韓風(fēng)雷，劉宗韓，王 益，肖東輝，秦 臻

(1. 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 3. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045； 4. 保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和交通運(yùn)輸量的日益增加，改建工程越來越多，將既有隧道拆除改建為公路路塹是一種方式。既有隧道上方土體大面積的開挖卸荷對襯砌結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)會開裂破壞[1-2]，如不采取有效的保護(hù)措施及合理的施工組織方式，可能會造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為保證既有隧道結(jié)構(gòu)和路塹施工安全，開展隧道受力變形演變規(guī)律和安全分區(qū)研究對指導(dǎo)現(xiàn)場施工組織和保證施工安全具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)[3-4]，數(shù)值模擬[5]，模型試驗(yàn)[6-7]及理論解析[8-9]等手段分析了近接地下工程圍巖或支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律。孫克國等[10]采用強(qiáng)度折減法研究了鄭西高鐵隧道上方高速公路路基改擴(kuò)建工程的最大挖方和超載運(yùn)營2個(gè)狀態(tài)對近接隧道安全性影響；YE Shuaihua等[11]基于旁側(cè)基坑開挖對地鐵隧道的變形安全分析，得出基坑開挖卸載對地鐵的影響與基坑距離、一次開挖土方量、工程地質(zhì)條件密切相關(guān)；鄭剛等[12]通過對天津市某深基坑開挖對鄰近盾構(gòu)隧道變形分析，結(jié)合不同規(guī)范變形控制標(biāo)準(zhǔn)劃分了施工影響區(qū)；龔倫等[13]結(jié)合模型試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測分析上方路基開挖時(shí)既有隧道受力和位移，得出在埋深足夠大時(shí)隧道會經(jīng)歷無-弱-強(qiáng)3個(gè)影響區(qū)；仇文革等[14]依托連霍高速公路改擴(kuò)建工程，基于強(qiáng)度折減法研究不同初始埋深下既有隧道上方填挖方時(shí)的影響分區(qū)，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了驗(yàn)證分析；SHI Chenghua等[15]研究了旁側(cè)基坑開挖過程盾構(gòu)隧道管片及其接頭處的力學(xué)與變形性能，得出管片接縫處的應(yīng)力會急劇增加并容易發(fā)展局部裂縫影響隧道長期安全；翁承顯等[16]結(jié)合重慶軌道交通三號線附近基坑工程施工案例，通過驗(yàn)算軌道結(jié)構(gòu)截面安全與裂縫寬度分析了隧道的安全性；卜康正等[17]綜合考慮影響襯砌結(jié)構(gòu)的6個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)因子，利用蒙特卡羅方法研究了基坑開挖對地鐵隧道影響并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。

以上研究主要關(guān)于基坑和高速公路擴(kuò)建工程開挖卸荷對既有隧道的影響，針對巖性變化較大的既有隧道拆除改深路塹的案例研究較少。在上方路塹大面積開挖卸荷下，如何保證既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全和行車正常運(yùn)營是一個(gè)值得研究的問題。筆者以柳樹埡隧道拆除改路塹工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場施工方案和數(shù)值仿真研究路塹開挖卸荷對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形演變規(guī)律，綜合考慮襯砌結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、安全系數(shù)3個(gè)因素，提出路塹開挖對運(yùn)營隧道的安全影響施工分區(qū)并指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1 工程概況

四川順蓬營一級公路建設(shè)工程為雙向六車道，須對原建雙向四車道柳樹埡隧道的山體挖方，并將隧道拆除改擴(kuò)建為深挖六車道公路路塹。原隧道為小凈距隧道和分離式隧道組合結(jié)構(gòu)，左右洞間距19.2～27.6 m，左洞長度490 m，右洞長度551 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1。隧址主要出露地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層、坡殘積層，厚度在25.56～26.00 m。隧道洞身段以遂寧組中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為主，雖然裂隙較發(fā)育，但貫通性及富水性弱。

圖1 運(yùn)營隧道襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)

