新建隧道下穿施工對既有高速公路的影響及工法優(yōu)化研究

(1河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理系，河南 鄭州 450000;2中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 ，北京 100083)

0 引言

城市化進程的不斷加速促使了立體化交通的發(fā)展，受很多因素限制，并非所有的地方都允許修建高架橋，隧道的出現(xiàn)不僅能實現(xiàn)立體化交通，同時它對周邊環(huán)境的影響明顯小于高架橋。但隧道修建過程中，土體的開挖會使得周邊圍巖原有的應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)遭受破壞，新建工程施工影響范圍內(nèi)的各種建構(gòu)筑物都會受到影響。新建隧道下穿既有高速公路的例子已經(jīng)屢見不鮮，如果施工過程中對圍巖變形的控制不當，極容易導(dǎo)致既有道路產(chǎn)生較大的沉降，對其安全運營造成影響。為了研究新建隧道下穿施工對既有道路的影響。張臻等[1]以某六車道的雙洞公路隧道施工對既有高速公路的影響進行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)新建隧道采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，有利于減小新建隧道施工引起的周圍巖體變形和影響范圍內(nèi)高速公路的沉降；張沙嶠等[2]借助于Midas有限元軟件，就寶漢高速采取CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時引起316國道的沉降進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)CRD法對控制更有利于控制周圍巖體沉降；張建宇、汪濤等[3-4]也就新建公路隧道下穿施工對既有公路的影響進行了研究。

鑒于工程特性的差異性和不同施工單位所專長的施工方法也并不盡相同，就新建隧道下穿施工對既有高速公路的影響還應(yīng)該具體問題具體分析[5-6]。本文以新建Q隧道下穿既有A高速公路為背景，對兩種不同的施工方法對既有道路沉降變形的影響進行數(shù)值模擬研究。本文研究成果對本工程中新建隧道工法選擇及優(yōu)化以及工程實施均具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

A隧道為新建城市污水排放總管道，隧道全長154 m，拱頂埋深6.3～8.2 m，開挖斷面尺寸為7.35 m×7.8 m，凈尺寸為6.0 m×6.5 m，隧道兩側(cè)各新建一口豎井，深度為9 m左右，凈尺寸為8.5 m×6.5 m，新建隧道的橫斷面見圖1中(a)圖所示。

左右兩個新建豎井與既有高速公路路肩之間的距離均為30 m，隧道覆土厚度6 m，垂直下穿既有高速公路。二者之間平面及立面位置關(guān)系分別見圖1(b)和圖2所示。新建隧道采用淺埋暗挖法施工，隧道開挖形式擬采用三臺階法或CRD法施工。

(a) 橫斷面圖 (單位：cm)

(b) 平面

圖1 新建Q隧道橫斷面圖及其與既有A高速公路平面位置關(guān)系圖

Figure 1 Cross-sectional diagram of newly built Q tunnel and its relationship with plane position of existing A Expressway

圖2 新建Q隧道與既有A高速公路縱斷面位置關(guān)系圖Figure 2 The relationship between the new Q tunnel and the vertical section of the existing A Expressway

下穿施工段高速公路路基底部30 m范圍內(nèi)，新建隧道周圍土體的分布情況由上至下依次為：①雜填土層，厚度1.5～2.5 m；②中砂且含少量細砂層，厚度8.3～13.7 m；③粗砂層，厚度7.2～9.4 m；④粉質(zhì)黏土層，厚度3.6～7.7 m。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。工程場區(qū)范圍內(nèi)地下水埋深35 m左右，對本工程影響非常小，故數(shù)值模擬計算時不予以考慮。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers土層編號土層名稱γ /(kN·m-3)E /MPaμc /MPaφ /(°)①雜填土16.19.70.355.89.7②中砂16.516.00.327.89.7③粗砂19.472.80.39.729.1④粉質(zhì)黏土19.425.90.334.014.6

2 數(shù)值計算模型建立

2.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的簡化

本工程隧道開挖過程中，隧道超前支護選用29根直徑為90 mm左右的超長管棚，其間距為25～35 cm；每循環(huán)長度為24 m左右，搭接長度不小于4 m。初支采用格柵鋼架錨噴C25混凝土，厚度為30 cm。隧道二襯采用C35鋼筋混凝土，防滲等級為P20，二次襯砌厚度45 cm；二襯與初支之間采用EVA卷材做全外包法防水。

為簡化計算，將初支鋼架的彈性模量轉(zhuǎn)換為錨噴混凝土的彈性模量，如下[8-12]：

(1)

式中:E為折算后的錨噴混凝土彈性模量，MPa；E0為實際初支混凝土的彈性模量，MPa；Sg為鋼筋的橫截面面積；mm2；Eg為鋼筋的彈性模量，MPa；Sc為初期支護混凝土的橫截面面積。折算后的隧道襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2所示。

