高速公路路隧過渡段施工階段不均勻沉降關(guān)鍵影響因素分析

韓亞軍 HAN Ya-jun；劉滔滔 LIU Tao-tao；姚琴 YAO Qin

（中國電建路橋集團，清遠 511500）

0 引言

在高速公路路隧過渡段，隧道一側(cè)仰拱及仰拱回填部分具有較大剛度，而路基一側(cè)為柔性材料，天然含水量相對較高、孔隙比大，剛度較小，在外部荷載作用下，會產(chǎn)生較大的變形，因而路隧過渡段易產(chǎn)生縱向不均勻沉降，輕則影響行車平順性，重則會引發(fā)跳車現(xiàn)象甚至會威脅行車安全。現(xiàn)有研究分析了高速鐵路路隧過渡段的線路變形特點及機理、路隧過渡段無砟軌道力學性能、搭接板結(jié)構(gòu)在路隧過渡段中對不均勻沉降的影響[1-3]。目前關(guān)于高速公路路隧過渡段尤其是施工階段不均勻沉降方面的研究較少。本文結(jié)合廣東地區(qū)某高速公路工程實際，建立路基-土體-隧道一體化有限元模型，基于現(xiàn)場過渡段施工方案選取影響參數(shù)分析其對路隧過渡段不均勻沉降的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 地形地貌及設(shè)計概況

選取某高速公路隧道入口附近路隧過渡段作為研究對象。此段高速公路總體約為東西走向，呈近直線分布，隧道最大埋深約159.53m，隧道采用分離式洞口位于斜坡上，自然山坡坡度約為10°～40°，設(shè)計明洞長10m，隧道區(qū)屬剝蝕丘陵地貌區(qū)。

1.2 地層巖性

工點主要地層從上至下依次為：①粉質(zhì)黏土，揭露層厚2.30～4.50m；②砂質(zhì)粘性土，揭露層厚0.70～15.00m；③全風化花崗巖，鉆孔揭露層厚2.20～17.40m；④強風化花崗巖，鉆孔揭露層厚2.60～37.00m；⑤中風化花崗巖，鉆孔揭露厚度3.10～42.10m。

2 計算模型

2.1 計算假定

建立高速公路路隧過渡段有限元分析模型時，為簡化計算模型、提高計算效率，做出如下假定：①土體為各向同性彈塑性均質(zhì)體；②計算模型僅考慮重力荷載與車輛荷載對沉降量的影響；③水位不變，不考慮孔隙水壓力引起的土體固結(jié)；④路基底面、各層土體接觸面均簡化為平面。

2.2 本構(gòu)模型及材料屬性

本文土體的模擬計算依據(jù)摩爾-庫侖屈服準則，材料參數(shù)主要包括彈性模量、泊松比、天然密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角以及膨脹角等；對于隧道洞口材料以及路基路面材料，選擇彈性本構(gòu)模型進行模擬，其中材料參數(shù)主要包括彈性模量、泊松比、天然密度等，表1為路隧過渡段模型材料參數(shù)表。

表1 材料參數(shù)表

2.3 邊界條件及接觸條件

根據(jù)研究地段路基和隧道的受力與約束情況，有限元模型邊界條件設(shè)置為：y方向為豎直方向，地基底部施加全約束（各方向位移均為0），兩側(cè)面施加z方向的位移約束，正面和背面施加x方向的位移約束；頂部為自由面，只考慮上部重力與車輛荷載引起的豎向應(yīng)力和位移變化。

有限元模型中接觸方式全部設(shè)置為硬接觸，即兩物體之間的穿透量為0；各土層之間均采用摩擦接觸，從最頂層自上往下摩擦系數(shù)依次采用0.35、0.3、0.4，0.3。

2.4 網(wǎng)格劃分及荷載條件

為提高有限元模型計算精確性，對有限元模型中路基及仰拱部分進行網(wǎng)格加密，另外由于隧道與土體進行接觸，受力較為復雜，故對隧道與土體接觸部分的網(wǎng)格也進行加密處理。網(wǎng)格單元類型設(shè)置為C3D8R，有限元模型網(wǎng)格總數(shù)為21530，節(jié)點數(shù)為31420。

對土體、隧道、路基路面部分施加重力荷載，并將車輛荷載簡化為20kPa的均布荷載，施加在路面上。

建立的高速公路路隧過渡段有限元模型如圖1所示。

圖1 路隧過渡段有限元模型

對比分析有無車輛荷載對路隧過渡段沉降量的影響，計算結(jié)果見圖2。

圖2 施加車輛荷載前后沉降量對比

由圖2可知，在施加車輛荷載后最大沉降量和最大不均勻沉降量有顯著增長。在車輛荷載作用下，最大沉降量為31.5mm，最大不均勻沉降由3.6mm增長到了5.9mm。車輛荷載對沉降量影響不可忽略，故在下文分析中均考慮施加車輛荷載。

