高速鐵路淺埋大跨度隧道下穿公路施工安全性分析

潘曉明

(深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳518026)

0 引言

隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，近年來涌現(xiàn)了大量的鐵路隧道下穿公路的工程。礦山法隧道開挖施工不可避免地對地層造成擾動，引起地層沉降［1－4］，極有可能對公路結(jié)構(gòu)造成破壞。同時，公路行車荷載對隧道施工也會造成一定的影響［5－6］。因此，下穿隧道施工與公路行車相互影響，而淺埋大跨度隧道與重載行車的相互作用將更為明顯。分析隧道下穿施工對公路的作用及公路行車荷載對隧道施工的影響，對保證隧道施工及路面行車安全均具有重要意義［7］。

本文針對成都至貴陽客運專線南廠溝隧道下穿公路，采用數(shù)值方法分析了隧道下穿施工與公路行車之間的相互作用與影響，并與下穿施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比。

1 工程概況

成都至貴陽客運專線南廠溝隧道起訖里程DK101+805～DK104+980，全長3175 m，為雙線隧道，隧道進口段938.857 m位于R－9000的右偏曲線上，出口段2236.143 m位于直線上。隧道開挖斷面140 m2，下穿段埋深13 m，為淺埋大跨度隧道。

隧道位于四川省宜賓縣古柏鄉(xiāng)，屬四川省與云南省交界處，山地密林，鄰近岷江，降雨量豐富，無強風，年平均氣溫22℃。隧道地處川南紅層丘陵，圍巖為白堊系上統(tǒng)高坎壩組(K2gk)厚層至巨厚層泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)砂巖為粉細粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)，厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀平緩，產(chǎn)狀約N70°E/6°SW，層理面為最發(fā)育的結(jié)構(gòu)面，結(jié)合程度一般，多為泥質(zhì)充填;另外主要發(fā)育有一組次生結(jié)構(gòu)面，其傾角約75°，結(jié)構(gòu)面呈閉合狀，多為泥質(zhì)或鈣質(zhì)充填，結(jié)合程度一般;由于層面產(chǎn)狀近水平，強度較低，再加上巖層中夾有軟弱層，開挖在支護不及時的情況下可能導(dǎo)致掌子面上部及拱頂圍巖發(fā)生掉塊或坍塌。掌子面巖體主要為中—強風化砂巖，磚紅色，錘擊聲不清脆，無回彈，屬較軟巖。

公路為當?shù)剜l(xiāng)村公路，寬度為4.5 m，隧道下穿段起訖里程為DK101+975.8～995.2，長度為19.4 m，且該段屬淺埋段，最小埋深13.68 m。

2 隧道設(shè)計支護參數(shù)及施工方法

2．1 隧道設(shè)計支護參數(shù)

隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，開挖斷面為148.2 m2，初期支護由噴射混凝土、鋼架、錨桿及鋼筋網(wǎng)組成，并超前小導(dǎo)管等輔助支護措施，充分調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力。設(shè)計為Ⅴ級圍巖，Ⅴc型復(fù)合式襯砌類型，全環(huán)支護，具體參數(shù)如表1所示。

表1 南廠溝隧道Ⅴc型復(fù)合支護設(shè)計參數(shù)

2．2 隧道施工方法

南廠溝隧道下穿施工便道區(qū)域采用超前小導(dǎo)管進行預(yù)支護，臺階法(設(shè)臨時仰拱)開挖，分上下臺階開挖，開挖掘進兩個工作面同時進行。開挖循環(huán)上臺階進尺控制在一榀鋼架，下臺階進尺控制在兩榀鋼架，仰拱開挖控制在3 m內(nèi)。

上部導(dǎo)坑、下導(dǎo)及仰拱采用控制爆破開挖，以保護圍巖;各部之間的間距3～10 m。各部開挖后及時封閉掌子面，噴、網(wǎng)、錨及鋼架聯(lián)合支護作業(yè)，施作臨時仰拱。拱腳、下導(dǎo)墻角增設(shè)鎖腳錨管，初期支護及時成環(huán)。各部實行平行作業(yè)。

臺階法設(shè)臨時仰拱施工工序見圖1。

3 下穿施工三維數(shù)值模擬

3．1 計算模型

圖1 臺階法臨時仰拱法施工工序

本文采用FLAC3D軟件進行下穿施工的三維數(shù)值分析［8］。根據(jù)巖石力學原理，對于地下工程的結(jié)構(gòu)分析圍巖可選用3倍或以上洞徑范圍作為有限元分析的模型范圍。本次計算，圍巖選取范圍以隧道中線為基準，左側(cè)、右側(cè)延伸到40 m;上部延伸到地表;下部延伸到隧道仰拱以下30 m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束。計算中，用六面體實體單元及四面體實體單元模擬圍巖，用殼單元模擬初期支護，用梁單元模擬臨時仰拱。隧道計算模型中實體單元總數(shù)為123614個，總節(jié)點數(shù)為131352個(如圖2所示)。

圖2 數(shù)值計算模型

3．2 參數(shù)及荷載取值

3．2．1 有限差分數(shù)值模擬計算參數(shù)

