，將會(huì)越來(lái)越多地采用下部穿越的方式[1]。然而隧道在下方穿越既有構(gòu)筑物時(shí)，如施工路面沉降控制不當(dāng)，將會(huì)造成較大的安全隱患[2]。特別是穿越不封路的高速公路施工，高速公路路面如下沉較大會(huì)嚴(yán)重危及人們生命和財(cái)產(chǎn)安全[3]。因此，隧道埋深對(duì)下穿高速公路大管幕施工地表沉降影響的研究，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外環(huán)境下有重要科研和實(shí)用價(jià)值。

對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用理論與數(shù)值分析相結(jié)合方法進(jìn)行研究[4-5]。文獻(xiàn)[6]以某地鐵隧道工程為背景，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，確定隨著埋深的增大，隧道開(kāi)挖對(duì)上方土體的擾動(dòng)減小。文獻(xiàn)[7]以草帽山隧道工程為依托，采用有限元方法，分析不同埋深下地表沉降和隧道埋深的關(guān)系，確定適合本工程的最佳埋深。文獻(xiàn)[8]依托某工程，基于GAP原理，并且采用有限元方法，對(duì)隧道埋深和地表沉降的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明沉降槽寬度隨著埋深的增大而增大，地表沉降隨著埋深的增大而減小。文獻(xiàn)[9]針對(duì)某電廠地下輸煤隧道工程為分析對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)隧道埋深、襯砌與地表沉降的關(guān)系進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明地表沉降隨著埋深的增大而減小，襯砌對(duì)控制地表沉降有明顯效果。

目前，關(guān)于隧道埋深對(duì)下穿高速公路大管幕施工地表沉降影響的研究還比較少。本文以重慶鐵路樞紐東環(huán)線新白楊灣DK3+538～DK3+588標(biāo)段近距離下穿高速公路隧道工程為依托，采用MIDAS-GTS NX建立隧道三維有限元模型，對(duì)埋深分別為2.5m、3m、4m、6m、10m、和15m六種工況進(jìn)行理論模擬，分析不同埋深下地表沉降、圍巖變形以及初襯內(nèi)力等力學(xué)特性的變化規(guī)律。研究了不同隧道埋深對(duì)下穿高速公路大管幕支護(hù)地表沉降的影響，提出相應(yīng)力學(xué)結(jié)論，進(jìn)而指導(dǎo)工程施工。

1 工程概況

1.1 工程概況

中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司承擔(dān)的重慶新白楊灣鐵路隧道下穿環(huán)城高速公路工程，本項(xiàng)目是重慶地區(qū)干線鐵路規(guī)劃網(wǎng)中重要組成部分（如圖1）。其中DK3+538～DK3+588段近距離下穿環(huán)城高速，最大埋深為25m，下穿高速公路段落距離路面凈間距僅3m左右。該高速公路路面寬30米，雙向八車(chē)道（含應(yīng)急車(chē)道及中央隔離帶），隧道與公路平面交角為69°25'23''，鐵路下穿段長(zhǎng)約50米。根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，超前支護(hù)選用720mm大管幕，開(kāi)挖采用臺(tái)階法施作。

圖1 新白楊灣隧道進(jìn)口圖

1.2 超前支護(hù)方案

管幕法是地下空間建設(shè)的獨(dú)特方法，首先把大鋼管打入圍巖中，在未開(kāi)挖前形成一個(gè)受保護(hù)的空間，在此空間內(nèi)可安全開(kāi)挖。管幕法作為穿越城市公路、建筑物、環(huán)城高速和鐵路線等情況下使用的開(kāi)挖技術(shù)，它具有不影響上方人員正常活動(dòng)及車(chē)輛通行等優(yōu)點(diǎn)，并且可以有效降低地面沉降，減少對(duì)開(kāi)挖周邊環(huán)境的影響。施工現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 管幕法施工現(xiàn)場(chǎng)圖

