大斷面淺埋隧道下穿高速公路變形分析

文/楊釗

1 工程概況

泉州臺商投資區泉東大道為東西走向，位于濱湖南路（原通港路）以南，規劃海灣大道以北，是臺商投資區“五橫五縱”路網規劃中的重要一橫，是臺商區中心城區內的一條重要通道，也是臺商投資區內部城市道路交通主骨架的重要組成部分；同時，它還具有對外交通的功能，是泉州臺商投資區連接東海的交通性主干道。本項目西起南北大道，東至杏秀路，路線長度約2.8km，設計時速60km/h，為雙向八車道，在鷹高山設置4 座隧道，其中車行隧道左線長980m，車行隧道右線長960m，人行隧道左線長1040m，人行隧道右線長960m[1]。

本項目下穿段位于泉州環城三期（泉州灣跨海通道），起于晉江新塘街道南塘村新塘互通，與環城高速公路二期相連，從石獅蚶江跨越泉州灣，經惠安秀涂、張坂，終于惠安錦水樞紐互通（與環城高速公路一期相接），全長約28.73km（跨海大橋長約12.92km，連接線長約15.81km），設計行車速度100km/h。沿線設蚶江、秀涂、張坂等3 處互通，大橋寬41m，雙向八車道，路基寬33.5m，雙向六車道。2009年底開工建設，2015年建成通車。下穿段高速公路竣工圖樁號K34+550～K34+650（高速公路運營樁號為K43+100～K43+200）。

鷹高山車行隧道左線與環城高速平面交角約52°，相交處隧道路面標高27.01m，環城高速路面標高約46.13m，隧道結構頂距離環城高速路面最小距離約9.11m。車行隧道右線與環城高速平面交角約44°，相交處隧道路面標高27.54m，環城高速路面標高約45.71m，隧道結構頂距離環城高速路面距離最小約8.19m。同理，人行隧道左線距環城高速路面的距離為14.03m，人行隧道右線距環城高速的距離為11.41m。

鷹高山車行隧道開挖跨度19.92m，開挖高度13.26m，開挖面積213.5m2，采用雙初支+單二襯的支護形式，其中第一層初期支護厚28cm，并采用I22b@500m 的工字鋼架進行加強；第二層初期支護厚30cm，采用Φ25@500mm 的格柵鋼架進行加強；二次襯砌采用70cm 厚模筑混凝土；超前支護采用Φ89 超前短管棚，環向間距40cm，縱向間距8m，長度10m，每兩循環搭接2m；施工采用雙側壁導坑法施工。鷹高山人行隧道開挖跨度8.44m，開挖高度7.69m，開挖面積52.65m2，采用22cm 厚C25 噴射混凝土+Φ 22@1000×500mm 砂漿錨桿進行支護；二襯采用45cm 厚C35 模筑混凝土；超前支護采用雙層超前小導管，環向間距40cm，縱向間距3m，長度4.5m，每兩循環搭接1.5m；施工采用臺階法。

2 工程地質條件

根據勘察資料，隧道下穿泉州環城高速段屬低山剝蝕丘陵與沖洪積溝谷相間地貌，地勢起伏較大，呈“凸”形。地面植被發育，下穿泉州環城高速為深挖路塹，地層主要為中風化花崗巖、微風化花崗巖，局部有孤石，地層巖石礦物成分以長石、石英為主且有部分云母及少量暗色礦物，巖體較完整，強度較高。巖石堅硬程度分類屬較硬巖，巖體完整程度為較破碎-較完整，地層物理力學參數如表1 所示。

表1 地層的物理力學參數

地下水主要為松散巖類孔隙水及風化巖層內的巖石裂隙水，地表水主要為山間水溝。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

本次計算采用三維有限元模型，在保證計算精度的條件下為使計算快捷，將模型適當簡化，根據工程經驗和理論分析，所取分析范圍為280m×90×50m（長×寬×高）。由于左線人行隧道與車行隧道和右線人行隧道與車行隧道的凈距一致，且沿高速公路方向地質情況較均勻，故可取一半進行軸對稱建模進行計算，模型如圖1 所示[2]。

圖1 三維有限元模型

將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料。本構模型采用M-C 彈塑性模型。土體采用三維實體單元，隧道初支與二襯采用板單元，混凝土采用線彈性模型，錨桿采用植入式桁架單位，土與結構單元的相互單元采用界面單元進行模擬。

