文/楊釗

1 工程概況

泉州臺(tái)商投資區(qū)泉東大道為東西走向，位于濱湖南路（原通港路）以南，規(guī)劃海灣大道以北，是臺(tái)商投資區(qū)“五橫五縱”路網(wǎng)規(guī)劃中的重要一橫，是臺(tái)商區(qū)中心城區(qū)內(nèi)的一條重要通道，也是臺(tái)商投資區(qū)內(nèi)部城市道路交通主骨架的重要組成部分；同時(shí)，它還具有對(duì)外交通的功能，是泉州臺(tái)商投資區(qū)連接?xùn)|海的交通性主干道。本項(xiàng)目西起南北大道，東至杏秀路，路線長(zhǎng)度約2.8km，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h，為雙向八車道，在鷹高山設(shè)置4 座隧道，其中車行隧道左線長(zhǎng)980m，車行隧道右線長(zhǎng)960m，人行隧道左線長(zhǎng)1040m，人行隧道右線長(zhǎng)960m[1]。

本項(xiàng)目下穿段位于泉州環(huán)城三期（泉州灣跨海通道），起于晉江新塘街道南塘村新塘互通，與環(huán)城高速公路二期相連，從石獅蚶江跨越泉州灣，經(jīng)惠安秀涂、張坂，終于惠安錦水樞紐互通（與環(huán)城高速公路一期相接），全長(zhǎng)約28.73km（跨海大橋長(zhǎng)約12.92km，連接線長(zhǎng)約15.81km），設(shè)計(jì)行車速度100km/h。沿線設(shè)蚶江、秀涂、張坂等3 處互通，大橋?qū)?1m，雙向八車道，路基寬33.5m，雙向六車道。2009年底開(kāi)工建設(shè)，2015年建成通車。下穿段高速公路竣工圖樁號(hào)K34+550～K34+650（高速公路運(yùn)營(yíng)樁號(hào)為K43+100～K43+200）。

鷹高山車行隧道左線與環(huán)城高速平面交角約52°，相交處隧道路面標(biāo)高27.01m，環(huán)城高速路面標(biāo)高約46.13m，隧道結(jié)構(gòu)頂距離環(huán)城高速路面最小距離約9.11m。車行隧道右線與環(huán)城高速平面交角約44°，相交處隧道路面標(biāo)高27.54m，環(huán)城高速路面標(biāo)高約45.71m，隧道結(jié)構(gòu)頂距離環(huán)城高速路面距離最小約8.19m。同理，人行隧道左線距環(huán)城高速路面的距離為14.03m，人行隧道右線距環(huán)城高速的距離為11.41m。

鷹高山車行隧道開(kāi)挖跨度19.92m，開(kāi)挖高度13.26m，開(kāi)挖面積213.5m2，采用雙初支+單二襯的支護(hù)形式，其中第一層初期支護(hù)厚28cm，并采用I22b@500m 的工字鋼架進(jìn)行加強(qiáng)；第二層初期支護(hù)厚30cm，采用Φ25@500mm 的格柵鋼架進(jìn)行加強(qiáng)；二次襯砌采用70cm 厚模筑混凝土；超前支護(hù)采用Φ89 超前短管棚，環(huán)向間距40cm，縱向間距8m，長(zhǎng)度10m，每?jī)裳h(huán)搭接2m；施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。鷹高山人行隧道開(kāi)挖跨度8.44m，開(kāi)挖高度7.69m，開(kāi)挖面積52.65m2，采用22cm 厚C25 噴射混凝土+Φ 22@1000×500mm 砂漿錨桿進(jìn)行支護(hù)；二襯采用45cm 厚C35 模筑混凝土；超前支護(hù)采用雙層超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距40cm，縱向間距3m，長(zhǎng)度4.5m，每?jī)裳h(huán)搭接1.5m；施工采用臺(tái)階法。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，隧道下穿泉州環(huán)城高速段屬低山剝蝕丘陵與沖洪積溝谷相間地貌，地勢(shì)起伏較大，呈“凸”形。地面植被發(fā)育，下穿泉州環(huán)城高速為深挖路塹，地層主要為中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，局部有孤石，地層巖石礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主且有部分云母及少量暗色礦物，巖體較完整，強(qiáng)度較高。巖石堅(jiān)硬程度分類屬較硬巖，巖體完整程度為較破碎-較完整，地層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 地層的物理力學(xué)參數(shù)