2 有限元模型

2.1 模型建立

為了分析超淺埋隧道下穿高速公路施工力學(xué)特性，采用模擬軟件MIDAS-GTS NX建立隧道有限元模型，分析坐標(biāo)為X、Y、Z系。

通過(guò)MIDAS GTS NX軟件建立三維數(shù)值模擬性進(jìn)行模擬分析，其中X方向取隧道斷面橫向，Y方向取隧道開(kāi)挖縱向，Z方向取隧道斷面豎向，根據(jù)圣維南原理，模型計(jì)算邊界應(yīng)取隧道洞徑的3～5倍，因此本文X軸水平方向兩邊各取約3倍的隧道洞徑，即距離中心點(diǎn)Y方向左右各取35m，Z軸豎直方向由隧道中心至下邊界取約26m，向上取到地表[10]。因圍巖是整體結(jié)構(gòu)，模型從中取出，所以緊緊前后面為自由面，由有關(guān)規(guī)范[11]可得，又同時(shí)為計(jì)算時(shí)的方便快捷，隧道模型上表面取20kN/m的均布荷載，除上表面的其他面施加位移約束。模型如圖3所示。

圖3 模型圖

2.2 有限元參數(shù)的確定

由本項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)所知，噴混采用C25，其厚度為27cm；Φ22mm中空錨桿作為施工所用；大管幕超前支護(hù)采用50m長(zhǎng)鋼筒，其直徑、壁厚和環(huán)形間距分別是720mm、16mm和760mm；取最不利情況進(jìn)行有限元分析，二次襯砌在模擬的最后被激活。構(gòu)件在進(jìn)行建模模擬時(shí)，被賦予不同屬性，為便于模型計(jì)算，用組合體的形式模擬噴混合鋼架[12]。初期支護(hù)的等效彈性模量[13]按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，E為組合體綜合彈性模量（MPa）；Ec為噴射混凝土的彈性模量（MPa）；Eg為鋼拱架的彈性模量（MPa）；Sg為鋼拱架的截面面積（m2）；Sc為噴射混凝土的截面面積（m2）。

管幕的等效彈性模量[13]按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中，E0為管幕等效彈性模量（MPa）；E1為管幕漿液彈性模量（MPa）；E2為管幕彈性模量（MPa）；I1為管幕管內(nèi)漿液慣性矩（m4）；I2為管幕慣性矩（m4）。

等效重度[13]按照公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中，γ為管幕等效重度（kN·m-3）；γ1為管幕管內(nèi)漿液重度（kN·m-3）；γ2為管幕重度（kN·m-3）；A1為管幕管內(nèi)漿液截面面積（m2）；A2為管幕截面面積（m2）。

根據(jù)以上公式計(jì)算結(jié)果并參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，巖土和構(gòu)件的有限元參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土和構(gòu)件的有限元參數(shù)

3 基于Peck公式的地表沉降分析

1958年Martos[15]在巷道開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)地表沉降值，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到地表沉降槽的分布規(guī)律。1969年，美國(guó)科學(xué)家Peck[16]在歸納總結(jié)大量實(shí)際工程沉降數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出隧道開(kāi)挖引起的地表沉降曲線符合正態(tài)分布。隧道開(kāi)挖地表沉降公式為式（4）～（7）：

式中：Sx為地表橫向x點(diǎn)的沉降值（mm）；i為沉降槽寬度（mm）；Smax為地表中心最大沉降值（mm）；Vi為單位長(zhǎng)度上地層損失體積（m2）；H為隧道上方高度（m）；R為隧道半徑，取值6.5m；V1為地層損失率；D為等效直徑，取13m。

為研究本工程中埋深對(duì)地表沉降規(guī)律，本文利用公式（4）～（7）分別計(jì)算出沉降槽寬度i和地層損失率V1在不同埋深的數(shù)值，與有限元分析出的沉降值進(jìn)行對(duì)比分析。

4 結(jié)果與分析

為了分析隧道埋深對(duì)下穿高速公路大管幕施工地表沉降和隧道受力影響規(guī)律，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和類(lèi)似隧道工程[17-18]提出的平整度要求和沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，在鐵路隧道埋深3～25m范圍內(nèi)，選取埋深深度分別為2.5m、3m、4m、6m、10m和15m共6種工況進(jìn)行研究。

