雙線山嶺隧道下穿既有公路的力學(xué)響應(yīng)與施工安全管控措施研究

摘要：文章以云南省保山市昌保高速公路禹家寨隧道開挖施工下穿既有二級(jí)公路為例，通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型，模擬隧道分步開挖下穿既有道路時(shí)引起既有道路路面變形沉降與新建隧道的變形情況及其相應(yīng)的影響因素，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算提出相應(yīng)的施工安全管控措施，以期為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道；下穿；既有公路；有限元模型；變形

中圖分類號(hào)：U455.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.033

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0108-04

引言

隨著國家西部大開發(fā)的進(jìn)行，我國西部交通基礎(chǔ)設(shè)施得到快速發(fā)展，隧道工程在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。特別是在復(fù)雜地形和密集交通網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，隧道的建設(shè)不僅要滿足交通運(yùn)輸?shù)男枨螅€要確保既有結(jié)構(gòu)物的安全與穩(wěn)定。雙線山嶺隧道作為一種常見的隧道形式，其下穿既有公路的施工過程中，涉及復(fù)雜的地質(zhì)條件、力學(xué)響應(yīng)及施工安全等問題，對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)以及風(fēng)險(xiǎn)管控提出了更高的要求。關(guān)于隧道施工下穿既有結(jié)構(gòu)物的研究成果較多，例如于澤泉等［1］采用數(shù)值模擬的手段研究了地鐵盾構(gòu)下穿既有結(jié)構(gòu)物（水閘）的變形與其振動(dòng)速度，并根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果提出了該工程中的既有結(jié)構(gòu)物安全控制措施；段景川等［2］依托深圳地鐵7號(hào)線工程下穿泄水渠、側(cè)穿水庫橋結(jié)構(gòu)物，采用有限元數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)隧道施工對(duì)水工建筑物的影響規(guī)律，其研究表明，隧道下穿的泄水槽橫向沉降呈現(xiàn)“V”字形狀，而水庫橋在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中沉降槽存在一定的傾斜；周智等［3］采用FLAC 3D軟件，建立了既有建筑物-土層-新建隧道實(shí)體單元的結(jié)構(gòu)物模型，研究了隧道雙線暗挖先后穿越獨(dú)立基礎(chǔ)引起的結(jié)構(gòu)物變形，研究表明，既有結(jié)構(gòu)物的存在使地表沉降槽深度明顯減小，但寬度有所增加；侯艷娟［4］針對(duì)城市隧道暗挖下穿不同類型結(jié)構(gòu)物的安全問題，分析了不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)、變形特點(diǎn)，同時(shí)建立了以變形控制為核心的工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制體系，形成了相應(yīng)的控制流程和技術(shù)模式；宋京等［5］以某新建的地鐵隧道下穿既有地下行車通道為研究背景，建立了有限元隧道與行車通道的數(shù)值模型，研究了隧道開挖作用下既有結(jié)構(gòu)與土體間的不協(xié)調(diào)變形問題，通過其研究為依托項(xiàng)目的施工提供了施工指導(dǎo)；唐汐［6］基于城市地鐵隧道小間距下穿既有高鐵隧道的施工難題，建立有限差分模型，通過精細(xì)化模型研究雙線隧道下穿盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形預(yù)測與控制效果，其研究表明，在既有地鐵中心線±30 m范圍內(nèi)是土層和結(jié)構(gòu)物的重點(diǎn)變形區(qū)域，該研究可為類似工程提供參考。

雙線山嶺隧道下穿既有公路，如若施工不當(dāng)會(huì)引起既有公路路面沉降過大，危及隧道上方的道路安全，引發(fā)安全事故。因此，研究雙線山嶺隧道下穿既有公路的力學(xué)響應(yīng)及其對(duì)公路結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際工程施工、保障公路和隧道的運(yùn)營安全具有重要意義。

本文以云南省保山市昌保高速公路為研究背景，對(duì)其線路中的禹家寨隧道開挖施工下穿既有二級(jí)公路為項(xiàng)目依托開展研究，通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型，模擬禹家寨隧道分步開挖下穿既有道路引起既有道路路面的變形沉降與新建隧道的變形情況以及相應(yīng)的影響因素，根據(jù)數(shù)值計(jì)算提出相應(yīng)的施工安全管控措施，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1工程概述

禹家寨隧道左線長1 441 m，右線長1 489 m，為分離式隧道，采取CD法開挖隧道圍巖。該隧道采用長管棚進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，后設(shè)置工型鋼架結(jié)構(gòu)噴射混凝土，形成約0.5 m厚的隧道襯砌結(jié)構(gòu)。該隧道的地質(zhì)主要為殘坡積碎石土、強(qiáng)-中風(fēng)化變質(zhì)砂巖夾片巖，設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，長度分別為531 m、1 824 m、575 m，分別占隧道總長的18.1%、62.3%、19.6%。

