吳東鵬，楊新安，吳 沖

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.神華包神鐵路集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

隨著鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，很多鐵路隧道施工面臨下穿既有重載道路的問題［1］。隧道下穿工程是一類復(fù)雜的工程，特別是在黃土地區(qū)，在隧道下穿重載道路施工過程中，道路重載會對圍巖拱效應(yīng)的形成在空間和時間上產(chǎn)生影響；同時，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土相互作用，不斷調(diào)整自身受力與變形［2］；在開挖過程中，會對上部的道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響，影響既有道路的使用安全，阻礙在建工程的正常進(jìn)行［3］。因此，對淺埋隧道施工進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬和分析，預(yù)判隧道建設(shè)與既有重載道路的相互影響，從而做好相應(yīng)的防護(hù)措施是非常必要的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法被引人支護(hù)計(jì)算中［4-5］。在目前的研究中，對于重載道路對下穿其的淺埋隧道施工影響的研究比較少，本文采用FLAC3D對巴準(zhǔn)鐵路敖包溝隧道下穿重載運(yùn)煤道路施工的隧道開挖與支護(hù)進(jìn)行模擬，將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行比較，并分析隧道開挖對重載運(yùn)煤通道的影響。通過數(shù)值分析提出處治措施，保證隧道施工的正常進(jìn)行。

1 工程概況

巴準(zhǔn)鐵路敖包溝隧道全長3180 m，為雙線鐵路隧道，地處內(nèi)蒙高原低中山區(qū)，地形起伏較大，溝梁相間。隧道為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，隧道水平開挖跨度12.26m，高度10.55m；水平最大凈空10.76m，拱高9.80 m。敖包溝隧道在D1K34+492～D1K34+505里程段下穿西涼煤礦的主運(yùn)煤道路，相交角度約50.5°，隧道與運(yùn)煤道路之間的平面位置關(guān)系如圖1所示。下穿區(qū)域洞頂距運(yùn)煤道路路面約8m厚，中間覆土為人工填土。運(yùn)煤道路為雙向行車道，寬10.30m，路表為水泥路面，東南側(cè)為寬約13.70m的泥結(jié)石道路，東北側(cè)為高約8m的黃土邊坡，西南側(cè)為深約5m的沖涮溝谷。高峰期時運(yùn)煤道路上車輛以大型重載運(yùn)煤車輛為主，行車密集，運(yùn)煤車輛飽和載重維持在30多噸左右。

隧址區(qū)地層軟弱，大范圍分布砂質(zhì)黃土、泥巖、礫巖、砂巖夾泥巖，隧道洞身穿越地層為砂巖夾泥巖，地質(zhì)條件差。下穿運(yùn)煤通道區(qū)段隧道洞身穿越土丘，近溝谷，巖層層理走平緩，地質(zhì)構(gòu)造簡單，地基土具有以下特點(diǎn)。下穿道路段隧道上覆三層巖層，依次為Qml4，J1的④21，J1的④22；其中Qml4以砂質(zhì)黃土為主，呈褐黃色，稍濕，稍密；J1的④21層為砂巖夾泥巖，呈黃綠色，全風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，巖芯呈土狀；J1的④22層為砂巖夾泥巖：黃綠色，強(qiáng)風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，巖芯呈土狀，一般節(jié)長5～15 cm。隧道位于J1的④23層，為砂夾泥巖，呈灰綠色，強(qiáng)風(fēng)化，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈小塊狀。

根據(jù)土工試驗(yàn)和勘察設(shè)計(jì)資料，Qml4，④21，④22，④23土層的物理參數(shù)如表1所示。

圖1 重載道路與隧道相交平面位置關(guān)系Fig.1 Plane relation of heavy-load road and tunnel

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil horizon

2 本構(gòu)模型建立與隧道開挖模擬

2.1 本構(gòu)模型的選擇

土體是一種很復(fù)雜的復(fù)合體，在外力的作用下，土體不僅產(chǎn)生彈性變形，而且還會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形［6］。土的彈塑性本構(gòu)模型能較好地反映土體應(yīng)力路徑、土的硬化和軟化特性。本文在采用FLAC3D模擬計(jì)算中，土體采用摩爾一庫倫模型，該模型是最通用的巖土本構(gòu)模型，適用于那些在剪應(yīng)力下屈服，但剪應(yīng)力只取決于最大、最小主應(yīng)力，而第二主應(yīng)力對屈服不產(chǎn)生影響松散而膠結(jié)的粒狀的材料，如：土體，巖石，混凝土等［7］。其屈服準(zhǔn)則為［8］

式中：Nφ=；c為凝聚力；φ為摩擦角。

2.2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

該隧道模型斷面完全采用原隧道斷面，對設(shè)計(jì)圖利用Midas-gts劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLAC3D拉伸形成三維模型。模型地層尺寸定為100 m×71 m×30 m（垂直于隧道方向水平×豎向×平行于隧道方向）。

