陳志敏，周 飛，文 勇，黃林祥，任 益

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070;3.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222;4.重慶市鐵路(集團)有限公司， 重慶 401120)

0 引言

新鼓山隧道位于福州市鼓山風景區(qū)，隧道進口段下穿機場高速和三環(huán)公路，穿越段上覆土最小厚度僅4.1 m，根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003-2005)，隧道進口段為超淺埋。下穿段地層為全風化花崗閃長巖，地質(zhì)條件較差，是整個隧道乃至鐵路全線的重點控制工程。

根據(jù)婁國充[1]調(diào)研國內(nèi)部分已修建的隧道下穿既有線路工程的埋深、控制標準和方法見表1。從表1中可知，大多數(shù)下穿隧道上覆土厚度在5 m以上，部分小斷面隧道的上覆土在4 m左右，斷面面積較大且覆土厚度僅4 m的工程在目前非常少見。對于隧道施工引起的地表沉降規(guī)律的研究，文獻[2-3]利用修正Peck公式并根據(jù)實際工程，計算地表沉降的最大值。肖矜[4]等在研究隧道開挖對上部路基沉降的影響時，發(fā)現(xiàn)在路基中添加土工格柵可以對基層的附加應變起到抑制作用，從而緩解差異沉降。傅鶴林[5]等通過理論研究推導隧道開挖引起地表沉降的計算公式，對下穿隧道施工所引起的地表沉降有一定預測作用。對于隧道施工引起的地表沉降的控制技術(shù)研究，文獻[6-8]研究不同開挖方法對隧道地表沉降規(guī)律的影響，得到開挖步數(shù)越多對隧道擾動越小的結(jié)論，開挖方法需要根據(jù)具體的工程條件來確定。文獻[9-10]研究不同循環(huán)進尺對隧道開挖引起的沉降變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)循環(huán)進尺越小越有利于隧道開挖的穩(wěn)定性，但考慮工程進度需確定最合理的開挖進尺。文獻[11-17]對比多種施工支護方案，發(fā)現(xiàn)大管棚加固效果最好，但預支護方案需根據(jù)沉降控制的要求與實際加固效果確定，以保證隧道安全順利施工。

關(guān)于新建隧道下穿既有線路或結(jié)構(gòu)物的工程，已經(jīng)形成比較成熟的施工技術(shù)，但針對覆土厚度非常淺、斷面大、圍巖破碎的隧道下穿工程，還缺少完善的沉降控制標準和技術(shù)。

鑒于此，根據(jù)新鼓山隧道洞口段下穿高速公路的實際工程，建立有限元模型，通過修正的Peck公式計算公路路基沉降的控制標準，并分析由隧道開挖引起的高速公路路基沉降情況，得到工程最佳開挖進尺、開挖方法和支護方案。

表1 部分隧道下穿道路沉降控制Table 1 Settlement control of part of tunnel underpass road

1 工程概況

圖1 新鼓山隧道進口段橫斷面圖Figure 1 Cross-sectional view of the entrance section of the New Gushan Tunnel

圖2 新鼓山隧道進口段縱斷面圖Figure 2 Longitudinal view of the entrance section of the New Gushan Tunnel

圖3 新鼓山隧道進口段平面布置圖Figure 3 Layout of the entrance section of the New Gushan Tunnel

2 模型與材料參數(shù)確定

2.1 交通荷載模擬

根據(jù)Hyodo[18]、葉斌[19]等的研究，交通荷載作用可用半波正弦荷載模擬，鑒于交通荷載本身的特性和前人成熟研究的可靠性，本文將交通荷載簡化為半波正弦動荷載，荷載示意圖如圖4所示。

圖4 交通動荷載示意圖Figure 4 Traffic dynamic load diagram

2.2 三維模型建立

利用數(shù)值模擬的方法研究隧道-地層-公路體系在交通荷載作用下，隧道開挖后引起的高速公路變形情況。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，建立三維模型，給模型施加與實際工程對應的邊界和初始條件。根據(jù)新鼓山隧道下穿高速公路段實際情況建立的三維模型尺寸為130 m×120 m×45 m(X×Y×Z)，隧道埋深取最小覆土厚度4.1 m，土層、路基采用摩爾-庫倫模型、襯砌支護采用彈性本構(gòu)模型、開挖采用空模型。

