車(chē)輛荷載對(duì)淺埋大斷面隧道圍巖的影響研究

羅紅星，但路昭，秦雨樵

(1.云南省公路開(kāi)發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；2.云南大永高速公路建設(shè)指揮部， 云南 大理 671000;3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

車(chē)輛荷載對(duì)淺埋大斷面隧道圍巖的影響研究

羅紅星1,2，但路昭1,2，秦雨樵3

(1.云南省公路開(kāi)發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；2.云南大永高速公路建設(shè)指揮部， 云南 大理 671000;3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

依托在建的甸頭隧道，開(kāi)展隧道開(kāi)挖是否考慮初期支護(hù)下車(chē)輛荷載對(duì)圍巖及大西二級(jí)公路的影響研究。結(jié)果表明： 隧道開(kāi)挖引起隧道頂部及腰部發(fā)生沉降，底部發(fā)生隆起，初襯的施加可以有效抑制隧道周邊圍巖的變形，且可減小車(chē)輛荷載對(duì)圍巖位移的影響； 三臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，隧道中部開(kāi)挖引起地表發(fā)生劇烈沉降，初襯的施加可以減小地表的沉降，減小車(chē)輛荷載對(duì)地表沉降的影響。因此，無(wú)初支的情況下，當(dāng)公路有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，隧道整體變形較大，路面可能由于差異沉降產(chǎn)生裂縫。

車(chē)輛荷載；淺埋隧道；塑性區(qū)；位移；初期支護(hù)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，高速公路的建設(shè)正如火如荼。然而，越來(lái)越多的高速公路需要穿過(guò)崇山峻嶺，隧道尤其是大斷面隧道就不可避免[1]。淺埋隧道是其與地表距離較淺，上部覆蓋層不足隧道洞跨2倍的隧道，因此，其圍巖處于全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。當(dāng)淺埋隧道與上部公路立體交叉時(shí)，由于交通荷載的作用，由于圍巖需要承受車(chē)輛所帶來(lái)的震動(dòng)荷載，這對(duì)公路能否正常運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[2-7]。對(duì)于淺埋隧道與上部公路立體交叉情況下，車(chē)輛荷載對(duì)隧道與公路的變形影響研究，國(guó)內(nèi)還很少見(jiàn)。

目前對(duì)于車(chē)輛荷載的等效研究如下：陳志廣[8]通過(guò)對(duì)車(chē)輛荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化疊加，對(duì)各種埋深情況下公路車(chē)輛荷載傳遞到隧道結(jié)構(gòu)的壓力進(jìn)行了計(jì)算和分析，研究了壓力變化的規(guī)律；皮映星[7]根據(jù)相似理論通過(guò)縮小比例尺設(shè)計(jì)一個(gè)合理的淺埋隧道模型，將交通荷載簡(jiǎn)化為一種恒載和一種正弦荷載的疊加進(jìn)行分析；張銀屏等[9]提出應(yīng)用彈性半空間地基板模型對(duì)汽車(chē)車(chē)輛荷載向下傳播規(guī)律進(jìn)行分析。

本文將以建設(shè)中的甸頭隧道為依托，開(kāi)展隧道在開(kāi)挖完畢之后施加初襯和毛洞工況下，車(chē)輛荷載對(duì)隧道及其大西二級(jí)公路的變形影響。研究結(jié)果對(duì)于甸頭隧道的后續(xù)施工具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

甸頭隧道位于大理至賓川段高速公路一處正在修建的分離式隧道，總長(zhǎng)約1 400 m，其隧道凈寬為17.34 m，且左右幅隧道測(cè)中線距離為28.21 m～29.00 m，屬于小凈距大斷面隧道。

該隧道一個(gè)重要特點(diǎn)在于與其上方的大西二級(jí)公路存在兩處交叉段(見(jiàn)圖1)。在右幅隧道中，交叉處距地表14 m，在左幅隧道中，交叉處距地表10 m，屬于近距離交叉工程。

圖1 甸頭隧道空間位置情況

1.2 地質(zhì)概況

為了準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)隧道穿越二級(jí)公路附近的巖層狀態(tài)，建立如圖2所示的鉆孔，進(jìn)行地質(zhì)情況的獲取。

圖2 鉆孔具體位置示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔獲取的巖芯，其土層描述如下：

歷史填土：黃褐色、褐灰色，稍密，稍濕；地基承載力基本容許值80 kPa；摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值30 kPa。

全—強(qiáng)風(fēng)化玄武巖：巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，極破碎，富水性較好。

強(qiáng)風(fēng)化：灰褐色，隱晶細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；地基承載力基本容許值550 kPa；摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值200 kPa。