模型的左右及前后邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面為自由邊界。

3.2 施工過程模擬

車行隧道施工采用雙側壁導坑法施工，人行隧道施工采用上下臺階法施工。每個導坑每循環進尺不得大于2 榀鋼架間距，臺階長度控制在3～5m 以內，仰拱距掌子面距離不得大于35m。為了減少隧道開挖的相互影響，4 條隧道掌子面的間距控制在2D（洞徑）以上（約為50m）。計算主要分為六個工況。

工況一：人行隧道左洞，初期支護完成。

工況二：人行隧道右洞，初期支護完成。

工況三：主線隧道左洞，初期支護完成。

工況四：主線隧道右洞，初期支護完成。

工況五：人行隧道二襯完成。

工況六：主線隧道二襯完成。

3.3 變形分析

3.3.1 總體變形規律

3.3.1.1 隧道施工完成后，隧道結構與巖土體的變形如圖2 所示，隧道拱頂及仰拱一定范圍內圍巖發生不同程度的位移，但是就各個施工圍巖位移的絕對量值而言均較小，且均在安全范圍內。由于車行隧道是大斷面淺埋隧道，其拱頂沉降量最大，仰拱回彈量次之；人行隧道為小斷面隧道，其沉降量相對車行隧道較小。

圖2 隧道結構與巖土體變形

3.3.1.2 泉州環城高速路面出現盆式沉降，如圖3 所示，沉降盆位于車行隧道正上方，兩沉降盆整體呈“W”形，中間有明顯的未變形帶。人行隧道由于斷面小，反射到路面的沉降也較小。

圖3 環城高速路面結構沉降變形

3.3.1.3 車行隧道左、右線凈距60.9m，約開挖跨度的3 倍，由于位于中風化花崗巖中，從圖2 中可以看出，兩車行隧道引起的圍巖變形不重疊，因此車行隧道左、右線之間為分離式隧道。

3.3.1.4 車行隧道與人行隧道凈距20.79～28.33m，約車行隧道開挖跨度的1.05～1.42 倍，約人行隧道開挖跨度的2.46～3.56 倍，但由于車行隧道為大跨度隧道，從圖2 中可以看出，車行隧道與人行隧道變形相互重疊，因此盡管中夾巖厚度較大，兩隧道仍為小凈距隧道。

3.3.1.5 從圖2 與圖3 中還可以看出，由于礦山法隧道采用新奧法原理，其周邊巖土體變形受開挖斷面大小影響較大，車行隧道施工引起的變形相對于人行隧道大得多，反映了地下工程的空間效應大小，并進一步驗證了礦山法隧道圍巖與巖土體共同受力的特點[3]。

3.3.2 變形影響區域劃分

變形影響區域的劃分可以直觀地了解到隧道施工過程中的危險部位，并采取針對性措施。隧道施工完成后，沉降量為0.5～3mm 的等值面，如圖4 所示。

圖4 隧道及周邊巖土體沉降量等值面圖

3.3.2.1 沉降量大于3mm 僅發生在隧道拱頂正上方，環城高速路面處的寬度約6.5m，等值面從上至下呈喇叭形；沉降量大于2mm 也集中位于隧道拱頂及拱腰正上方，范圍比隧道開挖跨度稍小，環城高速路面處的寬度約15.8m，等值面從上至下大致豎直；沉降量大于1mm 發生在整個隧道開挖范圍及其兩側，范圍比隧道開挖跨度大，環城高速路面處的寬度約22.6m，等值面從上至下為倒喇叭形；沉降量大于0.5mm范圍較大，包含了車行隧道、人行隧道及其兩側范圍，環城高速路面處的寬度約為65.2m。

3.3.2.2 從圖4 可以看出，通過沉降量等值面可以清晰地看到隧道開挖引起的不同沉降量所對應的區域，由此進一步根據隧道開挖斷面、地質條件、施工方法等工程特性及可接受的變形量對項目進行變形影響分區。

本項目近似地以0.5mm、1mm、2mm、3mm為分界線，沉降量大于3mm 為強烈影響區，寬度6.5m，約0.3B（開挖跨度）；沉降量介于2～3mm 為顯著影響區，寬度為15.8m，約0.8B；沉降量介于1～2mm 為一般影響區，寬度為22.6m，約1.2B；沉降量介于0.5～1mm 為低影響區，寬度為65.2m，約3B；沉降量小于1mm 為無影響區。