在不考慮交通荷載時，模型采用摩爾-庫倫模型，模型考慮初始自重應力，除上部為自由邊界外，其它面皆施加固定邊界條件。在考慮交通荷載時設置靜態(tài)邊界或者自由場邊界，靜態(tài)邊界即黏性邊界，可以吸收到達邊界的入射波；自由場邊界為模型提供無線場效果，可以使波不發(fā)生扭曲，減少反射。最后建立模型如圖5所示，通過ANSYS軟件建模和劃分網(wǎng)格再導入FLAC3D進行后處理計算。對隧道的開挖與支護模擬如圖6所示。

(a) Ansys中建立模型 (b) 導入FLAC3D后的模型

圖6 開挖與支護模型圖Figure 6 Excavation and support model diagram

2.3 材料參數(shù)確定

通過室內(nèi)試驗與地勘資料、設計資料綜合分析確定地層和隧道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)表Table 2 Material parameters table

3 路基沉降控制標準確定

新鼓山隧道最小埋深為4.1 m，考慮到既有公路路面的不平整性，簡化為20%的維修不平整度，考慮公路修筑使用年限和地質(zhì)條件，簡化分析采用1.5的安全系數(shù)。根據(jù)①朱正國[20]等、②璩繼立[21]等、③張治國[22]等推導的路基沉降控制基準計算公式，通過計算和對比分析得到沉降控制基準值和修正值如表3所示。

表3 新鼓山隧道下穿公路沉降控制基準Table 3 Settlement control datum of the New Gushan Tunnel under highwaymm

綜合3種結(jié)果分析，為保證施工安全，取最小值即按③計算所得的值為基準值，所以新鼓山隧道下穿高速公路沉降控制基準值為36 mm。為方便管控和更好地保證施工安全，將這個基準更加細化為3個等級，得到基準值、預警值和報警值如下：預警值為21.6 mm，報警值為28.8 mm，基準值為36 mm。

4 計算結(jié)果分析

4.1 不同開挖方法對路基沉降控制效果分析

4.1.1橫向沉降分析

模擬臺階法、CD法、雙側(cè)壁導坑法在無交通荷載下路基的沉降，路基豎向位移如圖7所示。

由圖7可以看出，高速公路路基在隧道不同方法開挖的情況下，沉降值有明顯的差別。隧道穿過以后，路基出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，隧道軸線上沉降值最大，遠離隧道軸線沉降逐漸減小，沉降云圖關(guān)于隧道軸線呈對稱分布。

(a) 三臺階法開挖路基沉降云圖

(c) 雙側(cè)壁導坑法開挖路基沉降云圖

從數(shù)值計算結(jié)果分析，路基在隧道采用臺階法、CD法、雙側(cè)壁導坑法情況下，達到的最大沉降值分別是44.2、35.5、27.3 mm。以臺階法沉降值為基礎，CD法減少沉降量占比19.7%，雙側(cè)壁導坑法減少沉降量占比38.2%，說明雙側(cè)壁導坑法在這3種方法中對路基的影響是最小的。

取路基中線處隧道橫斷面為分析斷面，沿斷面左右橫向在地表各監(jiān)測點選取具有代表性的特征點，繪制各主要施工階段斷面的橫向沉降曲線如圖8所示。

圖8 三臺階法開挖路基中線斷面橫向沉降曲線Figure 8 Lateral settlement curve of middle section of subgrade excavated by three-step method

圖8表明，三臺階法施工不同臺階穿過斷面時對上覆路基造成不同程度的沉降，上臺階開挖引起軸線上最大沉降12.2 mm，占總沉降量27.6%，中臺階開挖占總沉降量59.5%，下臺階開挖后沉降達到86.9%，開挖通過斷面以后沉降已經(jīng)占到大部分，后期沉降緩慢發(fā)展，直至二次襯砌跟進后沉降達到穩(wěn)定。

圖9中CD法開挖，采用左右上下4個臺階的方法開挖，沉降曲線明顯與三臺階法不同，由于先開挖左側(cè)臺階，所以沉降曲線最大值向左偏離隧道軸線，并且由于開挖臺階比三臺階法中每個臺階小，每次開挖造成的路基沉降量也較小，做到了很好的分步控制變形，最后隨著右側(cè)土體的開挖，沉降曲線最大值慢慢回到隧道軸線上，最終達到穩(wěn)定值35.5 mm。

圖9 CD法開挖路基中線斷面橫向沉降曲線Figure 9 Transverse settlement curve of the middle section of roadbed excavated by CD method