全風(fēng)化：黃褐色、灰褐色，巖芯呈土狀；地基承載力基本容許值300 kPa；摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值80 kPa。

具體地層分界繪制如圖3所示。

圖3 鉆孔地質(zhì)剖面圖

因此，甸頭隧道穿越段上覆巖層主要為人工填土、黏土層和強(qiáng)風(fēng)化破碎玄武巖，覆蓋層總厚度僅為10 m～14 m，巖(土)層十分軟弱，加之該隧道為雙向六車(chē)道，斷面大，施工過(guò)程極易出現(xiàn)大變形、坍塌等災(zāi)害。

2 數(shù)值模型

2.1 計(jì)算方案

選取隧道與大西二級(jí)公路交叉位置建立平面有限元計(jì)算模型，模型橫向范圍左右各取4倍洞徑，豎向范圍向下取約2倍洞徑。模型尺寸見(jiàn)圖4。

圖4 平面數(shù)值計(jì)算模型示意圖(單位：m)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料獲取的地層信息，將隧道周邊巖土體分為3種材料，從上而下依次為：碎石土、全風(fēng)化玄武巖和強(qiáng)風(fēng)化玄武巖。目前左幅隧道已開(kāi)挖一段距離的上臺(tái)階，根據(jù)隧道頂部監(jiān)測(cè)位移及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖出路巖層情況，反分析玄武巖的參數(shù)，最終計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。建立的二維數(shù)值模型如圖5所示。數(shù)值分析中模型側(cè)邊界和底邊界法向約束，上表面自由。劃分單元采用四邊形平面應(yīng)變單元，共計(jì)單元14 611個(gè)，節(jié)點(diǎn)6 605個(gè)。

表1 工程區(qū)巖土材料材料參數(shù)

圖5 有限元模型圖

2.2 車(chē)輛荷載的考慮

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[10](JTGD60-2004)，在計(jì)算涵洞等局部加載的情況下采用車(chē)輛荷載。對(duì)于車(chē)輛荷載，公路—Ⅰ級(jí)和公路—Ⅱ級(jí)汽車(chē)荷載采用相同的車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛重力標(biāo)準(zhǔn)值為55 t，尺寸為15 m×2.5 m[11]。假定車(chē)輛超載時(shí)總荷重為120 t，荷載傳至碎石土層時(shí)已擴(kuò)散均勻，則作用于地表的均布荷載為。

2.3 計(jì)算工況

現(xiàn)考慮三臺(tái)階法進(jìn)行施工，并進(jìn)行2種方案的施工：

方案1：有超前支護(hù)，有初襯。本次計(jì)算中考慮開(kāi)挖的時(shí)候巖體應(yīng)力釋放率為50%，施加初襯時(shí)釋放50%。

方案2：有超前支護(hù)，無(wú)初襯。后續(xù)計(jì)算僅考慮開(kāi)挖左洞，因?yàn)橛叶吹拈_(kāi)挖對(duì)左洞的影響很小。

方案1的計(jì)算步驟：①地應(yīng)力平衡；②管棚支護(hù)；③開(kāi)挖上臺(tái)階；④施作上半斷面初期支護(hù)；⑤開(kāi)挖中臺(tái)階；⑥施作中斷面初期支護(hù)；⑦開(kāi)挖下臺(tái)階；⑧施作下半斷面初期支護(hù)；⑨施加車(chē)輛荷載。

方案2的計(jì)算步驟：①地應(yīng)力平衡；②管棚支護(hù)；③開(kāi)挖上臺(tái)階；④開(kāi)挖中臺(tái)階；⑤開(kāi)挖下臺(tái)階；⑥施加車(chē)輛荷載。

3 結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖塑性區(qū)分布

圖6展示了兩種方案下隧道開(kāi)挖結(jié)束和時(shí)間車(chē)輛荷載下圍巖塑性區(qū)的分布和擴(kuò)展情況?？梢钥闯觯?1) 隧道的頂部由于進(jìn)行了超前支護(hù)，強(qiáng)化了圍巖參數(shù)，因此塑性區(qū)主要集中在隧道的中部及下部；(2) 方案1的情況下，車(chē)輛荷載的施加未引起圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展，方案2的情況下，施加車(chē)輛荷載后，圍巖的塑性區(qū)在隧道頂部沿著超前支護(hù)邊界擴(kuò)展；(3) 方案1的等效塑性應(yīng)變最大值(0.07)是方案2(0.2)的35%，這說(shuō)明初支可以有效抑制塑性應(yīng)變的大小和范圍。