本次計算根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—2005)對圍巖及不同標號混凝土的物理力學參數(shù)取值，對于初期支護及臨時支護內(nèi)的工字鋼按等效剛度簡化，隧道中墻內(nèi)鋼筋也按等效剛度進行簡化。全部土層參數(shù)及等效后隧道支護物理力學參數(shù)詳見表2。

3．2．2 荷載計算方法

由于隧道下穿施工便道，因此應(yīng)考慮上方重載貨車荷載。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—2005)，計算施工便道混凝土路面永久荷載和汽車動荷載對隧道的豎向作用的荷載組合，假定汽車荷載在道路平面上的橫向分布寬度為2.5 m，可按下式進行計算:

表2 有限元分析材料參數(shù)

貨車荷載以均布荷載的形式施加于地表面，方向垂直向下。

4 計算結(jié)果分析及施工建議

4．1 各施工步應(yīng)力場

各分步開挖后，計算域內(nèi)圍巖應(yīng)力分布情況如圖3、圖4所示。

圖4 隧道通過便道下方10 m后第一主應(yīng)力

由以上各開挖步圍巖第一、第三主應(yīng)力分布情況可知，由于在隧道開挖之前進行了小導(dǎo)管注漿支護，小導(dǎo)管注漿支護對拱部圍巖起到了很好的保護作用。在開挖過程中隧道周邊圍巖內(nèi)沒有出現(xiàn)大范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4．2 各施工步位移場

隧道開挖引起的圍巖位移能直觀反映周圍巖體變形情況，同時淺埋隧道施工必然會引起地表沉降。隧道通過施工便道下方10 m后，圍巖位移場如圖5所示。

圖5 隧道通過便道下方10 m后Z－disp云圖

根據(jù)計算得到的豎向位移，最大拱頂沉降量為49.6 mm，最大地表沉降為17.6 mm。拱頂沉降量與地表沉降量均在設(shè)計控制值范圍內(nèi)。這說明初期支護及超前小導(dǎo)管起到了很好的超前預(yù)支護作用，有效地減緩了隧道開挖區(qū)地層下沉對地表的影響。

4．3 圍巖塑性區(qū)分布

隧道掌子面通過施工便道下方10 m后圍巖塑性區(qū)分布情況如圖6所示。

圖6 隧道通過便道下方10 m后塑性區(qū)

從開挖后圍巖塑性區(qū)可以看出，僅是在隧道輪廓周邊出現(xiàn)了卸載作用引起的剪切破壞塑性區(qū)，但塑性區(qū)并未延伸發(fā)展甚至貫通，塑性區(qū)深度與體積較小，因此對施工安全影響不大。

4．4 地表下沉規(guī)律

根據(jù)設(shè)計工況及行車荷載計算得到的地表情況如圖7所示，并與不施加行車荷載工況下的地表沉降進行對比。

從兩種工況計算得到的地表沉降曲線可以看出，考慮行車荷載作用時，最大地表沉降為17.6 mm，不考慮行車荷載時，最大地表沉降為14.8 mm。因此行車荷載會對地表沉降造成一定影響，且隧道施工的地表沉降范圍變大(圖中沉降槽變寬)，地表沉降量增加18.9%，但對施工安全的整體影響較小。

圖7 兩種工況下地表橫斷面沉降曲線

綜合上述分析，可以認為，該隧道下穿施工引起的地表沉降在安全范圍內(nèi)，行車荷載對隧道施工影響較小，可以正常施工。

5 下穿施工變形監(jiān)測分析

下穿施工過程中，對地表沉降、拱頂下沉及凈空收斂進行了監(jiān)測。該段共設(shè)5組監(jiān)控斷面，選取地表沉降及拱頂下沉數(shù)據(jù)最大值的DK101+985斷面為例。斷面DK101+985拱頂下沉量穩(wěn)定在30 mm左右，地表沉降量穩(wěn)定在10 mm左右(參見圖8)。監(jiān)測結(jié)果明顯小于數(shù)值模擬結(jié)果，這是由于數(shù)值模擬考慮了開挖初期應(yīng)力釋放造成的圍巖變形，而監(jiān)測數(shù)據(jù)由于測點埋設(shè)的滯后性(初噴完成后)導(dǎo)致了沉降量變小。

圖8 DK101+985斷面拱頂下沉與地表沉降

施工過程中拱頂沉降與地表沉降均在合理范圍內(nèi)，隧道初支未出現(xiàn)明顯變形，地表道路也未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，考慮行車荷載時最大地表沉降為17.6 mm，不考慮行車荷載時最大地表沉降為14.8 mm。車輛通行條件下，隧道開挖引起的地表沉降變形會增大，沉降槽寬度也略有變寬，即行車荷載對隧道施工引起的地表變形存在一定影響，施工期間應(yīng)加強對地表沉降的監(jiān)測。

(2)從整體變形及應(yīng)力分析結(jié)果來看，在行車荷載作用下，隧道施工過程中圍巖周邊僅有小范圍土層出現(xiàn)塑性，地表沉降量增加較小，隧道施工產(chǎn)生的拱頂沉降和地表沉降均在安全范圍內(nèi)，行車荷載對隧道施工影響較小，可以正常施工。

(3)下穿施工過程中的拱頂下沉及地表沉降的監(jiān)測值均在數(shù)值分析控制范圍內(nèi)，驗證了數(shù)值分析的正確性。

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