從圖10中沉降曲線可以看出隧道開挖的全過程、路基沉降的變化和沉降槽的變化，通過對雙側(cè)壁導坑法各個施工步開挖沉降從曲線的對比發(fā)現(xiàn)，沉降槽底隨著導坑的開挖而變化，先在隧道軸線左側(cè)，隨著開挖逐漸向右移動，最后移動至隧道軸線，中部核心土開挖到隧道貫通，路基沉降發(fā)展到最大值27.3 mm。

圖10 雙側(cè)壁導坑法開挖路基中線橫向沉降曲線Figure 10 Lateral settlement curve of middle line of subgrade excavated by double-wall guide pit method

3種不同施工方法在穿過路基中線斷面時，路基表面對于不同施工步的響應，沉降變形隨著施工部序的進行而依次發(fā)展。通過3種施工方法的開挖計算，得到最終路基沉降值，繪制路基表面橫向沉降曲線如圖11所示。

圖11 不同施工方法最終沉降曲線Figure 11 Final settlement curves of different construction methods

由圖11可以得到，3種施工方法最終造成的路基沉降規(guī)律相似，橫向影響范圍相差不大。但是在最終沉降值上，臺階法>CD法>雙側(cè)壁導坑法。所以從沉降控制和安全的角度來講，淺埋下穿隧道選用雙側(cè)壁導坑法比其他2種方法更為適用。

4.1.2縱向變形分析

在施加交通荷載作用計算后，得到模型沿隧道中線剖面的豎向變形云圖如圖12所示。

(a) 三臺階法開挖地層豎向變形云圖

(b) CD法開挖地層豎向變形云圖

(c) 雙側(cè)壁導坑開挖地層豎向變形云圖

從圖12可以看出，對比3種不同施工方法，它們的沉降最大值點隨著施工方法步驟的復雜而遠離開挖斷面。由于CD法分左右上下4步開挖，當開挖左上臺階時，右上臺階土體沒有開挖可以起支撐作用，可以有效地控制一次開挖擾動造成的沉降量；雙側(cè)壁導坑法分8步開挖，每步間隔3 m，中下臺階掌子面和左上導坑掌子面相距24 m，更有效地減緩沉降。所以雙側(cè)壁導坑法更有效控制了隧道中線正上方地層沉降。

4.2 不同開挖進尺對路基沉降控制效果分析

4.2.1橫向沉降

利用軟件模擬用雙側(cè)壁導坑法開挖，開挖進尺為0.5、1、2、3 m這4種工況的數(shù)值計算，不同開挖進尺開挖的路基沉降云圖如圖13所示。

(a) 進尺0.5 m開挖路基沉降云圖

(b) 進尺1 m開挖路基沉降云圖

(c) 進尺2 m開挖路基沉降云圖

(d) 進尺3 m開挖路基沉降云圖

由圖13可以看出，沉降云圖關(guān)于隧道軸線呈對稱分布，隧道軸線上沉降值最大，遠離隧道軸線沉降逐漸減小，路基表面沉降有由隧道軸線向兩側(cè)發(fā)展的趨勢。取路基表面中線橫向各監(jiān)測點，進行橫向沉降分析，提取不同進尺開挖部分監(jiān)測點數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 路基中線表面橫向監(jiān)測點沉降值Table 4 Settlement values of lateral monitoring points on the surface of middle route of subgrade

從表4路基中線監(jiān)測點監(jiān)測到的路基表面橫向沉降數(shù)據(jù)分析，隨著隧道開挖進尺的不同，引起路基表面沉降值明顯不同。路基在隧道開挖進尺0.5、1、2、3 m情況下，達到最大沉降值分別是44.2、47.5、50.3、53.4 mm。

從數(shù)據(jù)顯示結(jié)果分析，沉降值大小與開挖進尺大小呈現(xiàn)正相關(guān)，即沉降值隨著隧道開挖進尺的增大而增大。從0.5 m進尺增加到3 m進尺，沉降量增加了9.2 mm，增加了20.8%，說明開挖進尺對路基沉降變形的影響是比較大的。

取路基表面中線橫向各監(jiān)測點在不同進尺開挖下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)提取數(shù)據(jù)繪制路基表面沉降曲線如圖14所示。