4.1 地表沉降分析

根據(jù)有限元模擬結(jié)果提取6種工況隧道施工沉降云圖于圖4，并且做出6種工況地表沉降圖于圖5。

圖4 不同埋深下沉降云圖

由圖4和圖5可知：通過(guò)沉降的分布可以得知，地表沉降從洞頂向地表傳遞，隨著埋深的增大，地表的沉降影響范圍增大，不過(guò)沉降在傳遞過(guò)程中逐漸減小。不同埋深下地表沉降最大值均發(fā)生在拱頂正上方，隨著埋深的增大，隧道的施工對(duì)地表沉降影響范圍逐漸減少，且地表較大沉降值影響范圍也隨之增大，所以隧道埋深較大段施工時(shí)應(yīng)增加路面縱向沉降監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度。隨著埋深的增大，沉降值逐漸減少，埋深為2.5m、3m、4m、6m、10m和15m時(shí)沉降分別為13.12mm、11.45mm、8.89mm、6.15mm、4.31mm和3.16mm，在所選六種工況內(nèi)埋深每增加一米其最大沉降值的分別減小3.34、2.56、1.37、0.51和0.23mm。減小速率的大幅度降低說(shuō)明在埋深超過(guò)15m時(shí)，地表沉降值基本呈現(xiàn)不受埋深的影響，這時(shí)因?yàn)楣绊斏戏降膸r層在超過(guò)一定高度時(shí)形成持力拱，并且由于大管幕超前支護(hù)的存在，保護(hù)了隧道的開(kāi)挖，減少了隧道施工對(duì)地表的影響。

圖5 不同埋深地表沉降圖（單位：mm）

根據(jù)計(jì)算公式（5）（6）（7）計(jì)算并結(jié)合圖5提取沉降槽寬度i、沉降曲線最大沉降Smax和地層損失率的數(shù)值，并將其數(shù)據(jù)匯總于表2。

表2 不同埋深的沉降曲線重要指標(biāo)

依據(jù)表2分別做出最大沉降值、沉降槽寬度和地層損失率隨著埋深變化的曲線圖如圖7所示。

圖6 不同沉降指標(biāo)隨埋深變化圖

由表2和圖6可知：

①最大沉降值隨著埋深的增大而減小，當(dāng)埋深較小時(shí)，沉降值變化較大，當(dāng)埋設(shè)超過(guò)15m時(shí)，最大沉降值基本保持在3.16mm左右。本工程隧道埋深為3m，其變化幅度較大且沉降值最大，為控制沉降施工采用大管幕超前支護(hù)，并且對(duì)最淺埋深區(qū)域嚴(yán)格監(jiān)控。

②沉降槽寬度隨著埋深的增大而增大，基本呈線性關(guān)系。所以在對(duì)埋設(shè)較大區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)加大橫向監(jiān)測(cè)區(qū)域。

③地層損失率隨著埋深的增大而減小，埋深較小時(shí)損失率變化較大，埋深大于15m后地層損失率基本保持不變。所以當(dāng)埋深超過(guò)一定深度時(shí)，隧道的開(kāi)挖對(duì)地層擾動(dòng)較小且擾動(dòng)范圍基本不變。

4.2 埋深對(duì)圍巖變形的影響分析

在隧提取圍巖水平位移云圖于圖7，做出拱頂沉降隨埋深的變化圖以及水平位移隨埋深的變化圖于圖8。

圖7 不同埋深下水平位移云圖

圖8 圍巖變形隨埋深變化圖

由圖7和圖8可知：

①拱頂沉降隨埋深的增大而減小，當(dāng)埋深較淺時(shí)，拱頂沉降變化幅度較大，隨著埋深的增大而迅速較小，最終拱頂沉降值基本保持不變。所以在隧道施工中，應(yīng)對(duì)埋深3m區(qū)域的拱頂沉降嚴(yán)格監(jiān)控。

②埋深從2.5m增加到3m時(shí)，水平位移變化較小，埋深超過(guò)3m以后，水平位移迅速減小，并且最終穩(wěn)定在2.30mm左右。這是由于在埋深超過(guò)3m后，拱頂上方圍巖和大管幕超前支護(hù)形成了天然的受力拱，共同保護(hù)了隧道的開(kāi)挖，減小了水平位移。所以對(duì)埋深為3m的區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)其水平收斂嚴(yán)格監(jiān)控。