地下水主要為松散巖類孔隙水及風(fēng)化巖層內(nèi)的巖石裂隙水，地表水主要為山間水溝。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

本次計(jì)算采用三維有限元模型，在保證計(jì)算精度的條件下為使計(jì)算快捷，將模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，所取分析范圍為280m×90×50m（長(zhǎng)×寬×高）。由于左線人行隧道與車行隧道和右線人行隧道與車行隧道的凈距一致，且沿高速公路方向地質(zhì)情況較均勻，故可取一半進(jìn)行軸對(duì)稱建模進(jìn)行計(jì)算，模型如圖1 所示[2]。

圖1 三維有限元模型

將土層簡(jiǎn)化為水平層狀分布的彈塑性材料。本構(gòu)模型采用M-C 彈塑性模型。土體采用三維實(shí)體單元，隧道初支與二襯采用板單元，混凝土采用線彈性模型，錨桿采用植入式桁架單位，土與結(jié)構(gòu)單元的相互單元采用界面單元進(jìn)行模擬。

模型的左右及前后邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面為自由邊界。

3.2 施工過(guò)程模擬

車行隧道施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，人行隧道施工采用上下臺(tái)階法施工。每個(gè)導(dǎo)坑每循環(huán)進(jìn)尺不得大于2 榀鋼架間距，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5m 以內(nèi)，仰拱距掌子面距離不得大于35m。為了減少隧道開(kāi)挖的相互影響，4 條隧道掌子面的間距控制在2D（洞徑）以上（約為50m）。計(jì)算主要分為六個(gè)工況。

工況一：人行隧道左洞，初期支護(hù)完成。

工況二：人行隧道右洞，初期支護(hù)完成。

工況三：主線隧道左洞，初期支護(hù)完成。

工況四：主線隧道右洞，初期支護(hù)完成。

工況五：人行隧道二襯完成。

工況六：主線隧道二襯完成。

3.3 變形分析

3.3.1 總體變形規(guī)律

3.3.1.1 隧道施工完成后，隧道結(jié)構(gòu)與巖土體的變形如圖2 所示，隧道拱頂及仰拱一定范圍內(nèi)圍巖發(fā)生不同程度的位移，但是就各個(gè)施工圍巖位移的絕對(duì)量值而言均較小，且均在安全范圍內(nèi)。由于車行隧道是大斷面淺埋隧道，其拱頂沉降量最大，仰拱回彈量次之；人行隧道為小斷面隧道，其沉降量相對(duì)車行隧道較小。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)與巖土體變形

3.3.1.2 泉州環(huán)城高速路面出現(xiàn)盆式沉降，如圖3 所示，沉降盆位于車行隧道正上方，兩沉降盆整體呈“W”形，中間有明顯的未變形帶。人行隧道由于斷面小，反射到路面的沉降也較小。

圖3 環(huán)城高速路面結(jié)構(gòu)沉降變形

3.3.1.3 車行隧道左、右線凈距60.9m，約開(kāi)挖跨度的3 倍，由于位于中風(fēng)化花崗巖中，從圖2 中可以看出，兩車行隧道引起的圍巖變形不重疊，因此車行隧道左、右線之間為分離式隧道。

3.3.1.4 車行隧道與人行隧道凈距20.79～28.33m，約車行隧道開(kāi)挖跨度的1.05～1.42 倍，約人行隧道開(kāi)挖跨度的2.46～3.56 倍，但由于車行隧道為大跨度隧道，從圖2 中可以看出，車行隧道與人行隧道變形相互重疊，因此盡管中夾巖厚度較大，兩隧道仍為小凈距隧道。

