上覆路塹開挖對既有下臥大斷面隧道影響研究

王德偉

(廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，廈門 361026)

隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的高速發(fā)展，受地形、地物和地質(zhì)條件等因素限制，不可避免地會出現(xiàn)新建路塹上跨既有公路隧道的現(xiàn)象。當(dāng)路塹土方開挖卸載后，由于隧道上方的荷載減小，原來的土體平衡將被打破，可能出現(xiàn)土體隆起現(xiàn)象[1]。國內(nèi)外已有學(xué)者對此問題展開探討和分析。王衛(wèi)東等結(jié)合實際工程案例進(jìn)行數(shù)值分析，認(rèn)為由于地鐵隧道上方土體卸載，將會產(chǎn)生明顯豎向上抬現(xiàn)象[2]；張玉成等采用數(shù)值方法，研究某營運(yùn)地鐵隧道上方基坑開挖對隧道變形和應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)基坑下土體具有垂直方向卸載作用，同時隧道管片的應(yīng)力狀態(tài)也有所改變[3]；DOLE?ALOV等研究基坑開挖對鄰近隧道變形及受力特性的影響，并對加固方法和保護(hù)措施進(jìn)行研究[4-7]。

陳郁等研究基坑開挖對下臥隧道隆起的變化規(guī)律，并通過實測進(jìn)行驗證，結(jié)果表明隆起曲線接近正態(tài)分布，基坑開挖中心的隆起值明顯大于其他部位[8]；劉國彬等依托上海市地鐵1號線衡山路站，研究上部土層開挖卸載對下臥隧道隆起量的計算方法，探討應(yīng)力路徑與變形模量的關(guān)系[9]；吉茂杰等提出基坑卸載引起下臥地鐵隧道隆起量的計算方法，并通過工程實踐驗證[10]；魏綱收集國內(nèi)外14個不同的基坑開挖實際案例，分析下臥隧道的變形機(jī)理，并通過現(xiàn)場實測進(jìn)一步驗證[11]；郭鵬飛等對39個基坑開挖上跨隧道工程展開了統(tǒng)計研究，全面總結(jié)隧道豎向最大隆起量與各影響因子的關(guān)系，認(rèn)為工程地質(zhì)對隧道隆起影響較大，并提出隧道最大隆起變形預(yù)測模型[12-13]；葉均良以佛山某建設(shè)項目為背景，研究上部明挖隧道開挖對下臥地鐵盾構(gòu)隧道上浮影響，并提出相關(guān)的控制措施[14]；張鑫海等研究基坑下方盾構(gòu)隧道的圍壓變化、襯砌內(nèi)力以及縱橫向受力關(guān)系，并對基坑空間開挖尺寸進(jìn)行影響因素分析[15]。

上述案例中，多以地鐵隧道上方開挖基坑為研究對象，而對扁平大斷面隧道上方開挖卸載問題研究較少。以下依托廈門翔安機(jī)場高速公路內(nèi)厝互通工程，研究匝道路塹開挖卸荷對隧道結(jié)構(gòu)受力及變形影響，分析隧道變形與卸載量的關(guān)系，并通過監(jiān)測動態(tài)監(jiān)控隧道的安全。

1 工程概況

翔安機(jī)場高速公路(沈海高速—翔安南路)為雙向八車道，路基寬41 m，設(shè)計速度100 km/h，新建的內(nèi)厝互通B、D匝道上跨既有下沙溪隧道，存在近接施工的現(xiàn)象，其平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 平面位置關(guān)系

對既有下沙溪隧道拱頂?shù)耐练竭M(jìn)行挖方，挖方深度為0～19.1 m，該段隧道覆土厚12～31 m。挖方最深處斷面如圖2所示。

圖2 D匝道DK0+620斷面(單位：m)

既有下沙溪隧道為雙向六車道，二襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土等級為C25，防水混凝土，抗?jié)B等級為P8。

2 數(shù)值模型設(shè)計

2.1 模型建立

選擇挖方段研究區(qū)間，建立匝道公路DK0+540～DK0+680區(qū)間段的邊坡與隧道模型，模型匝道道路縱向尺寸(y軸方向)為140 m；為盡量削弱模型邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，同時考慮計算成本和效率，沿匝道橫向總尺寸(x軸方向)也取140 m，約為隧道跨度的10倍；模型深度方向(z軸方向)自地表向下取90 m，模型底面距隧道基礎(chǔ)約2倍隧道跨度。該區(qū)間段邊坡開挖卸載位于下方斜交隧道的正上方，挖方邊坡高度達(dá)34 m。而下方隧道拱頂距離邊坡坡腳最小值為16.5 m。劃分網(wǎng)格時，在隧道、路面附近適當(dāng)加密網(wǎng)格，共劃分114 127個實體單元，181 805個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 數(shù)值分析網(wǎng)格模型