圖6 隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布

3.2 隧道位移變化

為了評(píng)價(jià)不同施工方案對(duì)圍巖位移的影響，選取隧道的頂部、腰部和底部中點(diǎn)作為模擬過(guò)程中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。位移變化過(guò)程如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)反應(yīng)的計(jì)算步數(shù)和3.3敘述的計(jì)算步驟一致。

圖7 數(shù)值分析關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

從圖8中可以看出，(1) 隨著開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)行，隧道的頂部和腰部均出現(xiàn)沉降，底部出現(xiàn)隆起；(2) 車(chē)輛荷載的施加，使得隧道頂部和腰部位移繼續(xù)增加，隧道底部位移出現(xiàn)減小的趨勢(shì)；(3) 在方案1的情況下，隧道開(kāi)挖引起隧道頂部沉降1.3 cm，車(chē)輛荷載引起隧道頂部沉降0.3 cm；在方案2的情況下，隧道開(kāi)挖引起隧道頂部沉降2.2 cm，車(chē)輛荷載引起隧道頂部沉降1.0 cm。因此，初襯的施加可以有效抑制隧道周邊圍巖的變形，且可減小車(chē)輛荷載對(duì)圍巖位移的影響。

圖8 隧道頂部位移變化

3.3 地表位移變化

為了反映不同施工方案對(duì)路面沉降的影響，將開(kāi)挖的巖體編號(hào)如圖9所示。繪制不同施工方案下的路面沉降情況，如圖10所示。

圖9 開(kāi)挖巖體編號(hào)示意圖

從圖10中可以看出：(1) 三臺(tái)階法施工時(shí)，中部臺(tái)階的施工引起地表發(fā)生劇烈沉降；(2) 在方案1的情況下，隧道開(kāi)挖引起地表最大沉降1 cm，車(chē)輛荷載引起0.9 cm；在方案2的情況下，隧道開(kāi)挖引起地表最大沉降1.7 cm，車(chē)輛荷載引起1.5 cm。這說(shuō)明初襯的施加可以減小地表的沉降，減小車(chē)輛荷載對(duì)地表沉降的影響。

圖10 地表位移變化

3.4 方案2下的車(chē)輛荷載的影響分析

根據(jù)上述分析，在考慮無(wú)初期支護(hù)的情況下(有超前管棚支護(hù))，隧道開(kāi)挖之后，隧道頂部最大位移為2.2 cm，地表沉降最大值為1.7 cm；施加車(chē)輛荷載引起隧道頂部位移增加1.0 cm，地表沉降最大增加1.5 cm。為了觀察荷載的影響，采用分步加載的方式，觀察其對(duì)地表及隧道頂部的影響，如圖11和圖12所示。

圖11 車(chē)輛荷載與地表沉降的關(guān)系

圖12 車(chē)輛荷載與隧道頂部位移關(guān)系

從圖12中可以看出，車(chē)輛荷載引起地表和隧道頂部位移呈現(xiàn)線性增加的方式，未出現(xiàn)急劇增大的情況。且加載至120 t時(shí)隧道頂部位移增加1 cm，小于隧道開(kāi)挖引起的位移(2.2 cm)；地表沉降和隧道開(kāi)挖引起的數(shù)值基本一致。因此說(shuō)明，在有超前支護(hù)無(wú)完整初期支護(hù)的情況下，當(dāng)公路有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，隧道整體變形較大，路面可能由于差異沉降產(chǎn)生裂縫。建議開(kāi)挖之后需要及時(shí)跟上初期支護(hù)，盡量減小車(chē)輛對(duì)隧道位移的影響，以保證隧道的正常施工。

4 建 議

(1) 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案施工，切實(shí)落實(shí)管棚施作和注漿質(zhì)量，保證初支施工質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)施工期觀測(cè)，及時(shí)預(yù)警。

(2) 建議短進(jìn)尺、多輪次爆破開(kāi)挖(建議一次進(jìn)尺0.6 m，最大不超過(guò)1.2 m)，減少單次爆破炸藥用量，開(kāi)挖之后需要及時(shí)跟上初期支護(hù)，待初襯達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再開(kāi)始下一輪次的爆破開(kāi)挖。

(3) 若下穿施工過(guò)程中隧道變形突增或累積變形過(guò)大，則建議隧道暫緩施工，對(duì)隧道變形過(guò)大區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，待隧道變形穩(wěn)定且不再增加后再考慮繼續(xù)施工。

5 結(jié) 論

本文依托在建的甸頭隧道，開(kāi)展隧道開(kāi)挖后有無(wú)初期支護(hù)時(shí)，公路有車(chē)輛通過(guò)時(shí)對(duì)隧道圍巖的影響，結(jié)果如下：