綜合表4和圖14可以得到以下規(guī)律：

4種不同開挖進尺沉降曲線反映了明顯的沉降槽效應，這也說明新鼓山隧道下穿高速公路施工會對路基造成“U”形的沉降破壞面。從沉降曲線可以得出新鼓山隧道在埋深4.1 m情況下，沉降槽寬度B即隧道開挖對路基表面橫向變形影響范圍在48 m左右，沉降槽寬度系數(shù)i對應的橫坐標為9 m左右。

從距離隧道中軸線3～9 m范圍內(nèi)，沉降曲線變化明顯，3 m開挖進尺在這段區(qū)域沉降值由47.5 mm下降到14.3 mm，變化值達到33.2 mm，占總沉降量的62.2%；2 m進尺情況下，這段范圍沉降變化值為32.9 mm，占總沉降量65.4%；1 m情況下，這段范圍沉降變化值為30.5 mm，占總沉降量64.2%；0.5 m情況下，這段范圍沉降變化值為29 mm，占總沉降量的65.6%；從這幾種情況來看，在距隧道軸線3～9 m這段范圍，沉降值變化在60%以上，這段區(qū)域應為主沉降區(qū)。

從沉降變形控制和隧道開挖進度的角度來講，針對于新鼓山淺埋隧道下穿的實際工程情況，現(xiàn)場選用0.5 m進尺開挖為宜，這樣既能保證下穿路基的沉降控制，也能確保隧道施工的安全。

4.2.2縱向變形分析

在施加交通荷載作用計算時，得到模型沿隧道中線剖面的豎向變形云圖如圖15所示。

(a) 進尺0.5 m豎向變形云圖

(b) 進尺1 m豎向變形云圖

(c) 進尺2 m豎向變形云圖

(d) 進尺3 m豎向變形云圖

從圖15可以看出：隨著隧道開挖通過，掌子面后方35 m以后地表的最終沉降量趨于穩(wěn)定，這是由于開挖后二次襯砌及時跟進施作，使得掌子面后方變形得到控制。

總體來說，4種不同開挖進尺對地層變形的影響大小為3>2>1>0.5 m，在新鼓山淺埋下穿隧道施工中開挖進尺方面選擇0.5 m對變形控制的效果最好。

4.3 不同支護方法對路基沉降控制效果分析

通過以上研究得到，在超淺埋隧道下穿高速公路施工中雙側(cè)壁導坑法明顯優(yōu)于CD法和臺階法，可以有效減小開挖擾動影響和沉降變形，開挖進尺取0.5 m，可以有效控制沉降變形。開挖進尺和開挖方法都屬于施工要素優(yōu)化研究，要更好地控制變形還要采取一些預加固措施。通過比較以下4種預加固方案效果(見表5)，得到最優(yōu)加固方案。

表5 隧道預加固方案Table 5 Tunnel pre-reinforcement scheme

通過數(shù)值模擬計算，地表沉降云圖如圖16所示。

(a) 無預支護地表沉降云圖(b) 單層大管棚支護地表沉降云圖

(c) 單層大管棚+小導管支護地表沉降云圖(d) 雙層大管棚支護地表沉降云圖

從圖16可以看出，隧道穿越路基段，沉降值明顯變大，說明交通荷載對隧道下穿施工造成了一定的影響。從沒有預支護到雙層大管棚預支護4種方案對地表沉降的影響變化；隨著預支護手段的加強，地表變形值越來越小。

通過數(shù)值模擬4種不同預支護方案，得到其沉降控制結(jié)果，選取開挖完成后路基中線數(shù)據(jù)將其擬合出沉降曲線如圖17所示。

圖17 不同預支護方案路基沉降曲線Figure 17 Subgrade settlement curves of different pre-support schemes

由圖17得到，在施加交通荷載的情況下，對比沒有預支護的情況下的沉降值，3種預支護方案對路基的沉降控制減少量占總沉降的百分比分別是單層大管棚支護16%、單層大管棚+小導管支護36%、雙層大管棚支護50.9%。

從3種方案的沉降控制效果上來看雙層大管棚支護最佳。在選在雙側(cè)壁導坑法開挖，開挖進尺為0.5 m，且選擇雙層大管棚預支護時，可以將公路路基的沉降控制在20 mm以內(nèi)，相對于控制標準38 mm是能夠保證公路運營不受隧道開挖影響的。