2 計(jì)算模型及施工工序

2.1 計(jì)算模型

選取樁號為ZK2+995的典型計(jì)算斷面，隧道洞頂距離地面為42 m，兩洞間距為19.2 m。根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》考慮隧道內(nèi)側(cè)附加荷載等效高度，得出計(jì)算模型為淺埋小凈距隧道。數(shù)值計(jì)算模型X、Y方向尺寸為382.0 m×131.7 m，地表填土考慮為最大厚度26 m，填土下為砂質(zhì)泥巖厚度105.7 m，路塹第1層開挖寬度達(dá)到216 m。模型左、右邊界和下部邊界均施加法向約束，地表無約束。圍巖采用Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型，巖體、錨桿加固圈、噴射混凝土、仰拱回填均采用實(shí)體Plane42單元，二次襯砌采用beam3單元模擬。取該模型一半作圖，路塹開挖線用虛線表示，具體模型尺寸如圖2。

圖2 計(jì)算模型斷面示意(單位：m)

2.2 計(jì)算模型參數(shù)

根據(jù)巖土勘察報(bào)告提供的土層物理力學(xué)參數(shù)，將計(jì)算土體劃分為2層。錨桿考慮為加固區(qū)，將巖體參數(shù)提高1.05倍。初期支護(hù)中噴射混凝土和鋼拱架的綜合作用采用等效原則，將鋼拱架的彈性模量等效給混凝土，等效模量具體計(jì)算公式[18]為：

式中：Eeq為等效模量，MPa；Eshot為噴射混凝土彈性模量，MPa；Esteel為鋼拱架的彈性模量，MPa；Asteel為鋼拱架的橫截面積，cm2；s為噴射混凝土厚度，cm；d為鋼拱架縱向布置間距，cm；Jsteel為鋼拱架橫截面慣性矩，cm4。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范，計(jì)算所需的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工工況模擬

既有運(yùn)營隧道的原始應(yīng)力狀態(tài)與開挖工法相關(guān)，模擬路塹施工之前，需根據(jù)原隧道施工方案模擬隧道開挖，所以文中分兩部分進(jìn)行計(jì)算。隧道采用臺階法施工，左洞為先行洞。隧道開挖的釋放荷載分擔(dān)比例：圍巖和初期支護(hù)為60%，二襯為40%。結(jié)合現(xiàn)場施工方案，路塹采用整體放坡機(jī)械開挖，最大開挖深度至隧道錨固區(qū)，距離洞頂僅4 m，之后為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的拆除階段不做分析。由于前期路塹開挖過程中機(jī)械設(shè)備等施工荷載對隧道影響較小，僅在最后埋深16 m時(shí)考慮4臺25 t機(jī)械自重均布作用在開挖工作線。計(jì)算工況及內(nèi)容見表2。

表2 計(jì)算工況及內(nèi)容

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移分析

選取的計(jì)算斷面為淺埋小凈距隧道，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知兩洞襯砌結(jié)構(gòu)絕對位移與相對位移差異不大，文中選取左洞計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說明。由圖3、圖4可知，隧道襯砌豎向最大位移在拱頂為36.77 mm，最小位移在仰拱中心為30.23 mm，相對位移為6.54 mm，襯砌結(jié)構(gòu)呈整體上浮。水平最大、最小位移在襯砌兩側(cè)邊墻分別為2.75、0.15 mm，相對位移為2.60 mm，襯砌結(jié)構(gòu)均向洞內(nèi)收縮。因此，上方路塹開挖的卸荷作用使隧道襯砌整體向上回彈，兩邊墻呈向內(nèi)擠壓，且以豎向變形為主。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)總位移矢量及變形