表2 折算后的襯砌混凝土物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Converted physical and mechanical parameters of lining concrete序號材料名稱γ /(kN·m-3)E /MPaμ1初期支護25.8300.242二次襯砌25.8350.243加固區(qū)23.4210.16

2.2 周圍土體的簡化及模型建立

實際中土體的分布不是均勻的，注漿加固區(qū)域的分布形狀也非常復(fù)雜，同時，注漿液與土體混合后的固結(jié)體的強度也不是各向同性的[13]。為此，數(shù)值模擬的計算需要假定土層分布均勻，漿液加固區(qū)域固定，且所有材料均符合摩爾—庫倫屈服強度準則[14]，土體和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)分別見表1和表2所示。

基于以上假設(shè)，本文采用ANSYS建立三維計算模型，并利用有限差分軟件FLAC 3D軟件就新建隧道下穿施工對既有高速公路的影響進行數(shù)值模擬研究，計算模型及其網(wǎng)格劃分見圖3所示。計算模型采用位移邊界條件，模型底部約束全部位移，四周約束水平位移，頂面為自由面。

(a) 采用ANSYS建立三維模型并劃分網(wǎng)格

(b) 將計算網(wǎng)格導(dǎo)入到FLAC 3D中

3 不同工法下高速公路路面沉降

3.1 CRD工法施工的影響研究

CRD隧道施工方法是將通過澆筑中隔壁，將一個開挖面分隔成4個獨立掌子面的方法，每個掌子面獨立施工，雖然施工時掌子面之間會出現(xiàn)互相干擾的現(xiàn)象且多掌子面的施工會對圍巖造成多次干擾[15]。但工程經(jīng)驗表明，4個小掌子面道施工引起的周圍巖體變形和地表沉降遠小于1個大掌子面施工所引起的變形和沉降[16]，隧道施工過程中嚴格遵循淺埋暗挖法施工的18字方針。

施工步驟見圖4所示，先開挖隧道進尺方向左側(cè)的土體，并及時施加中隔壁，然后開挖進尺方向右側(cè)。開挖掘進過程中，上下臺階之間保持3 m左右的距離。對CRD法的施工過程簡述如下：FLAC 3D計算時分如下幾個步驟進行計算：

圖4 CRD工法施工順序圖Figure 4 Sequence diagram of CRD construction method

a.超前管棚支護及注漿管加固。

b.超前支護完成后，按照圖4中所示的開挖步序，依次開挖四個小掌子面，同時噴混凝土封閉掌子面，并及時施做周圍初期支護和臨時支護(臨時仰拱)。

c.掌子面開挖完成后拆除中隔壁和臨時支護，做防水層，然后支模澆筑二次襯砌。

FLAC計算時，分為7步進行，依次為：初始應(yīng)力場設(shè)置；超前管棚及地層加固；第一部分土體開挖；第二部分土體開挖；第三部分土體開挖；第四部分土體開挖和二次襯砌澆筑。其中，模型計算的初始應(yīng)力場僅考慮周圍巖體的重力作用，采用ANASY建模完成后導(dǎo)入FLAC 3D中，模型應(yīng)力平衡后即認為初始應(yīng)力場模擬完成。

如圖5為隧道開挖完成后的模型沉降云圖，由圖可以得到如下結(jié)論：

(a) 整體模型豎向位移云圖

(b) 隧道中間截面處模型豎向位移云圖

Figure 5 Settlement nephogram of model after tunnel excavation by CRD method

a.隧道施工過程打破既有圍巖體的平衡狀態(tài)，使得圍巖應(yīng)力得以釋放，表現(xiàn)為巖土出現(xiàn)沉降，由于隧道拱頂上方的富土厚度不同，巖土體出現(xiàn)的沉降程度也不盡相同，其中隧道下穿過程中，高速公路的拱肩位置出現(xiàn)的沉降最大，為12.9 mm。

b.隧道的開挖使得底部圍巖巖體的上覆土的重力減小，巖體會出現(xiàn)上浮的現(xiàn)象，與原有土體相比，新挖隧道挖去的土體占比越大，隧道底部出現(xiàn)的上浮也將會越大；隧道底部最大上浮值為18.15 mm。

c.隧道開挖過程中對其拱頂位置處圍巖的沉降影響非常大，整個開挖過程完成、圍巖變形趨于穩(wěn)定后，拱頂出現(xiàn)的累積沉降值最大；這主要是因為新建隧道開挖位于拱頂下方，其下層土體被挖空后，支撐作用消失，土體的沉降也就相應(yīng)地較大。

d.比較既有高速公路路基下方和路肩下方土體沉降可以發(fā)現(xiàn)，路基下方土體的沉降值要比路肩下方的大，這主要是因為本工程中隧道為淺埋暗挖隧道，其拱頂上方土體的沉降受上層覆土的影響較大，上層覆土越薄，隧道支護結(jié)構(gòu)受力越小，拱頂?shù)某两狄簿驮叫　?/p>