隧道淺埋下穿運(yùn)煤通道，簡化為二者平面垂直交叉。由于在運(yùn)煤通道西南側(cè)為深約6 m的沖涮溝谷，坡度較陡，故模型垂直于隧道方向靠近沖刷溝谷面從地面起6 m設(shè)為自由邊界，該面6 m以下全約束；上邊界為自由邊界，底部全約束，其余側(cè)邊約束了水平位移。

由于隧道斷面較大，且為淺埋下穿重載道路，但限于施工承包單位施工技術(shù)水平有限，故采用上下兩臺階分布開挖法，并采用超前大管棚加固。計(jì)算過程中，超前大管棚、初襯、二襯均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。在模型網(wǎng)格劃分中，為了提高計(jì)算精度，對隧道周圍垂直于隧道掘進(jìn)工作面方向長50 m、高30 m（距地表1 m）范圍內(nèi)做加密處理；模型共劃分為166 377個單元，模型圖和網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，模型實(shí)體主要單元計(jì)算參數(shù)見表2。

2.3 計(jì)算工況模擬

根據(jù)施工工序，計(jì)算模型的開挖、支護(hù)模擬共分成13 部，如表3 所示。在模擬計(jì)算中，首先考慮土體自重應(yīng)力下初始應(yīng)力平衡，然后分布進(jìn)行開挖和支護(hù)，開挖采用NULL命令進(jìn)行。

由于隧道下穿重載道路，本文對比模擬在有重載和無重載兩種情況下隧道和道路的變形情況。

工況一：在開挖和支護(hù)時考慮地表運(yùn)煤通道重載車輛荷載的影響時，車型按黃河JN360 標(biāo)準(zhǔn)在超載200%情況下軸重為2×232.22 kN［9］，以隧道于運(yùn)煤道路水平投影面為活載作用區(qū)域，將其簡化為均布荷載464.44 kPa。

圖2 三維有限元模型網(wǎng)絡(luò)劃分Fig.2 Mesh of three-dimensional finite element model

表2 支護(hù)參數(shù)Tab.2 Parameters of support

工況二：不考慮重載車輛荷載。

兩種情況開挖支護(hù)均為以下計(jì)算步驟。

表3 兩臺階法施工數(shù)值模擬計(jì)算步驟Tab.3 Numerical simulation procedures of construction in two-step method

3 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 兩種工況變形規(guī)律對比分析

經(jīng)FLAC3D模擬兩種工況下隧道開挖支護(hù)引起地表沉降、拱頂沉降、水平收斂和拱底變形量分別如圖3（a）所示。

圖3 不同工況變形對比Fig.3 Comparison of different working conditions

取開挖面距觀測斷面分別為0，15，30 m 時各變形量的平均值，對比分析重載對各類變形量的影響大小，結(jié)果如表4所示。在對車輛重載保守靜態(tài)替代模擬下，道路重載對地表沉降和拱頂沉降影響顯著，影響量分別達(dá)36.38%和32.59%；而重載車輛對拱底變形影響基本可以忽略，僅為-2.58%；重載對水平收斂的影響也并不顯著。

出于對隧道施工安全和運(yùn)煤道路運(yùn)營安全考慮，建議采取隧道施工期間停止運(yùn)煤通道運(yùn)營?？紤]周邊地形條件，為保證不影響當(dāng)?shù)孛旱V正常出煤，減小經(jīng)濟(jì)損失，研究決定修筑臨時替代道路方案來保證隧道正常施工。

表4 地表、拱頂、拱底變形比較Tab.4 Comparison of surface，arch and bottom deformation

3.2 拱頂沉降規(guī)律及變形速率規(guī)律分析

采用替代道路方案施工時，沿隧道縱向每5 m一個斷面設(shè)置了拱頂沉降測點(diǎn)（如圖1所示），并在隧道開挖后每天進(jìn)行觀測。本節(jié)選取有代表性的九個斷面，其均為隧道在淺埋軟弱圍巖段的施工斷面，對各斷面開挖后隧道拱頂沉降的規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出拱頂沉降明顯分為3個階段，依次對應(yīng)于隧道施工的上臺階開挖、下臺階開挖、仰拱開挖和初襯支護(hù)3個階段，沉降曲線的階段性表明，不同開挖階段對隧道拱頂沉降的影響比較明顯。由于觀測日期與隧道掘進(jìn)工作面到達(dá)相應(yīng)斷面的日期的差別，造成以上各圖第一階段日期參差不齊。由D1K34+510，D1K34+505，D1K34+500，D1K34+495，D1K34+490等斷面沉降規(guī)律可看出，上下臺階開挖造成的拱頂沉降量占總沉降量主要部分；D1K34+485，D1K34+480中第三階段沉降量占該斷面總沉降量比重較大且依次增加，這是由于這兩個斷面逐漸向超淺埋過渡并位于8 m高邊坡邊緣附近，工程施工期間時有降雨天氣造成邊坡輕微滑坡所致。