圖4 左洞襯砌結(jié)構(gòu)埋深4 m位移云圖

圖5(a)為路塹開挖過程中隧道襯砌豎向位移變化。隨開挖深度增加，拱頂與仰拱豎向位移逐漸增大，變化速率基本保持不變，開挖第5步時(shí)位移變化速率略微增加，第7步時(shí)位移變化速率降低。主要由于巖性變化、開挖面積減少和施工荷載增加的綜合作用。當(dāng)路塹開挖至隧道埋深為28 m時(shí)，拱頂豎向絕對位移為12.41 mm；當(dāng)路塹開挖至隧道埋深為20 m時(shí)，拱頂豎向絕對位移為19.60 mm；當(dāng)填土區(qū)開挖結(jié)束即埋深16 m時(shí)，拱頂豎向絕對位移為23.19 mm；隧道開挖至錨桿加固區(qū)埋深4 m時(shí)拱頂絕對位移為36.77 mm，拱頂沉降相對位移最大值為6.54 mm。由圖5(b)可知路塹開挖過程中水平位移和豎向位移變化趨勢相同。當(dāng)隧道埋深28、16、4 m時(shí)左邊墻水平絕對位移分別為1.07、1.90、2.75 mm，周邊相對位移最大值為2.60 mm。路塹開挖卸荷過程中對水平位移影響不大，同時(shí)小凈距隧道中夾巖具有一定抵抗隧道側(cè)向變形的能力。

圖5 左洞襯砌結(jié)構(gòu)各工況位移變化

根據(jù)改建工程施工方案，在上方路塹一定開挖深度既有運(yùn)營隧道需滿足通車要求，參考CJJ/T202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：隧道水平和豎向位移預(yù)警值為小于10 mm，控制值為小于20 mm。當(dāng)隧道埋深28 m時(shí)達(dá)到位移預(yù)警值，需加強(qiáng)拱頂位置的變形受力監(jiān)測，路塹施工應(yīng)采用非爆破開挖；埋深16 m時(shí)已超過控制值，應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)襯砌監(jiān)測并停止通車運(yùn)營。

3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

隧道上方路塹開挖卸荷會對周邊巖體產(chǎn)生擾動，引起一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的受力變化。對比圖6～圖8可知，襯砌拱頂和仰拱由內(nèi)側(cè)受拉變?yōu)橥鈧?cè)受拉，拱肩及邊墻部位由外側(cè)受拉變?yōu)閮?nèi)側(cè)受拉，襯砌彎矩最大值由80 kN·m增加為210 kN·m；襯砌軸力由受壓變?yōu)槭芾?，軸力最大值由1 020 kN增加為2 130 kN。路塹開挖前后隧道襯砌結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)位置基本相同，埋深28 m時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力方向完全相反。仰拱和拱頂部位彎矩幾乎相同，襯砌內(nèi)側(cè)彎矩基本大于外側(cè)，拱腳彎矩變化量遠(yuǎn)大于其他部位，在拱腳、邊墻部位容易出現(xiàn)裂縫。襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化主要是因?yàn)槁穳q開挖卸荷導(dǎo)致圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，襯砌受到水平壓力增大，隧道抬升引起的彈性抗力只能減緩卸荷引起的豎向壓力降低。

圖6 左洞襯砌結(jié)構(gòu)埋深42 m內(nèi)力

圖7 左洞襯砌結(jié)構(gòu)埋深4 m內(nèi)力

圖8 左洞襯砌彎矩變化

由圖9(a)可知，路塹開挖過程中襯砌最大壓應(yīng)力先下降穩(wěn)定后再上升。隧道建成時(shí)最大壓應(yīng)力為4.55 MPa，在埋深28、20、4 m時(shí)最大壓應(yīng)力分別為1.04、0.94、2.97 MPa，在整個(gè)開挖過程中最大壓應(yīng)力降低了34.7%。由圖9(b)可知，路塹開挖過程中襯砌最大拉應(yīng)力先略微降低后增加。隧道建成時(shí)最大拉應(yīng)力為0.7 MPa，在埋深28、20、4 m時(shí)最大拉應(yīng)力分別為1.05、3.47、11.2 MPa。其中最大拉應(yīng)力由左洞拱腳外側(cè)到右洞拱腳內(nèi)側(cè)，受拉區(qū)域由仰拱大面積分布擴(kuò)展到邊墻，并向上至拱頂外側(cè)。圍巖應(yīng)力重新分布后，附加應(yīng)力使襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力由受壓變成受拉，小凈距隧道建成時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)也存在不對稱應(yīng)力，從而引起左右洞的受力差異。在埋深20 m時(shí)已超過襯砌結(jié)構(gòu)混凝土抗拉強(qiáng)度極限值，混凝土結(jié)構(gòu)會發(fā)生開裂破壞，應(yīng)注意路塹開挖進(jìn)尺和封閉運(yùn)營隧道。