3.3.2.3 從圖4 還可以分析得出淺埋隧道開挖引起沉降的機理。隧道開挖后，拱頂圍巖發生松動，在自重作用下產生向下的位移，即強烈影響區，此位移為主動位移。

拱腰上方的圍巖在自重作用力與拱頂圍巖的摩擦力共同作用下發生沉降，即顯著影響區，此位移即有主動位移，也有被動位移。

隧道輪廓邊界附近上方的圍巖在拱腰上方圍巖的帶動下也發生了一定的沉降，即一般影響區，此位移為被動位移。

3.3.3 特征點沉降

大斷面淺埋隧道施工所關注的沉降特征點通常包括地表、拱頂、仰拱等，本項目特征點的沉降如圖5 所示：

圖5 特征點沉降量

車行隧道拱頂最大沉降3.88mm，仰拱最大回彈2.05mm，地表處沉降3.24mm；人行隧道拱頂最大沉降1.03mm，仰拱最大回彈1.11mm，地表處沉降0.71mm。由此可知，特征點的沉降量均較小，在規范要求的安全范圍內，可以確保泉州環城高速行車的安全。

3.3.4 錨桿變形

隧道錨桿不是通過單根使抗拔力發揮作用，而是作為系統錨桿使初期支護與圍巖連成整體共同受力，本項的錨桿的變形量如圖6 所示。

圖6 錨桿變形量

由圖6 可知，錨桿均發生了拉伸變形，其中車行隧道最大拉伸量為3.91mm，位于拱頂；最小拉伸量0.3mm，位于拱腰；人行隧道最大拉伸量1.03m，位于拱頂；臨近車行隧道一側拱腰的拉伸量0.05mm，背離車行隧道一側拱腰的拉伸量0.03mm。由此可以得出，錨桿的變形量與巖土體變形相吻合，即錨桿為被動受力，其變形量大小取決于圍巖。

4 工程措施

由于計算模型與工程實際存在差異，建議采取以下工程措施，確保工程安全。

由于泉州環城高速的重要性，采用人行隧道先行通過；根據監控量測結果，調整車行隧道施工參數及施工方案，實現動態化施工。

計算結果表明，車行隧道與人行隧道之間為小凈距隧道，應加強監控量測，必要時采取中夾巖加固措施。

泉州環城高速路面加固措施：強烈影響區建議采用地表注漿加固措施并鋪設鋼板緩沖；顯著影響區建議采用地表注漿加固措施；一般影響區建議加強監控量測；無影響區可不采取針對性措施。

由于車行隧道斷面較大，空間效應較差，施工期間應對高速路面采取限速、限載措施。

隧道初期支護施工完成后，應及時對背后的空鼓進行注漿填充，并盡早施作二次襯砌。

隧道結構頂距高速路面最小凈距僅8.19m，且圍巖以中風化花風巖為主，施工時應進行爆破振動監測，以確保路面行車舒適度。

5 結語

本文通過對大斷面淺埋隧道施工過程的模擬，根據計算結果得到以下結論：

隧道斷面的大小對沉降的影響顯著，車行隧道開挖相對于人行隧道開挖引起的沉降量大得多，斷面增大，圍巖空間效應驟減。

車行隧道與人行隧道凈距為3B（開挖跨度），為分離式隧道，車行隧道與人行隧道凈距為1.05～1.42B，為小凈距隧道。

本項目隧道拱頂0.3B 為強烈影響區，拱頂0.3～0.8B 為顯著顯影區，拱頂0.8～1.2B 為一般影響區，拱頂1.2B～3B 為低影響區，拱頂3B 以外為無影響區。

強烈影響區的圍巖變形為主動位移；顯著影響區的圍巖變形既有主動位移，也有被動位移；一般影響區的圍巖變形為被動位移。

錨桿的變形與圍巖變形相吻合，其變形也為被動變形。

本文的計算僅針對本項目的特定條件進行，未考慮其他因素影響，接下來可從以下幾個角度進行拓展，如圍巖級別、覆土深度、隧道凈距、施工工法等改變引起的變化，希望能夠為類似工程提供一定參考。