3.2 三臺階法施工的影響研究

CRD法的施工是將一個大的工作面變成4個小的工作面，以圖減少施工過程對周圍巖體的干擾和對既有高速公路的影響，但它施工步序多，效率低下，經(jīng)濟成本較高，為了提高施工效率，兼顧成本和安全，本工程也將三臺階法作為備選工法之一。三臺階法施工步序如圖6所示，其施工步驟簡單，由上至下，分3次開挖，開挖過程中嚴格遵循淺埋暗挖法施工的“18字方針”。

圖6 三臺階法施工步驟圖Figure 6 The construction step diagram of the third step method

FLAC計算時，分為6步進行，依次為：初始應(yīng)力場設(shè)置；超前管棚及地層加固；第一部分土體開挖；第二部分土體開挖；第三部分土體開挖和二次襯砌澆筑。其余設(shè)置情況均與上述CRD法施工相同，每次循環(huán)進尺3 m。

由圖7所示隧道施工完成后模型沉降云圖和整個動態(tài)模擬過程可以得到如下結(jié)論：

(a) 整體模型豎向位移云圖

(b) 隧道中間截面處模型豎向位移云圖

Figure 7 3 nephogram of model settlement after tunnel excavation by step method

a.三臺階法施工過程中，上臺階施工引起周圍巖土體的沉降值較小，中間臺階施工時圍巖沉降迅速增大，直至下臺階施工完成后，沉降趨于穩(wěn)定，并達到最大值。

b.與CRD法施工時相類似，三臺階法施工也會引起土體沉降且隧道拱頂位置附近的沉降最為明顯；與此同時，覆土厚度較大的高速公路路基下方土體的沉降明顯大于覆土較薄的位置，其原因與CRD法施工時的一致。

c.采用三臺階法開挖隧道也會對隧道上方和下方土體分別造成“失去支撐”和“卸荷”作用，分別引起兩個位置處的土體產(chǎn)生沉降和上浮。結(jié)果表明，三臺階法施工引起的既有高速公路路肩位置的沉降值最大，為14.7 mm。

3.3 工法比選

沿著既有高速公路中線垂直于新建隧道，每隔10 m設(shè)置一個監(jiān)測點，共計設(shè)置監(jiān)測點5個，分別提取兩種施工方法引起的不同監(jiān)測點處豎向位移值，測點布置見圖3中(a)所示，對比結(jié)果見圖8所示。

圖8 兩種工法施工引起的路面沉降徹測點處的沉降值(單位：mm)Figure 8 Settlement values at the measured points of pavement settlement caused by two construction methods(Unit:mm)

由圖8可見，本工程中將三臺階施工方法替換為CRD法后，既有路面最大沉降值從14.7 mm減小為12.9 mm，降低值為1.8 mm，且兩種工法引起的既有路面最大沉降值均小于15 mm，最大沉降值和沉降速率均能滿足相應(yīng)規(guī)范及道路運營管理部門的要求。同時，CRD法的工作量大，臨時支撐的施做和拆除量距遠大于三臺階法施工，施工工期更長、成本更高，反而對路面沉降的影響并不是非常大，所以，三臺階法開挖更適合用于本工程施工。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS建立三維模型，并采用FLAC 3D有限差分法就某新建Q隧道采用CRD法和三臺階法下穿施工對既有A高速公路路面的沉降進行了數(shù)值模擬研究，得到主要結(jié)論如下：

a.對于本次新建的淺埋隧道引起的路基下方土體的沉降值要比路肩下方的大，這主要是因為本工程中隧道為淺埋暗挖隧道，其拱頂上方土體的沉降受上層覆土的影響較大，上層覆土越薄，隧道支護結(jié)構(gòu)受力越小，拱頂?shù)某两狄簿驮叫　?/p>

b.CRD法施工時是將1個大的掌子面變?yōu)?個小的掌子面并用臨時支撐將個掌子面分開；而臺階法施工則是由上至下，將掌子面分3次開挖，且各臺階之間不采用任何臨時支撐；由于臨時支撐能對土體的變形起到削弱作用，所以前者引起的道路沉降值明顯小于后者。

c.本工程中將三臺階施工方法替換為CRD法后，既有路面最大沉降值從14.7 mm減小為12.9 mm，降低值為1.8 mm，且兩種工法引起的既有路面最大沉降值均小于15 mm，最大沉降值和沉降速率均能滿足相應(yīng)規(guī)范及道路運營管理部門的要求。

d.相比于CRD法施工，臺階法具有工期短、成本低等優(yōu)點，且臺階法引起的路面沉降值僅比CRD法多1.8 mm，其沉降值和沉降速率均符合相應(yīng)規(guī)范及道路運營管理的要求，所以推薦本工程采用臺階法施工。