復雜環境下淺埋隧道下穿高速公路結構安全性研究

徐先達， 張雨昊

(中鐵上海工程局集團華海工程有限公司，上海201101)

隨著國民經濟的快速增長，公路鐵路等交通建設事業迅猛發展，鐵路與公路的相互影響也越發頻繁。當前越來越多的鐵路建設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，上覆土的工程地質條件較差，在隧道的施作中容易對圍巖的平衡造成破壞，導致地表沉降較大從而影響高速公路的運營安全以及周邊建(構)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，通過數值模擬以及現場監控量測的方法提出了“水平導向”和“潛孔錘”并結合超長管棚的施工工法。曹成勇[2]則通過數值模擬結合現場測試的方法得到了隧道襯砌的應力以及圍巖變形的動態變化規律，提出了相應的支護措施。李強[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。昝永奇[4]以深圳求水山隧道下穿機荷高速公路收費站工程為研究背景，提出了雙側壁導坑微臺階施工工法，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，研究發現在控制圍巖變形、圍巖塑性區分布區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。但每個工程的特點不同，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，最終采用了優化后的CRD法進行開挖以及支護。晉學輝[7]以新鼓山隧道下穿機場高速公路工程為研究背景，提出了“雙側壁導坑開挖+超前大管棚超前支護”施工工法，適合工程地質較差的淺埋隧道支護手段。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，通過研究發現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]則通過三軸試驗結合數值分析的方法對隧道下穿引起既有高速公路沉降規律進行研究。

通過以上調研可以發現，已有很多學者對淺埋隧道下穿高速公路的施工工法做了大量的研究，也得出了相對應的經驗與結論，但每個工程的特點不同，應當因地制宜地根據工程的具體特點采取不用的施工工法。但少有學者針對高速公路超載的情況，對隧道結構進行安全分析，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，對隧道的支護結構以及圍巖變形等展開相應的研究，得到工程結論以及施工經驗。

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構民宅，東南面最近處距離毛石結構民宅55 m，西面最近處距離毛石結構民宅30 m，禁止爆破開挖，經參建四方對現場踏勘和研究，現采用靜態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系

1.2 工程地質及水文地質條件

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

隧道區地下水類型為全風化層孔隙潛水、基巖裂隙水和構造裂隙水，受大氣降水及地表水補給，向低洼處排泄。由于山體切割強烈，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參數建議值

1.3 隧道設計參數

霞美村隧道對既有高速進行臨時擴寬處理，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，第一層初期支護鋼架采用HW175型鋼，第二層初期支護鋼架采用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封閉成環并達到設計強度要求后，恢復既有高速公路交通，DK146+384～DK146+464下穿高速公路段采用三臺階法施工。

圖2 霞美村隧道支護參數

2 模型建立

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

2.1 計算模型

根據工程經驗和理論分析，隧道開挖影響范圍為3～5D,D為洞徑。本次所取的計算范圍為 150 m×50 m，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

2.2 計算參數

在數值計算中，假設圍巖為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準則，初期支護為彈性材料，模型均采用實體單元。本文模型參數如表2所示[10-11]。高速公路荷載轉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 物理力學參數表

2.3 計算工況

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，匯總如表3所示。

表3 計算工況 kN/m

3 計算結果

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圍巖的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發生在隧道中線處的地表上，最大沉降值為0.8 mm。

3.1.2 初期支護應力及位移分析

由圖5可知，隧道雙層初期支護最小主應力的最大值為-3.069 MPa，位于拱腰處；最大主應力的最大值為-0.385 MPa，位于拱腳處外側，遠小于材料的屈服應力。

(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)初期支護最小主應力

(b)初期支護最大主應力圖5 初期支護最大最小應力(單位:Pa)

圖6是初期支護的豎向及水平位移，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 %超載時圍巖的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發生在隧道中線處的地表上，最大沉降值為1.24 mm。

(a)初期支護豎向位移

(b)初期支護水平位移圖6 初期支護位移(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 初期支護應力及位移分析

由圖8可知，隧道雙層初期支護最小主應力的最大值為-3.1 MPa，位于拱腰處；最大主應力的最大值為-0.388 MPa，位于拱腳處外側，遠小于材料的屈服應力。

圖9是初期支護的豎向及水平位移，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 %超載時的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發生在隧道中線處的地表上，最大沉降值為1.672 mm。

(a)初期支護最小主應力

(b)初期支護最大主應力圖8 初期支護最大最小主應力(單位:Pa)

(a)初期支護豎向位移

(b)初期支護水平位移圖9 初期支護位移(單位:m)

3.3.2 初期支護應力及位移分析

(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)襯砌最小主應力

(b)襯砌最大主應力圖11 襯砌最大最小主應力(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，隧道雙層初期支護最小主應力的最大值為-3.13 MPa，位于拱腰處；最大主應力的最大值為-0.391 MPa，位于拱腳處外側，遠小于材料的屈服應力。

圖12是初期支護的豎向及水平位移，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時的位移云圖。由圖可知，最大沉降位置發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)襯砌最小主應力

(b)襯砌最小主應力圖14 襯砌最大最小主應力(單位:Pa)

3.4.2 初期支護應力及位移分析

由圖14可知，隧道雙層初期支護最小主應力的最大值為-3.18 MPa，位于拱腰處；最大主應力的最大值為-0.393 MPa，位于拱腳處外側，遠小于材料的屈服應力。

圖15是初期支護的豎向及水平位移，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 結論

通過FLAC3D建立的二維計算模型，基于高速公路不同超載情況，分析了隧道上方的地面沉降、雙層初期支護的變形和受力。通過計算可得，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，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。同時雙層初期支護的變形和受力均較小，在材料的允許范圍內，可以判定隧道結構處于安全狀態。