4.4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

在實際施工采用三臺階臨時仰拱法開挖，如圖18所示，先利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護，弱爆破開挖①部，再施作①部導坑周邊初期支護，導坑底部鋪設I18輕型工字鋼，噴10 cm厚混凝土，施做①部臨時仰拱。鉆設系統(tǒng)錨桿后噴混凝土至設計厚度，必要時在①部中間設置豎向支撐。在滯后于①部一段距離后， 弱爆破開挖②部，導坑周邊部分初噴4 cm厚混凝土，架立鋼架，并設鎖腳鋼管。導坑底部噴10 cm厚混凝土，施作②部臨時仰拱。鉆設系統(tǒng)錨桿后噴混凝土至設計厚度。在滯后于②部一段距離后，弱爆破開挖③部，再施作初期支護。最后灌筑中部④部隧底仰拱。

圖18 隧道開挖步驟示意圖Figure 18 Schematic diagram of tunnel excavation steps

在實際施工時隧道采用長管棚支護，如圖19所示為管棚布置圖，長管棚一般為10～60 m，用每節(jié)長4～6 m的熱軋無縫鋼管以絲扣連接而成，鋼管上鉆注漿孔，呈梅花形布置，鋼管間距為40cm，鋼管軸線與襯砌外緣線夾角為1°～3°，鋼管施工誤差徑向不大于20 cm ，相鄰鋼管之間環(huán)向不大于10 cm。

圖19 隧道洞口段長管棚布置圖Figure 19 Arrangement of long pipe shed at tunnel entrance

選取現(xiàn)場設置的DB00、DB01、DB02、DB03、DB04這5個橫向監(jiān)測點所監(jiān)測的地表沉降隨時間變化的數(shù)據(jù)，其沉降時程曲線如圖20所示。

圖20 現(xiàn)場監(jiān)測地表沉降時程曲線Figure 20 Time-history curve of surface settlement monitored on site

由圖20分析可知，DB00監(jiān)測點為隧道軸線上方路基監(jiān)測點，其達到最終的穩(wěn)定沉降值為31.48 mm。通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相比，數(shù)值模擬采用雙側(cè)壁導坑法開挖地表沉降的發(fā)展更加緩慢，做到逐步控制，比現(xiàn)場施工采用的三臺階臨時仰拱法開挖對路基沉降控制效果好。采用雙層大管棚支護比實際施工中采用長管棚支護的沉降值降低了35.83%，單層大管棚+小導管預支護時比實際降低了16.45%，單層大管棚預支護時比實際提高了9.6%，無預支護時比實際降低了30.56%。現(xiàn)場監(jiān)測沉降的累計隨時間發(fā)展與數(shù)值模擬結(jié)果相似，開挖初期發(fā)展較緩，隨后沉降速率增加，最后緩慢增加達到穩(wěn)定狀態(tài)，驗證了數(shù)值模擬計算正確性。

5 結(jié)論

根據(jù)調(diào)研資料顯示，隧道下穿段覆土厚度僅4.1 m的工程在國內(nèi)極少見，要控制高速公路路基沉降在安全范圍之內(nèi)非常困難。利用數(shù)值模擬的方法對超淺埋隧道下穿高速公路路基沉降進行分析，得到結(jié)論如下：

a.通過3種不同的計算方法對比分析得到高速公路路基沉降的控制標準值為36 mm、預警值為21.6 mm、報警值為28.8 mm，該結(jié)果比大部分下穿工程的控制值要小，能更安全地控制路基的沉降。

b.通過開挖方法模擬分析，超淺埋隧道開挖采用雙側(cè)壁導坑法，分8步開挖，每步間隔3 m，能更有效控制路基的沉降。雙側(cè)壁導坑法可以將沉降量控制在28 mm以內(nèi)，比臺階法與CD法控制效果更好。

c.超淺埋下穿隧道施工中開挖進尺宜選擇0.5 m。開挖進尺從0.5 m增加到3 m，沉降量增加9.2 mm，增加20.8%，所以0.5 m進尺開挖擾動最小，對路基和隧道變形的控制效果最好。

d.在0.5 m進尺、雙側(cè)壁導坑法施工的基礎上，采用雙層大管棚預支護的效果最佳。通過以上施工方案可以將高速公路路基沉降控制在預警值以內(nèi)，確保高速公路的正常運營。

e.通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，采用雙側(cè)壁導坑法開挖，雙層大管棚預支護的效果要優(yōu)于實際施工中采用的三臺階臨時仰拱法開挖、長管棚支護的方案。