4.3 埋深對(duì)初支內(nèi)力的影響分析

在隧道施工過(guò)程中，初期支護(hù)是主要承力結(jié)構(gòu)，而二次襯砌則主要作為安全儲(chǔ)備。所以研究不同埋深下初次襯砌的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的大小，對(duì)工程的安全施工非常重要。提取6種工況下初次襯砌的第一、第三主應(yīng)力值于表3。

表3 初次襯砌的第一、第三主應(yīng)力值

由表3可知：在不同埋深下的初次襯砌的第一、第三主應(yīng)力的最大值均在相關(guān)規(guī)范的允許范圍內(nèi)[14]。第一主應(yīng)力隨著埋深增大，其應(yīng)力值先增大后減小。第三主應(yīng)力隨著埋深增大，其應(yīng)力值先減小后增大。如果僅考慮絕對(duì)值數(shù)值大小進(jìn)行研究，第一和第三主應(yīng)力均在埋深3m時(shí)達(dá)到最大值，埋深大于3m時(shí)主應(yīng)力值逐漸減小，其減小幅度越來(lái)越小。這是由于在埋深大于3m時(shí)，地表向洞頂傳遞力的途中受阻，拱頂上方圍巖形成了天然的受力拱；且有大管幕超前支護(hù)的存在，共同保護(hù)了隧道的開(kāi)挖，阻斷了力的傳遞。所以在埋深為3m的區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)其初襯受力應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控。

4.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)地表沉降、圍巖變形和襯砌受力在不同埋深下的變化規(guī)律研究，埋深在3m時(shí)，地表沉降值和拱頂沉降值比較大，而且初襯受力在埋深3m時(shí)達(dá)到最大，所以在施工中應(yīng)采用大管幕的超前支護(hù)控制沉降，并且對(duì)埋深3m時(shí)的地表沉降、拱頂沉降以及初襯受力嚴(yán)格監(jiān)控，并且制定應(yīng)急預(yù)案。

以重慶鐵路樞紐東環(huán)線新白楊灣下穿高速公路隧道工程為依托，提取其埋深為3m的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，并匯總于表4進(jìn)行分析。模擬值和實(shí)測(cè)值兩者基本一致，表明本文有限元分析方法合理，對(duì)沉降隨埋深變化的規(guī)律性分析可以有效指導(dǎo)本工程施工。

表4 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

①不同埋深下地表沉降最大值均發(fā)生在拱頂正上方，隨著埋深的增大，隧道的施工對(duì)地表沉降影響范圍逐漸增大。

②6種工況的沉降最大沉降值分別為13.12mm、11.45mm、8.89mm、6.15mm、4.31mm 和3.16mm，埋深每增加一米其最大沉降值的分別減小3.34、2.56、1.37、0.51和0.23mm，減小速率的大幅度降低說(shuō)明在埋深超過(guò)15m時(shí)，地表沉降值基本呈現(xiàn)不受埋深的影響。

③地層損失率隨著埋深的增大而減小，埋深較小時(shí)損失率變化較大，埋深大于15m后地層損失率基本保持不變。所以當(dāng)埋深超過(guò)一定深度時(shí)，隧道的開(kāi)挖對(duì)地層擾動(dòng)較小且擾動(dòng)范圍基本不變。

④埋深從2.5m增加到3m時(shí)，水平位移變化較小，埋深超過(guò)3m以后，水平位移迅速減小，埋深超過(guò)15m時(shí)水平位移值保持基本不變。初支內(nèi)力呈現(xiàn)隨著埋深先增大后減小的趨勢(shì)，埋深3m時(shí)達(dá)到最大值，隨后開(kāi)始減小。

⑤結(jié)合以上規(guī)律分析，施工中應(yīng)采用大管幕的超前支護(hù)控制沉降，并且對(duì)埋深3m時(shí)的地表沉降、拱頂沉降以及初襯受力嚴(yán)格監(jiān)控，并且制定應(yīng)急預(yù)案。