2.2 材料模型及參數(shù)

山體主要地層有強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；隧道二襯采用60 cm厚C25鋼筋混凝土；初支采用板單元模擬27 cm厚C20混凝土，板單元不占用實體網(wǎng)格，不考慮附加重度。護(hù)坡采用板單元模擬，等效為10 cm的混凝土。材料參數(shù)見表1、表2。

表1 土體材料模型參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料模型參數(shù)

2.3 模擬計算方案

根據(jù)施工工序，對道路邊坡開挖過程進(jìn)行適當(dāng)簡化，分5步開挖到底。邊坡開挖前，進(jìn)行山體初始地應(yīng)力平衡，再進(jìn)行既有隧道開挖和初期支護(hù)，然后進(jìn)行二次襯砌施工。開挖邊坡前，將位移重置為零。施工模擬過程見表3。

表3 施工模擬過程

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道整體變形分布規(guī)律

針對最不利位置，提取隧道的變形、應(yīng)力、隧道外土壓力變化，如圖4所示。

圖4 雙線隧道總位移云圖

從圖4可以看出，下沙溪隧道左洞在DK0+620附近出現(xiàn)最大影響區(qū)，總位移極值達(dá)7.025 mm；右洞在DK0+580位置出現(xiàn)最大影響區(qū)，總位移極值達(dá)4.218 mm。左洞與挖方邊坡的距離較右洞近，位移也顯著大于右洞。

3.2 隧道關(guān)鍵位置剖面變形規(guī)律

左洞DK0+620剖面變形情況如圖5所示。

圖5 左洞隧道變形規(guī)律

從圖5(a)可以看出，上方邊坡開挖完成后，既有隧道主要變形是向正上方(z軸正方向)隆起。將隧道沿底部仰拱中心點(diǎn)斷開，展開成直線，得到該隧道隨著開挖過程變形發(fā)展規(guī)律。不難看出，最大位移出現(xiàn)在拱頂附近，且開挖4級臺階時，變形增長量最大。如圖5 (b)，且隨著開挖，拱頂?shù)臉O值位置向(三維模型)x負(fù)方向移動，這是山體形態(tài)特征決定的。越向下開挖，邊坡開挖臺階的重心越向y負(fù)方向移動(小里程方向)，這也說明隧道變形最大位置總是向著上方已經(jīng)開挖土體的重心位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

3.3 隧道關(guān)鍵位置剖面應(yīng)力

左洞DK0+620關(guān)鍵剖面應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 左隧道關(guān)鍵位置剖面應(yīng)力云圖

從圖6可以看出，總平均應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道側(cè)壁內(nèi)側(cè)，為1 427 kN/m2(受拉)；隧道頂和底部受壓，偏應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在側(cè)壁內(nèi)側(cè)。因此，隧道上方開挖最容易受影響的位置是既有隧道側(cè)壁內(nèi)側(cè)。對比第一～第三主應(yīng)力變化，開挖引起第三主應(yīng)力變化最大。

左洞DK0+620附近剖面應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力曲線如圖7所示。

圖7 左洞關(guān)鍵位置剖面應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)曲線

圖7(a)顯示，隧道左洞頂部和底部內(nèi)側(cè)第一主應(yīng)力隨著開挖壓力不斷增大，增量為700 kPa左右。而隧道左、右內(nèi)側(cè)壁第一主應(yīng)力相對較小，且隨上方匝道邊坡開挖過程變化不大。

圖7(b)顯示，隧道左洞左、右內(nèi)側(cè)壁第三主應(yīng)力隨著開挖拉力不斷增大，增量為2 600 kPa左右。而隧道頂部和底部內(nèi)側(cè)第三主應(yīng)力較小，且隨上方匝道邊坡開挖過程變化不大。