禹家寨隧道出口端下穿二級(jí)公路，二級(jí)公路路面寬8 m，拱頂距二級(jí)公路路面最小埋深5.39 m。二級(jí)公路與禹家寨隧道之間的幾何位置關(guān)系如圖1所示。該二級(jí)公路是昌寧至保山的主要通道，往來車流量較大，其中材料運(yùn)輸車、大型客車多且載重大，下穿路段施工要考慮車載長期作用于施工洞室，對(duì)隧道洞身穩(wěn)定可能造成不利的影響。

2隧道開挖下穿既有道路有限元模型的建立

2.1模型尺寸與模型基本假設(shè)

禹家寨隧道下穿8 m寬的道路，且隧道開挖直徑約為12 m，屬于大斷面隧道開挖工況。根據(jù)圣偉南原理，建立有限元模型的尺寸通常為施工范圍的3～5倍，方可滿足避免邊界條件對(duì)重點(diǎn)分析區(qū)域的干擾，同時(shí)為了計(jì)算時(shí)間成本，需對(duì)模型進(jìn)行一定的簡化。因此，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，本文建立的有限元模型尺寸長寬高分別為60 m×61 m×20 m，簡化后的模型如圖2所示。

在工程應(yīng)用分析中，往往在滿足工程精確度的要求下會(huì)對(duì)問題進(jìn)行合理的簡化。建立三維數(shù)值仿真模型分析隧道開挖下穿既有二級(jí)公路的變形影響分析，需要對(duì)其做出以下幾點(diǎn)假設(shè)：（1）禹家寨隧道開挖前，已完成土層固結(jié)作用，即圍巖存在內(nèi)力而無變形的狀態(tài)，且模型不受到地質(zhì)構(gòu)造力的作用；（2）圍巖服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，隧道襯砌與混凝土路面則滿足彈線性本構(gòu)；（3）隧道工程項(xiàng)目位于半山腰，無地下水作用；（4）隧道在開挖施工的過程中，周圍圍巖力學(xué)參數(shù)不隨施工變化而變化；（5）既有公路的車輛荷載等效為靜荷載的形式作用于路面表面上，取車輛荷載值等效為20kPa；（6）數(shù)值模擬中，隧道掘進(jìn)尺度為每1.0 m即襯砌支護(hù)。

2.2材料計(jì)算參數(shù)選取與接觸面的設(shè)置

往常的研究表明，隧道襯砌、路面的材料擁有良好的線彈性性狀，因此襯砌與路面面層結(jié)構(gòu)在數(shù)值分析中選擇線彈性本構(gòu)給予表征；而圍巖具有明顯的非線性特征，故對(duì)圍巖土層均選用Mohr-Coulomb本構(gòu)。根據(jù)依托工程項(xiàng)目的地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)土工試驗(yàn)，本次數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)如表1所示。

在有限元軟件里，兩種不同屬性的材料相互作用需要設(shè)置合理的接觸面。本文對(duì)圍巖與襯砌之間的接觸面采用ABAQUS軟件內(nèi)置的面面接觸原理，對(duì)其接觸面設(shè)置“罰函數(shù)（Penalty）”與“硬接觸”的方式，其中“罰函數(shù)（Penalty）”的摩擦系數(shù)值設(shè)為0.85。

2.3邊界條件設(shè)置與網(wǎng)格劃分

建立的有限元模型尺寸是截取隧道開挖范圍內(nèi)的有限斷面，因此模型的邊界條件必須要參照實(shí)際工程進(jìn)行設(shè)置，在該工程中，山體邊坡表面處于自由的狀態(tài)，模型底面與左右面均為約束的狀態(tài)。如在圖3（a）中，模型前后側(cè)面（即沿著路線方向）限制Y方向移動(dòng)（U2=0）；在圖3（b）中，固定模型的底部位移，即限制X、Y與Z方向的移動(dòng)（U1=U2=U3=0），模型的左右兩側(cè)限制X方向移動(dòng)（U1=0）；在山頂施加8kPa土壓力模擬其山體的上部荷載，且在既有道路路面上施加20kPa模擬車輛荷載，其余面均為自由態(tài)。

隧道開挖區(qū)域與既有道路路面是本次計(jì)算的重點(diǎn)分析區(qū)域，在對(duì)模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分時(shí)由隧道區(qū)域向模型四周圍從密至疏的原則劃分，該模型共劃分為84 976個(gè)單元、109 537個(gè)節(jié)點(diǎn)，且單元類型為四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的C3D8實(shí)體單元。如圖3所示。

