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的影響因素，并根據(jù)數(shù)值計算提出相應的施工安全管控措施，以期為類似工程提供參考。

關鍵詞：山嶺隧道；下穿；既有公路；有限元模型；變形

中圖分類號：U455.1" " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.033

文章編號：1673-4874（2024）11-0108-04

引言

隨著國家西部大開發(fā)的進行，我國西部交通基礎設施得到快速發(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。特別是在復雜地形和密集交通網(wǎng)絡區(qū)域，隧道的建設不僅要滿足交通運輸?shù)男枨?，還要確保既有結(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，涉及復雜的地質(zhì)條件、力學響應及施工安全等問題，對工程設計、施工技術(shù)以及風險管控提出了更高的要求。關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）的變形與其振動速度，并根據(jù)數(shù)值模擬計算結(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立基礎引起的結(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)的應力響應、變形特點，同時建立了以變形控制為核心的工程安全風險控制體系，形成了相應的控制流程和技術(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目的施工提供了施工指導；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，通過精細化模型研究雙線隧道下穿盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形預測與控制效果，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，如若施工不當會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響應及其對公路結(jié)構(gòu)的影響，對于指導實際工程施工、保障公路和隧道的運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，對其線路中的禹家寨隧道開挖施工下穿既有二級公路為項目依托開展研究，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的影響因素，根據(jù)數(shù)值計算提出相應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行超前預支護，后設置工型鋼架結(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-中風化變質(zhì)砂巖夾片巖，設計圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，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公路，二級公路路面寬8 m，拱頂距二級公路路面最小埋深5.39 m。二級公路與禹家寨隧道之間的幾何位置關系如圖1所示。該二級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

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重點分析區(qū)域的干擾，同時為了計算時間成本，需對模型進行一定的簡化。因此，結(jié)合實際工程項目，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。

在工程應用分析中，往往在滿足工程精確度的要求下會對問題進行合理的簡化。建立三維數(shù)值仿真模型分析隧道開挖下穿既有二級公路的變形影響分析，需要對其做出以下幾點假設：（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強度準則，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，隧道掘進尺度為每1.0 m即襯砌支護。

2.2材料計算參數(shù)選取與接觸面的設置

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，故對圍巖土層均選用Mohr-Coulomb本構(gòu)。根據(jù)依托工程項目的地質(zhì)勘察報告和室內(nèi)土工試驗，本次數(shù)值模擬計算參數(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置合理的接觸面。本文對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，對其接觸面設置“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)值設為0.85。

2.3邊界條件設置與網(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際工程進行設置，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（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（U1=U2=U3=0），模型的左右兩側(cè)限制X方向移動（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算的重點分析區(qū)域，在對模型進行單元網(wǎng)格劃分時由隧道區(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個單元、109 537個節(jié)點，且單元類型為四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的C3D8實體單元。如圖3所示。

3有限元計算結(jié)果分析

3.1既有路面沉降變形分析

數(shù)值模擬中，對既有道路路面中心線、路面兩側(cè)邊緣沿著道路方向設置監(jiān)測線，同時也監(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個監(jiān)測點，共計20個監(jiān)測點；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設置一個監(jiān)測點。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，最終對上部的路面沉降產(chǎn)生抵消作用。在既有道路縱向坐標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，圖6也表明了沿著隧道開挖的方向，隧道中心線對應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公路路面不均勻沉降問題較為突出，因此在實際施工中要嚴格加以控制，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關注的對象之一。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，針對隧道結(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其整體變形的研究還較少，本文通過對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形率進行研究，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，滿足相應的隧道規(guī)范設計要求。

3.3隧道掘進長度影響因素分析

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上進一步分析隧道挖掘尺寸對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的情況下再進行相應的襯砌施工，后對既有道路路面的沉降變形情況，以為工程提供施工指導。