綜上所述，上方匝道邊坡開挖引起左洞隧道側(cè)壁內(nèi)側(cè)壁受拉，成為主要偏應(yīng)力來源，易導(dǎo)致二次襯砌開裂等病害。

3.4 隧道關(guān)鍵位置剖面外土壓力

左洞DK0+620關(guān)鍵剖面外土壓力隨開挖臺階的變化如圖8所示。

圖8 左洞土壓力隨開挖變化曲線

圖8顯示，隧道外側(cè)土壓力隨著上方邊坡開挖而減小，在拱腳位置土壓力集中。開挖結(jié)束后，側(cè)壁外土壓力從500 kPa降低到279 kPa。

雙隧道受影響最大的區(qū)域，4個位置的變形與應(yīng)力極值統(tǒng)計見表4。

表4 雙隧道變形與應(yīng)力統(tǒng)計

從表4可以看出，左隧道變形和應(yīng)力變化都顯著高于右隧道。隨著開挖，左隧道左壁外部土壓力降低，第三主應(yīng)力隨之顯著增加，偏應(yīng)力達(dá)到較高值。應(yīng)力狀態(tài)處于拉剪不利狀態(tài)，左隧道雙側(cè)壁和右隧道左側(cè)壁需重點(diǎn)監(jiān)測。

4 實測結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測布點(diǎn)

在下沙溪隧道內(nèi)布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)，按隧道前進(jìn)方向分左洞與右洞，恰好與前面數(shù)值模擬的左右洞相反，具體布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)如下(見圖9)。

圖9 下沙溪隧道測點(diǎn)布置示意

①以右洞DK0+620為中心點(diǎn)，間隔10 m布置1個拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)，共布置11個監(jiān)測點(diǎn)。

②以左洞DK0+539為中心點(diǎn)，間隔10 m布置1個拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)，共布置11個監(jiān)測點(diǎn)。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

圖10為下沙溪隧道左洞上方土體開挖期間(2021年5月21日至8月13日)變形-時間曲線。

圖10 下沙溪隧道沉降變形曲線

從圖10可以看出，隨著卸載量增大，隧道發(fā)生隆起，最大隆起值為6.2 mm，發(fā)生在ZK0+966處；右洞的變形更小，最大值僅為4.0 mm?？傮w來說，至土方開挖完，最大值不超過控制值(20 mm)，故隧道變形處于可控狀態(tài)。

5 結(jié)論

利用有限元軟件構(gòu)建現(xiàn)狀山體-隧道整體三維數(shù)值模型，研究山體開挖卸荷對隧道結(jié)構(gòu)受力及變形的影響，分析隧道變形與卸載量的關(guān)系，結(jié)論如下。

(1)數(shù)值分析表明，下沙溪隧道左洞DK0+620附近出現(xiàn)最大影響區(qū)，總位移極值達(dá)到7.025 mm；右洞DK0+580位置出現(xiàn)最大影響區(qū)，總位移極值為4.218 mm。

(2)與道路開挖地表最大位移的位置距離越近，隧道變形越大；在開挖過程中，邊坡地表和隧道最大位移位置動態(tài)變化，隧道變形最大位置總是指向地表最大位移位置。

(3)數(shù)值分析表明，DK0+620剖面總平均應(yīng)力最大值在隧道側(cè)壁內(nèi)側(cè)1 427 kN/m2(受拉)；隧道頂和底部受壓；偏應(yīng)力q的最大值也出現(xiàn)在側(cè)壁內(nèi)側(cè)，為4 007 kN/m2。上方匝道邊坡開挖過程引起左洞隧道側(cè)壁內(nèi)側(cè)受拉，容易導(dǎo)致隧道二次襯砌的內(nèi)側(cè)開裂等病害。

(4)數(shù)值分析表明，隧道外側(cè)土壓力隨上方邊坡開挖而減小，側(cè)壁外土壓力從500 kPa降為279 kPa。隨著左隧道左壁的外部土壓力降低，隧道第三主應(yīng)力隨之顯著增加，偏應(yīng)力達(dá)到最高值。其應(yīng)力狀態(tài)處于不利的拉剪狀態(tài)。右洞在DK0+580側(cè)壁第三主應(yīng)力最大值為1 300 kPa，約為左洞極值的1/2。

(5)現(xiàn)場實測結(jié)果表明，隨著卸載量的增大，最大隆起值為6.2 mm，未超過2 cm的控制標(biāo)準(zhǔn)，而且處于漸變，一般不會導(dǎo)致錯臺現(xiàn)象，故未針對不均勻變形產(chǎn)生錯臺或開裂現(xiàn)象的問題作進(jìn)一步研究。