3有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1既有路面沉降變形分析

數(shù)值模擬中，對(duì)既有道路路面中心線、路面兩側(cè)邊緣沿著道路方向設(shè)置監(jiān)測線，同時(shí)也監(jiān)測隧道拱頂上方路面橫向斷面沉降，監(jiān)測位置如下頁圖4所示。其中，沿著線路方向的3條監(jiān)測線長度均為60 m，每隔3 m布置監(jiān)測1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共計(jì)20個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；左右側(cè)隧道中心線上方的路面橫斷面監(jiān)測線長度則為8 m，每隔1 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。沿著線路方向的3條監(jiān)測線在隧道開挖完成后的變形情況如下頁圖5所示，左右側(cè)隧道中心線上方的橫斷路面沉降曲線如下頁圖6所示。

由圖5可知：隧道開挖完成后（隧道模擬開挖長度為20 m），引起既有道路路面縱向沉降的工后變形大致呈現(xiàn)“W”字形。其中，3條路面沉降曲線最大值均位于左側(cè)隧道中心線正上方，其值分別為14.23 mm、13.64 mm與12.30 mm；既有道路縱向坐標(biāo)0 m處，左右側(cè)路面與路面中線的沉降最小，造成該現(xiàn)象的主要因素可能是圍巖在卸載作用下，使得其土體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生釋放作用，并造成開挖區(qū)域的圍巖土體發(fā)生向上的反彈作用，最終對(duì)上部的路面沉降產(chǎn)生抵消作用。在既有道路縱向坐標(biāo)0 m處的左、右側(cè)與路面中線的沉降值分別為1.80 mm、0.06 mm與1.23 mm。由圖6可知：右側(cè)隧道正上方的路面沉降小于左側(cè)隧道正上方的路面沉降，引起該現(xiàn)象的原因主要是右側(cè)隧道正上方的路面受到開挖擾動(dòng)的次數(shù)多于左側(cè)，其左右側(cè)隧道中心線正上方的路面沉降最大值分別為10.28 mm與9.07 mm。同時(shí)，圖6也表明了沿著隧道開挖的方向，隧道中心線對(duì)應(yīng)上方的路面沉降曲值由最大值逐漸減小成最小值。

總體而言，由圖5與圖6可知，禹家寨隧道施工開挖引起上部的既有二級(jí)公路路面不均勻沉降問題較為突出，因此在實(shí)際施工中要嚴(yán)格加以控制，避免因既有道路的過大變形而引起路面開裂的工程災(zāi)害。

3.2新建隧道變形分析

隧道工后變形歷來是工程人員重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象之一。本文分別提取雙線隧道在貫通后的隧道豎向位移和水平位移云圖，分別如圖7與圖8所示。

同時(shí)，針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形，以往的研究大多以隧道襯砌接頭、剛度展開研究，而基于隧道直徑變形率對(duì)其整體變形的研究還較少，本文通過對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形率進(jìn)行研究，即：

v=ΔD[]D（1）

式中：v——隧道襯砌結(jié)構(gòu)的直徑變化率；

ΔD——隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形量；

D——隧道襯砌結(jié)構(gòu)的原外直徑。

根據(jù)相關(guān)國家規(guī)范規(guī)定：隧道襯砌結(jié)構(gòu)徑向直徑變形宜控制在0.3%～0.4%。而根據(jù)圖7與圖8可以看出，本文隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大豎向位移與最大水平位移值分別為39.4 mm與25.2 mm，因此可分別獲得其隧道襯砌結(jié)構(gòu)的水平與豎向變化率為0.36%與0.23%，兩者值較為接近，滿足相應(yīng)的隧道規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3.3隧道掘進(jìn)長度影響因素分析

為了確保隧道施工開挖下的上部既有道路安全，本文在上述工況的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析隧道挖掘尺寸對(duì)既有道路路面的變形影響。因此，分別采用數(shù)值仿真的手段分析隧道單次挖掘尺寸長度（L），在長度為0.5 m、1 m、2 m與3 m的情況下再進(jìn)行相應(yīng)的襯砌施工，后對(duì)既有道路路面的沉降變形情況，以為工程提供施工指導(dǎo)。

提取隧道掘進(jìn)尺寸（L）為0.5 m、1 m、2 m與3 m下的既有道路左側(cè)路面監(jiān)測沉降線（圖4）的沉降曲線，如圖9所示。由圖9可知：隨著隧道掘進(jìn)長度的增大，其引起隧道上部的道路路面沉降也隨之增大，隧道掘進(jìn)尺寸（L）分別為0.5 m、1 m、2 m與3 m下對(duì)應(yīng)的既有道路路面最大沉降值分別為12.02 mm、14.23 mm、19.14 mm與33.43 mm，相鄰兩者之間的增長率分別約為15.5%、25.6%與42.7%?？梢娝淼绬未尉蜻M(jìn)尺度對(duì)其鄰近的道路影響較大，因此在實(shí)際施工中要嚴(yán)格控制隧道的開挖速率。就依托項(xiàng)目而言，建議其隧道掘進(jìn)尺寸≤2 m。