提取隧道掘進尺寸（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，隧道掘進尺寸（L）分別為0.5 m、1 m、2 m與3 m下對應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%。可見隧道單次掘進尺度對其鄰近的道路影響較大，因此在實際施工中要嚴格控制隧道的開挖速率。就依托項目而言，建議其隧道掘進尺寸≤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，包括設置臨時交通標志、信號燈和圍欄，以引導交通繞行，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，隧道在穿越既有道路施工期間，要做到嚴格監(jiān)控，對風險因素的辨識分析，建立風險指標體系進行評估和管理。

（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，以適應特定的地質(zhì)條件和環(huán)境要求，同時采用先進的施工控制技術(shù)來確保施工質(zhì)量和安全。

（3）監(jiān)測與預警。實施實時監(jiān)測，對隧道施工過程中的關鍵參數(shù)進行監(jiān)測，如既有道路路面沉降、隧道結(jié)構(gòu)變形等，并建立預警機制，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施。

4.2結(jié)構(gòu)加固措施

對新建隧道穿越既有結(jié)構(gòu)的工程問題，需要重點關注地層變形規(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。需要使用支護結(jié)構(gòu)、注漿加固等技術(shù)手段來保護既有結(jié)構(gòu)。就本文依托的工程項目而言，提出隧道圍巖結(jié)構(gòu)加固措施，具體如下：

（1）預先注漿加固法。超前小導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，動態(tài)地選擇注漿的范圍，以增強小導管與周圍圍巖的整體承載能力。

（2）超前管棚注漿法進行加固。當隧道穿越既有道路時，超前管棚支護對地層的控制效果是非常明顯的。在使用管棚注漿法進行超前預加固的過程中，管棚產(chǎn)生了梁拱效應。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)部圍巖和支護結(jié)構(gòu)只會受到凈空側(cè)產(chǎn)生的形變壓力。通過對管棚進行注漿處理，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性能，增強了圍巖的自承能力，實現(xiàn)了加固鋼管周圍軟弱圍巖的目標。

（3）主動托換的應力補償方法。采取囊袋式注漿（主動托換）的策略，其核心思想是在圍巖與初級支撐之間設置一個囊袋結(jié)構(gòu)，并通過向囊袋內(nèi)部注入漿液來主動施加支撐力量，從而有效地控制地面、道路沉降。同時，可以通過調(diào)節(jié)注漿的壓力、范圍和方法來動態(tài)地控制地面的變形需求和隧道支護結(jié)構(gòu)的安全標準。如圖10所示展示了基于應力補償技術(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，隧道掘進尺寸為1 m時，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%，滿足相應的規(guī)范安全要求。同時，基于依托工程概況，對隧道掘進進尺進行參數(shù)分析，提出依托工程隧道掘進進尺≤2 m的建議及相關安全管控措施。

參考文獻：

［1］于澤泉，侯明勛.盾構(gòu)隧道下穿結(jié)構(gòu)物施工-運營耦合作用下既有結(jié)構(gòu)的力學響應［J］.公路，2023，68（11）：382-386.

［2］段景川，馮宏朝，申興柱，等.盾構(gòu)隧道施工近接下穿水工結(jié)構(gòu)物施工力學特性分析［J］.公路交通科技（應用技術(shù)版），2015，11（11）：199-202.

［3］周智，衡朝陽，孫曦源.隧道下穿施工誘發(fā)框架結(jié)構(gòu)建筑物變形規(guī)律研究［J］.巖土工程學報，2015，37（S1）：110-114.

［4］侯艷娟.城市暗挖隧道穿越既有結(jié)構(gòu)物的安全性控制［J］.土木工程學報，2016，49（S2）：75-78.

［5］宋京，萬利，張長安，等.隧道下穿施工中地層與結(jié)構(gòu)相互擾動機制分析［J］.公路，2023，68（1）：426-431.

［6］唐汐.地鐵雙區(qū)間下穿既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形控制措施及效果分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（8）：148-153.

［7］田明杰.新建隧道下穿既有城市道路的影響分區(qū)及對策研究［D］.成都：西南交通大學，2019.

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

收稿日期：2024-05-16