圖9 兩洞襯砌結(jié)構(gòu)各工況主應(yīng)力變化

3.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分析

為確保既有隧道正常通車以及路塹開挖中襯砌結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》進(jìn)行襯砌安全系數(shù)計(jì)算，其中抗壓和抗拉極限強(qiáng)度安全系數(shù)值分別為2.4和3.6。選取路塹開挖至隧道埋深42、28、16、4 m繪制安全系數(shù)包絡(luò)線如圖10。

圖10 各埋深襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)包絡(luò)圖

在路塹開挖過程中，拱頂位置呈增大-降低-增大趨勢，埋深16 m時(shí)出現(xiàn)最小安全系數(shù)5.25。拱腳至仰拱位置基本呈增大-降低趨勢，埋深16、4 m時(shí)拱腳安全系數(shù)分別為4.34、1.91，混凝土材料將產(chǎn)生受拉破壞。邊墻內(nèi)側(cè)呈降低-增大-降低趨勢，埋深28 m時(shí)邊墻內(nèi)側(cè)最小安全系數(shù)為7.19?？傮w來看，除拱頂區(qū)域在卸荷后期安全系數(shù)增大，其他襯砌位置安全系數(shù)基本降低。對于襯砌斷面不同位置安全系數(shù)最小值順序?yàn)楣澳_、拱頂、邊墻內(nèi)側(cè)，路塹開挖過程需要重點(diǎn)注意以上區(qū)域的受力變形監(jiān)測。先行洞和后行洞安全系數(shù)有明顯差異，在先行洞拱頂至拱肩及內(nèi)側(cè)邊墻位置基本低于后行洞，而拱腳至邊墻位置高于后行洞，兩洞安全系數(shù)差異主要由于小凈距隧道施工建成后受力條件不同，中巖柱的附加水平荷載也會使隧道兩側(cè)邊墻安全系數(shù)不同。文中模型計(jì)算斷面小凈距隧道間距較大，先行洞與后行洞計(jì)算值差異不明顯，但從分析可知路塹施工時(shí)應(yīng)特別注意先行洞拱頂和邊墻位置，兩洞拱腳位置的監(jiān)測。

由于在埋深16 m時(shí)安全系數(shù)已經(jīng)接近控制值，選取最后4步施工工序分析左洞安全系數(shù)變化規(guī)律，按逆時(shí)針順序選取襯砌結(jié)構(gòu)斷面節(jié)點(diǎn)繪制埋深16～4 m時(shí)不同位置安全系數(shù)，如圖11。路塹開挖過程安全系數(shù)波動較大，波動曲線整體呈W形。襯砌結(jié)構(gòu)各部位受力不均勻，仰拱區(qū)域基本水平，拱頂和仰拱區(qū)域安全系數(shù)較其他部位更大，拱肩至拱腳區(qū)域安全系數(shù)持續(xù)降低。其中拱腳部位安全系數(shù)偏低，該部位受力不均勻，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)注意拱腳部位安全。綜合考慮，路塹開挖埋深16 m之后應(yīng)該控制開挖進(jìn)尺，以防造成安全隱患。

圖11 左洞襯砌結(jié)構(gòu)埋深16～4 m安全系數(shù)變化

3.4 路塹開挖對運(yùn)營隧道的安全影響分區(qū)