4隧道施工下穿既有道路的安全管控措施

4.1施工管理管控

（1）交通管控。在施工現(xiàn)場周邊建立明確的交通管控措施，包括設(shè)置臨時(shí)交通標(biāo)志、信號(hào)燈和圍欄，以引導(dǎo)交通繞行，避免交通事故的發(fā)生，并確保施工人員和交通參與者的安全。同時(shí)，隧道在穿越既有道路施工期間，要做到嚴(yán)格監(jiān)控，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的辨識(shí)分析，建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)估和管理。

（2）施工方法選擇。選擇合適的施工方法，如盾構(gòu)法或淺埋暗挖法，以適應(yīng)特定的地質(zhì)條件和環(huán)境要求，同時(shí)采用先進(jìn)的施工控制技術(shù)來確保施工質(zhì)量和安全。

（3）監(jiān)測與預(yù)警。實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)隧道施工過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，如既有道路路面沉降、隧道結(jié)構(gòu)變形等，并建立預(yù)警機(jī)制，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施。

4.2結(jié)構(gòu)加固措施

對(duì)新建隧道穿越既有結(jié)構(gòu)的工程問題，需要重點(diǎn)關(guān)注地層變形規(guī)律、既有結(jié)構(gòu)變形分析以及既有結(jié)構(gòu)的變形控制。需要使用支護(hù)結(jié)構(gòu)、注漿加固等技術(shù)手段來保護(hù)既有結(jié)構(gòu)。就本文依托的工程項(xiàng)目而言，提出隧道圍巖結(jié)構(gòu)加固措施，具體如下：

（1）預(yù)先注漿加固法。超前小導(dǎo)管注漿作為一種普遍的超前加固手段，其具體施工流程是將直徑相對(duì)較小的帶孔鋼管注入即將開挖的隧道拱頂土體中，然后根據(jù)圍巖的不同條件，動(dòng)態(tài)地選擇注漿的范圍，以增強(qiáng)小導(dǎo)管與周圍圍巖的整體承載能力。

（2）超前管棚注漿法進(jìn)行加固。當(dāng)隧道穿越既有道路時(shí)，超前管棚支護(hù)對(duì)地層的控制效果是非常明顯的。在使用管棚注漿法進(jìn)行超前預(yù)加固的過程中，管棚產(chǎn)生了梁拱效應(yīng)。承載拱能夠承受上面土層的荷載，起到隔斷作用，使隧道內(nèi)部的圍巖和支護(hù)系統(tǒng)與上面的土層隔離，這樣承載拱的內(nèi)部圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)只會(huì)受到凈空側(cè)產(chǎn)生的形變壓力。通過對(duì)管棚進(jìn)行注漿處理，注漿漿液被用來管理壁孔并將其壓入圍巖的裂縫中，從而加固了松散的巖體，提升了圍巖的物理和力學(xué)性能，增強(qiáng)了圍巖的自承能力，實(shí)現(xiàn)了加固鋼管周圍軟弱圍巖的目標(biāo)。

（3）主動(dòng)托換的應(yīng)力補(bǔ)償方法。采取囊袋式注漿（主動(dòng)托換）的策略，其核心思想是在圍巖與初級(jí)支撐之間設(shè)置一個(gè)囊袋結(jié)構(gòu)，并通過向囊袋內(nèi)部注入漿液來主動(dòng)施加支撐力量，從而有效地控制地面、道路沉降。同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)注漿的壓力、范圍和方法來動(dòng)態(tài)地控制地面的變形需求和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全標(biāo)準(zhǔn)。如圖10所示展示了基于應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)的囊袋注漿工藝［7］。

5結(jié)語

本研究采用ABAQUS軟件建立了隧道-圍巖-既有道路的三維有限元模型，計(jì)算了隧道開挖作用下穿既有道路路面的沉降變形規(guī)律，獲得了山嶺隧道工后的上部道路路面沉降最大值與隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形值。其中，隧道掘進(jìn)尺寸為1 m時(shí)，其上部道路路面最大沉降值為14.23 mm，工后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的水平與豎向直徑變形率分別為0.36%與0.23%，滿足相應(yīng)的規(guī)范安全要求。同時(shí)，基于依托工程概況，對(duì)隧道掘進(jìn)進(jìn)尺進(jìn)行參數(shù)分析，提出依托工程隧道掘進(jìn)進(jìn)尺≤2 m的建議及相關(guān)安全管控措施。

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作者簡介：吳成才（1991—），工程師，主要從事公路建設(shè)施工和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理工作。

收稿日期：2024-05-16