(1) 超前支護(hù)強(qiáng)化了隧道頂部的圍巖強(qiáng)度參數(shù)，開(kāi)挖使得圍巖塑性區(qū)主要集中在隧道腰部及底部。有初襯的情況，車(chē)輛荷載未引起塑性區(qū)變化。無(wú)初襯的情況，車(chē)輛荷載使得塑性區(qū)在隧道頂部沿著超前支護(hù)邊界少量擴(kuò)展。

(2) 當(dāng)隧道開(kāi)挖時(shí)考慮超前支護(hù)和初支時(shí)，在隧道開(kāi)挖完畢之后，隧道頂部沉降1.3 cm，地表最大沉降1 cm；施加車(chē)輛荷載(考慮120 t)后，隧道頂部位移增加0.3 cm，地表最大沉降增加0.9 cm。因此，采用當(dāng)前支護(hù)設(shè)計(jì)方案，隧道施工不會(huì)導(dǎo)致隧道的垮塌，但會(huì)引起隧道的沉降變形增加，因此，施工時(shí)應(yīng)保證初支的施工質(zhì)量，并加強(qiáng)隧道施工期觀測(cè)，及時(shí)預(yù)警。

(3) 當(dāng)隧道開(kāi)挖時(shí)考慮超前支護(hù)但無(wú)初支時(shí)，在隧道開(kāi)挖完畢之后，隧道頂部沉降2.2 cm，地表最大沉降1.7 cm；施加車(chē)輛荷載(考慮120 t)后，隧道頂部位移增加1 cm，地表最大沉降增加1.5 cm，車(chē)輛荷載從0逐漸增加至120 t中，位移變化是線性的，未出現(xiàn)突變。綜合判斷該種工況下，當(dāng)公路有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，隧道整體變形較大，路面可能由于差異沉降產(chǎn)生裂縫，隧道初支有開(kāi)裂、失效風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 王 輝，陳衛(wèi)忠，陳培帥，等.淺埋大跨小凈距隧道斷面形態(tài)及合理間距的優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué),2011，32(S2)：641-646.

[2] 皮映星.交通荷載下淺埋隧道圍巖和襯砌工作性能研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué),2011.

[3] 邵珠山，范艷國(guó)，王新宇.行車(chē)荷載對(duì)淺埋黃土隧道穩(wěn)定性的影響研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，33(2):299-306.

[4] 劉 玲,余小利.非對(duì)稱(chēng)地表荷載對(duì)淺埋大斷面隧道影響分析[J].重慶建筑,2012, 11(5):15-20.

[5] 陳汝先,劉天亮.地表面交通荷載對(duì)淺埋隧道施工影響的研究[J].河南科技:上半月,2010(12):10-11.

[6] 黎 冰,高玉峰,魏代現(xiàn),等.車(chē)輛荷載的影響深度及其影響因素的研究[J].巖土力學(xué),2005,26(S1)：310-313．

[7] 皮映星.交通荷載下淺埋公路隧道襯砌的數(shù)值分析[J].科學(xué)咨詢(xún),2013(48):77-78.

[8] 陳志廣.鐵路隧道下穿公路受力分析研究[J].鐵道勘察,2013(3):40-44.

[9] 張銀屏，顧超瑜.地面車(chē)輛荷載對(duì)淺埋隧道影響的分析方法[J].中國(guó)市政工程,2008(S1):1-3.

[10] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTGD60-2015[S].北京：人民交通出版社,2004.

[11] 姚玲森.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

Influence of Vehicle Load on Large-section Tunnels in Shallow Rock Mass

LUO Hongxing1,2， DAN Luzhao1,2, Qin Yuqiao3

(1.YunnanHighwayDevelopment&InvestmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650200,China；2.YunNanDayongHigwayProjectConstructionHeadquarters,Dali,Yunnan671000,China;3.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

The ongoing project of Diantou tunnel was taken as an example in this research to analyze the influence of vehicle load on the surrounding rock and the road. The results show that: (1) Excavation leads to the subsidence of tunnel vault and waist as well as the uplift of the bottom part. The application of initial support can effectively restrain the deformation of surrounding rock of tunnel and reduce the displacement of surrounding rock caused by vehicle load; (2) The excavation of the middle of tunnel results severe surface settlement when using the three step excavation method. The application of primary support can reduce the surface settlement caused by vehicle loads and excavation. Therefore, the overall deformation of tunnel is larger under the traffic load without the primary support. Besides, the pavement cracks may emerge in this condition.

vehicle loading,; shallow tunnel; plastic zone; displacement; initial support

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.019

2016-12-09

2017-01-04

云交科教[2016]140(A)資助項(xiàng)目

羅紅星(1976—)，男，云南大理人，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理方面的工作。 E-mail: 295654567@qq.com

TU443

A

1672—1144(2017)02—0100—05