3.3.1.5 從圖2 與圖3 中還可以看出，由于礦山法隧道采用新奧法原理，其周邊巖土體變形受開(kāi)挖斷面大小影響較大，車行隧道施工引起的變形相對(duì)于人行隧道大得多，反映了地下工程的空間效應(yīng)大小，并進(jìn)一步驗(yàn)證了礦山法隧道圍巖與巖土體共同受力的特點(diǎn)[3]。

3.3.2 變形影響區(qū)域劃分

變形影響區(qū)域的劃分可以直觀地了解到隧道施工過(guò)程中的危險(xiǎn)部位，并采取針對(duì)性措施。隧道施工完成后，沉降量為0.5～3mm 的等值面，如圖4 所示。

圖4 隧道及周邊巖土體沉降量等值面圖

3.3.2.1 沉降量大于3mm 僅發(fā)生在隧道拱頂正上方，環(huán)城高速路面處的寬度約6.5m，等值面從上至下呈喇叭形；沉降量大于2mm 也集中位于隧道拱頂及拱腰正上方，范圍比隧道開(kāi)挖跨度稍小，環(huán)城高速路面處的寬度約15.8m，等值面從上至下大致豎直；沉降量大于1mm 發(fā)生在整個(gè)隧道開(kāi)挖范圍及其兩側(cè)，范圍比隧道開(kāi)挖跨度大，環(huán)城高速路面處的寬度約22.6m，等值面從上至下為倒喇叭形；沉降量大于0.5mm范圍較大，包含了車行隧道、人行隧道及其兩側(cè)范圍，環(huán)城高速路面處的寬度約為65.2m。

3.3.2.2 從圖4 可以看出，通過(guò)沉降量等值面可以清晰地看到隧道開(kāi)挖引起的不同沉降量所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，由此進(jìn)一步根據(jù)隧道開(kāi)挖斷面、地質(zhì)條件、施工方法等工程特性及可接受的變形量對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行變形影響分區(qū)。

本項(xiàng)目近似地以0.5mm、1mm、2mm、3mm為分界線，沉降量大于3mm 為強(qiáng)烈影響區(qū)，寬度6.5m，約0.3B（開(kāi)挖跨度）；沉降量介于2～3mm 為顯著影響區(qū)，寬度為15.8m，約0.8B；沉降量介于1～2mm 為一般影響區(qū)，寬度為22.6m，約1.2B；沉降量介于0.5～1mm 為低影響區(qū)，寬度為65.2m，約3B；沉降量小于1mm 為無(wú)影響區(qū)。

3.3.2.3 從圖4 還可以分析得出淺埋隧道開(kāi)挖引起沉降的機(jī)理。隧道開(kāi)挖后，拱頂圍巖發(fā)生松動(dòng)，在自重作用下產(chǎn)生向下的位移，即強(qiáng)烈影響區(qū)，此位移為主動(dòng)位移。

拱腰上方的圍巖在自重作用力與拱頂圍巖的摩擦力共同作用下發(fā)生沉降，即顯著影響區(qū)，此位移即有主動(dòng)位移，也有被動(dòng)位移。

隧道輪廓邊界附近上方的圍巖在拱腰上方圍巖的帶動(dòng)下也發(fā)生了一定的沉降，即一般影響區(qū)，此位移為被動(dòng)位移。

3.3.3 特征點(diǎn)沉降

大斷面淺埋隧道施工所關(guān)注的沉降特征點(diǎn)通常包括地表、拱頂、仰拱等，本項(xiàng)目特征點(diǎn)的沉降如圖5 所示：

圖5 特征點(diǎn)沉降量

車行隧道拱頂最大沉降3.88mm，仰拱最大回彈2.05mm，地表處沉降3.24mm；人行隧道拱頂最大沉降1.03mm，仰拱最大回彈1.11mm，地表處沉降0.71mm。由此可知，特征點(diǎn)的沉降量均較小，在規(guī)范要求的安全范圍內(nèi)，可以確保泉州環(huán)城高速行車的安全。