3 不均勻沉降影響因素分析

3.1 搭板

計算分析時，搭板厚度采用0.3m，搭板長度采用6m，與隧道端搭接長度分別取為0.5m、1m、1.2m、1.5m、2m。計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在搭接長度取1m時，原最大沉降位置處沉降量減少了9.0mm，且最大不均勻沉降量為3.8mm。但與隧道搭接長度超過1.2m后，隧道內(nèi)部約2m處沉降量會顯著增大，當搭接長度取2m時，該處沉降量增長了14.5mm，且最大不均勻沉降量為15.1mm，對路隧過渡段沉降有負面效應(yīng)。故與隧道端搭接長度取0.5～1m時，對沉降量及最大不均勻沉降量的控制效果更為良好。

進一步研究搭板長度對路隧過渡段沉降的影響。分析時，搭板與隧道搭接長度取1m，搭板厚度取0.3m，搭板長度分別取4m、5m、6m、7m、8m。計算結(jié)果見圖4。

圖4 改變搭板長度沉降量對比

由圖4可知，設(shè)置搭板結(jié)構(gòu)后，隧道洞口前約7m處沉降量、原最大沉降量位置處沉降量均有所減小，在搭板長度取6m時，減小量為7.5mm，最大不均勻沉降量為3.8mm。隧道洞口前約2m處沉降量在設(shè)置搭板后增大，擋板長度超過6m，隧道洞口前約2m處的沉降增量變化顯著，當搭板長度取8m時，此處沉降量增大了5.9mm，且最大不均勻沉降量為6.5mm。故搭板長度取在4～6m，對沉降量的控制有較為適宜的效果。

3.2 路基材料

實際工程中路基材料使用的是水泥穩(wěn)定碎石，密度為2300kg/m3，彈性模量為1300MPa，泊松比為0.25，現(xiàn)在保持其他條件不變，分別采用改變材料密度、材料彈性模量來對沉降量進行分析。

保持路基材料的彈性模量及其他條件不變，密度分別取2300kg/m3、2600kg/m3、2900kg/m3來對沉降量進行分析。計算結(jié)果見圖5。

圖5 改變路基材料密度沉降量對比

由圖5可知，隨著路基材料密度的增大，高速公路段的最大沉降量隨之增大，密度取2300kg/m3、2600kg/m3、2900kg/m3時，高速公路段的最大沉降量分別為25.9mm、29.5mm、33.1mm，最大不均勻沉降量分別為5.9mm、5.5mm、5.2mm。

保持路基材料的密度及其他條件不變，彈性模量分別取1300MPa、1600MPa、1900MPa來對沉降量進行分析。計算結(jié)果見圖6。

圖6 改變路基材料彈性模量沉降量對比

由圖6可知，當路基材料彈性模量取1600MPa、1900MPa時，原最大沉降位置的沉降量分別減小了2.2mm、3.9mm，最大不均勻沉降沉降量分別減少為4.6mm和3.8mm。

3.3 路面鋪裝層厚度

原工程路面鋪裝最頂層及次頂層為SAM-13層和CAG-20C層，其厚度分別為4cm和6cm，現(xiàn)通過改變SAM-13層、CAG-20C層厚度的方式來對沉降量進行分析。計算結(jié)果見圖7。

圖7 改變SAM-13層、CAG-20C層厚度沉降量對比

由圖7可知，在同時增加兩層厚度時沉降量有顯著的變化，但是在僅增加SAM-13層厚度時沉降變化量非常微小，可以進一步說明次頂層CAG-20C厚度的改變對沉降量有較大的影響。

4 結(jié)論

本文建立路基-土體-隧道一體化有限元模型，分析了搭板、路基材料、路面鋪裝層厚度變化對路隧過渡段不均勻沉降的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：①設(shè)置搭板結(jié)構(gòu)對控制路隧過渡段沉降有良好的效果，但搭板與隧道端搭接長度應(yīng)控制在0.5～1m范圍內(nèi)，搭板長度應(yīng)控制在4～6m范圍內(nèi)，對沉降的控制量可以達到9mm，可將最大不均勻沉降量控制到3.8mm，搭接長度過長、搭板長度過長都會對沉降量及不均勻沉降量有不良影響。②路基材料密度增大沉降量會隨之增大，路基材料彈性模量增大沉降量會隨之減小，在路隧過渡段采用密度相對較小、彈性模量相對較大的路基材料，可以在一定程度上控制路隧過渡段的沉降量及不均勻沉降量。③改變路面鋪裝最頂層厚度對沉降量影響較小，但改變次頂層厚度對沉降量影響較大，僅改變次頂層CAG-20C厚度且取15cm時，最大沉降量可達到6.3mm，最大不均勻沉降量可達9.3mm，故路面鋪裝次頂層厚度不宜采用過厚。