上軟下硬地層隧道近距離下穿國道力學分析

劉鵬程

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

1 工程背景

隨著我國軌道交通事業的高速發展，隧道修建面臨的地質條件越來越復雜，新建隧道與既有交通建筑物近距離施工越來越多，在隧道下穿既有道路施工方面，國內很多學者進行了研究，賓國林[1]基于數值方法對片麻巖地層隧道下穿國道施工全過程進行模擬，識別隧道施工過程中的風險，提出保證隧道施工、既有路基安全的建議；郭明[2]等研究淺埋砂質新黃土隧道下穿國道進洞技術，得到了各工況下結構受力和沉降變形規律，提出相關隧道進洞工藝措施及控制措施；袁野[3]等模擬隧道雙側壁導坑施工動態開挖過程，分析了隧道下穿公路地表沉降及圍巖穩定性；張沙嶠[4]等對隧道施工工法進行探討，提出了CRD法更適用于下穿既有道路的隧道修建；馮劍[5]以西南地區某隧道進口段下穿填方公路為例，探索隧道下穿填方公路支護的有效方法，提出了針對性的系統支護方案；齊小勇[6]對秦嶺終南山隧道通風豎井進行施工過程模擬，對支護結構的安全性與可行性進行了分析。

本文以某鐵路隧道近距離下穿國道為研究背景，隧道穿越地層主要為砂質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國道，線位交角約90 °，最小埋深僅4 m左右，覆蓋層為第四系上更新統砂質黃土及公路路基填料。擬通過數值模擬分析該隧道修建對國道及初支結構的影響，提出保障隧道施工安全要求和措施。

2 數值模型建立

2.1 計算模型建立

計算軟件采用Midas GTS NX，根據現場實際，建立的計算模型長44 m，寬47.5 m，高34～70 m；為保證計算精度并提高計算效率，對隧道開挖及相鄰區域網格進行加密處理，疏密網格單元尺寸比例為1∶3，網格剖分見圖1所示。同時，模型底部為固定邊界，四周施加法向位移約束，如圖2所示。本次計算模型劃分單元28 402×104個，節點16 296個，地層采用修正莫爾-庫倫模型。

2.2 計算參數的確定

隧道洞身主要為砂質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挖，隧道洞內采用φ108

圖1 數值計算模型

圖2 計算邊界條件

圖3 隧道施工開挖模型細部單元劃分

mm鋼管作超前管棚支護，環向間距40 cm，以減小隧道開挖對上部公路的影響，隧道施工開挖模型細部單元劃分如圖3所示。根據地勘報告并結合JTG D70-2004《公路隧道設計規范》[7]確定的各地層巖體及計算中管棚加固區的計算參數見表1。

表1 地層參數

模擬段支護參數為：初次支護采用噴射23 cmC25混凝土，φ22 mm砂漿錨桿長3 m、1.0 m×1.0 m布置，φ8 mm鋼筋網，I16@0.6 m鋼架，采用板單元模擬；二次襯砌采用Ⅴ級圍巖復合式襯砌，拱墻、仰拱均采用C35鋼筋混凝土，襯砌厚45 cm，環向鋼筋φ22 mm，縱向間距25 cm。

對于Ⅴ級圍巖支護為鋼拱架噴錨聯合支護，采用將鋼拱架和鋼筋網的彈性模量折算給混凝土，其計算方法為：

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 支護力學參數

2.3 施工過程模擬

為探討隧道修建對國道及支護結構的影響問題，采用有限差分軟件Midas GTS NX進行施工過程的動態模擬。地層初始應力為自重應力，施工階段于公路路基處施加公路Ⅰ級荷載。該鐵路隧道施工，按上下臺階法施工，先施工上臺階，下臺階滯后上臺階10 m，計算開挖進尺2 m，每開挖一步進行上一步的初期支護，直至隧道施工完成。計算中圍巖壓力由初支承擔，二襯僅視為安全儲備。

3 計算結果分析

計算結果可獲得隧道開挖全過程310國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，經過分析，可確定該施工工法下隧道下穿國道施工的安全性與正確性。

3.1 路基和隧道位移分析

根據計算結果，可得到在模型中隧道開挖貫通時路基和初支豎向位移云圖如圖4所示。310國道公路路基在交疊處隆起0.7 mm，模型范圍內公路路基豎向最大位移在3 mm以內，變形量相對較小。隧道初期支護拱頂最大沉降量為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以內，可見采用上、下臺階法施工，配合超前管棚支護可以有效地控制該隧道的位移及對 310 國道公路路基的影響。

圖4 隧道貫通時路基與初支豎向位移(單位：m)

3.2 支護結構受力分析

圖5 新建隧道初支最小主應力PRIN TOP

圖6 新建隧道初支最小主應力PRIN BOT

根據計算結果，可得到新建隧道初支的最小主應力分布情況如圖5、圖6所示。可以看出該隧道初期支護外緣最大主壓應力為5.95 MPa，位于邊墻墻腳處；隧道初期支護內緣最大主壓應力為5.81 MPa，位于仰拱拱底處。最大主壓應力均小于TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》中C25 混凝土彎曲及偏心受壓容許應力9.6 MPa，可見采用上、下臺階法施工，配合超前管棚支護的情況下，襯砌的安全性較好。但考慮到實際施工復雜及計算參數與實際參數的差異情況，實際施工時應嚴格按照施工圖進行施工，即時完成超前管棚支護、初支及二襯的實施，最大程度保證隧道施工安全。

4 結論

(1)針對本隧道項目，對于隧道在上軟下硬地層中修建時近距離下穿一級公路時，采用上、下臺階法施工，并配合超前管棚支護可以有效地控制新建隧道的位移以及對既有公路路基的影響。值得注意的是，由于隧道上覆土層過淺，很有可能造成公路路基隆起，在采取加固措施時應考慮此情況的發生。

(2)經過支護結構受力分析，發現由于應力集中的影響，最大主壓應力和最大主拉應力多出現在邊墻墻角，故建議在初支及二襯結構配筋時對邊墻墻角進行加強設計。

(3)從計算結果可以看出，隨著隧道施工的不斷進行，隧道上覆層厚度不斷增加，上覆層巖土自重引起支護結構的變形與內力也隨之快速增長，其影響程度逐漸大于既有公路對支護結構的影響，應適時對支護結構進行加強設計。