3.3.4 錨桿變形

隧道錨桿不是通過(guò)單根使抗拔力發(fā)揮作用，而是作為系統(tǒng)錨桿使初期支護(hù)與圍巖連成整體共同受力，本項(xiàng)的錨桿的變形量如圖6 所示。

圖6 錨桿變形量

由圖6 可知，錨桿均發(fā)生了拉伸變形，其中車行隧道最大拉伸量為3.91mm，位于拱頂；最小拉伸量0.3mm，位于拱腰；人行隧道最大拉伸量1.03m，位于拱頂；臨近車行隧道一側(cè)拱腰的拉伸量0.05mm，背離車行隧道一側(cè)拱腰的拉伸量0.03mm。由此可以得出，錨桿的變形量與巖土體變形相吻合，即錨桿為被動(dòng)受力，其變形量大小取決于圍巖。

4 工程措施

由于計(jì)算模型與工程實(shí)際存在差異，建議采取以下工程措施，確保工程安全。

由于泉州環(huán)城高速的重要性，采用人行隧道先行通過(guò)；根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，調(diào)整車行隧道施工參數(shù)及施工方案，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化施工。

計(jì)算結(jié)果表明，車行隧道與人行隧道之間為小凈距隧道，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，必要時(shí)采取中夾巖加固措施。

泉州環(huán)城高速路面加固措施：強(qiáng)烈影響區(qū)建議采用地表注漿加固措施并鋪設(shè)鋼板緩沖；顯著影響區(qū)建議采用地表注漿加固措施；一般影響區(qū)建議加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)；無(wú)影響區(qū)可不采取針對(duì)性措施。

由于車行隧道斷面較大，空間效應(yīng)較差，施工期間應(yīng)對(duì)高速路面采取限速、限載措施。

隧道初期支護(hù)施工完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)背后的空鼓進(jìn)行注漿填充，并盡早施作二次襯砌。

隧道結(jié)構(gòu)頂距高速路面最小凈距僅8.19m，且圍巖以中風(fēng)化花風(fēng)巖為主，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以確保路面行車舒適度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大斷面淺埋隧道施工過(guò)程的模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

隧道斷面的大小對(duì)沉降的影響顯著，車行隧道開(kāi)挖相對(duì)于人行隧道開(kāi)挖引起的沉降量大得多，斷面增大，圍巖空間效應(yīng)驟減。

車行隧道與人行隧道凈距為3B（開(kāi)挖跨度），為分離式隧道，車行隧道與人行隧道凈距為1.05～1.42B，為小凈距隧道。

本項(xiàng)目隧道拱頂0.3B 為強(qiáng)烈影響區(qū)，拱頂0.3～0.8B 為顯著顯影區(qū)，拱頂0.8～1.2B 為一般影響區(qū)，拱頂1.2B～3B 為低影響區(qū)，拱頂3B 以外為無(wú)影響區(qū)。

強(qiáng)烈影響區(qū)的圍巖變形為主動(dòng)位移；顯著影響區(qū)的圍巖變形既有主動(dòng)位移，也有被動(dòng)位移；一般影響區(qū)的圍巖變形為被動(dòng)位移。

錨桿的變形與圍巖變形相吻合，其變形也為被動(dòng)變形。

本文的計(jì)算僅針對(duì)本項(xiàng)目的特定條件進(jìn)行，未考慮其他因素影響，接下來(lái)可從以下幾個(gè)角度進(jìn)行拓展，如圍巖級(jí)別、覆土深度、隧道凈距、施工工法等改變引起的變化，希望能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁┮欢▍⒖肌?/p>