綜合分析路塹開挖卸荷過程中襯砌結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、安全系數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律，根據(jù)表3不同埋深各指標(biāo)的計(jì)算值，將路塹開挖對既有隧道的影響程度進(jìn)行安全影響分區(qū)，得出路塹施工影響的3個(gè)區(qū)域：埋深42～28 m的一般影響區(qū)，埋深28～20 m的顯著影響區(qū)，埋深20～0 m的強(qiáng)烈影響區(qū)，其中埋深20 m達(dá)到安全臨界線，此時(shí)應(yīng)該封閉運(yùn)營隧道，禁止車輛通行。

表3 不同埋深襯砌結(jié)構(gòu)各指標(biāo)計(jì)算值

對于在既有運(yùn)營隧道上部進(jìn)行挖方工程，常采以殘留埋深比即h/H為界定的經(jīng)驗(yàn)參考值來劃分路塹施工安全影響分區(qū)以指導(dǎo)施工，將文中計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)參考值匯總于表4。表4中計(jì)算殘留埋深比大于經(jīng)驗(yàn)殘留埋深比，說明路塹開挖大面積卸荷作用對既有運(yùn)營隧道襯砌安全影響較大，在滿足隧道安全通車要求時(shí)需加強(qiáng)對路塹施工控制。取示意圖一半安全影響分區(qū)如圖12。其中一般影響區(qū)和強(qiáng)烈影響區(qū)占總區(qū)域80%，顯著影響區(qū)占比很小，路塹開挖過程中一般影響區(qū)很快過渡到強(qiáng)烈影響區(qū)，表明在顯著影響區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制值會發(fā)生較大變化。安全臨界線相對經(jīng)驗(yàn)值更早出現(xiàn)，說明小凈距隧道拆除改路塹工程相對于一般明挖工程對隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響更大。建議在路塹施工前選取襯砌典型斷面進(jìn)行變形和內(nèi)力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化施工步序。

圖12 路塹施工過程中安全影響分區(qū)

表4 各影響區(qū)域殘留埋深比

4 結(jié) 論

通過路塹施工卸荷下隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行的數(shù)值仿真分析，研究了路塹開挖卸荷對下臨既有運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工力學(xué)動態(tài)變化，得到以下結(jié)論：

1)受路塹開挖卸荷、圍巖彈性抗力和巖性變化作用，隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體上浮且兩邊墻向內(nèi)擠壓，豎向絕對位移遠(yuǎn)大于水平位移，最大豎向位移位于拱頂為36.77 mm。隨路塹開挖襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力先降低后升高，受拉區(qū)由仰拱向上擴(kuò)展到拱頂，埋深20 m時(shí)拉應(yīng)力達(dá)3.47 MPa已超過混凝土強(qiáng)度極限值，拱腳易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2)路塹開挖卸荷過程中襯砌安全系數(shù)波動較大，安全系數(shù)最小值順序?yàn)楣澳_、拱頂、邊墻內(nèi)側(cè)，其中拱腳為1.91，施工中尤其需加強(qiáng)兩洞拱腳區(qū)域監(jiān)測。

3)參考規(guī)范并綜合分析襯砌結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、安全系數(shù)變化規(guī)律，采用計(jì)算殘留埋深比即h/H劃分了路塹施工對隧道安全影響的3個(gè)分區(qū)，且比經(jīng)驗(yàn)殘留埋深比界線值較大。一般影響區(qū)和強(qiáng)烈影響區(qū)占總區(qū)域80%，顯著影響區(qū)占比很小且襯砌結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制值會發(fā)生較大變化。

4)整個(gè)路塹開挖過程中，要加強(qiáng)運(yùn)營隧道拱頂、拱腳，內(nèi)側(cè)邊墻區(qū)域的監(jiān)測。路塹開挖至強(qiáng)烈影響區(qū)安全臨界線時(shí)要封閉運(yùn)營隧道，采用非爆破開挖，并控制開挖進(jìn)尺。