各斷面拱頂沉降速率曲線如圖5所示。圖5可看出，各斷面拱頂沉降速率除某些斷面在觀測初期個別觀測日期沉降突變外的沉降規(guī)律基本相同，可見收斂速率逐漸減小穩(wěn)定小于0.5 mm·d-1，說明拱頂沉降區(qū)域收斂穩(wěn)定。斷面D1K34+495，D1K34+490和D1K34+480分別在第20，28個觀測日左右出現(xiàn)速率突變，可以看到與圖4中沉降變化階段對應(yīng)，這是由于開挖開挖施工部變化所致，由此在施工中應(yīng)及時加強(qiáng)相應(yīng)支護(hù)措施。隧道拱頂收斂時間期為38天左右，結(jié)合隧道施工鉆爆進(jìn)度平均1 m·d-1，可以得出隧道拱頂收斂距離為38 m左右，即約為4B0（B0為隧道凈空）。

圖4 不同斷面拱頂沉降曲線Fig.4 Subsidence curve at different sections

圖5 不同斷面拱頂沉降速率曲線Fig.5 Subsidence curve rate at different sections

現(xiàn)場觀測資料顯示在隧道中線、右3 m、右6 m、右16 m、左3 m、左6 m各測點(diǎn)隧道中心附近沉降量向外遞減，最大值為47 mm，符合V級圍巖淺埋地表沉降要求。地表在上臺階開挖之后開始發(fā)生較明顯沉降，這是由于開挖后應(yīng)力釋放造成；并且在上臺階開挖后約倆周時間后，在下臺階開挖前或剛開挖時地表沉降開始較為明顯，這個時間節(jié)點(diǎn)對內(nèi)蒙地區(qū)類似黃土地質(zhì)有借鑒意義。沉降隨著距離的增加而減小，呈現(xiàn)出橫向沉降槽［6］特征，整個沉降橫向影響的范圍大約為16～24 m。

4 淺埋隧道下穿重載道路施工變形控制措施

敖包溝隧道下穿建筑物段埋深較淺，由于土層粘結(jié)性較小，為固結(jié)完全，只要一開挖，上部土層失去支撐就會垮塌，因此采用長管棚形成保護(hù)殼，再挖除土堆。隧道內(nèi)堆積的土堆同樣由于無粘結(jié)，型鋼拱架不能一次安裝到底，故先安裝拱頂型鋼，采用滿堂式鋼管腳手架將拱頂型鋼撐住，直接在拱墻上掏槽，將型鋼拱腳斜向安裝在槽內(nèi)，打上鎖腳錨桿，噴射混凝土形成保護(hù)殼，再開挖土堆，當(dāng)有條件實(shí)施型鋼至基底時，及時安裝型鋼，與拱頂型鋼采用焊接固定，槽內(nèi)撐腳不拆除，保持整體受力，如此循環(huán)反復(fù)直至隧道掘進(jìn)工作面。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析和現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，提出了以下開挖支護(hù)控制措施：

1）在隧道爆破施工時，為了隧道施工和地表道路的安全，必須對隧道開挖引起的爆破振動進(jìn)行控制，減緩對周圍環(huán)境的影響；

2）取消下穿段前后10 m超前小導(dǎo)管，并在隧道下穿道路向外10 m范圍內(nèi)增設(shè)5根Φ42 mm的超前小導(dǎo)管，外插角為15°，對坍塌體進(jìn)行注漿加固；

3）在距道路中線量測24 m范圍內(nèi)采用長15 m，Φ108 mm的大管棚，環(huán)向間距40 cm，管棚內(nèi)插入鋼筋籠，并灌注M30水泥沙漿，型鋼鋼架由原來的1 m/榀調(diào)整為0.5 m/榀；

4）在距道路中線量測24 m范圍內(nèi)系統(tǒng)錨桿全長仍在中風(fēng)化巖石內(nèi)的，保持不變?nèi)圆捎忙?5 mm砂漿錨桿，如系統(tǒng)錨桿全長或者其中一段在土層或強(qiáng)風(fēng)化巖層中的，則采用Φ25 mm自進(jìn)式中空注漿錨桿。

5 結(jié)論

通過對淺埋軟弱隧道下穿重載道路的數(shù)值模擬與實(shí)測對比分析，可以得到以下結(jié)論：

1）采用FLAC3D模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，重載運(yùn)煤車輛對地表沉降和拱頂沉降影響顯著，影響量近1/3，重載車輛對水平收斂影響較小，對拱底變形影響可以忽略；

2）出于對隧道施工安全和運(yùn)煤道路運(yùn)營安全考慮，建議采取隧道施工期間停止運(yùn)煤通道運(yùn)營，后經(jīng)施工采用改路方案使工程順利完成；

3）隧道拱頂收斂距離約為4B0（B0為隧道凈空）；隧道水平收斂速度小于0.1～0.2 mm·d-1時圍巖基本穩(wěn)定，判定本隧址隧道開挖水平凈空變化穩(wěn)定期限為32天左右；可為黃土地區(qū)類似下穿工程提供參考；

4）運(yùn)煤道路中線橫向沉降影響范圍為16～24 m，需重點(diǎn)對道路影響范圍內(nèi)隧道支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。

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