新建隧道下穿既有高速公路关键问题的探讨

摘　要: 采用三维数值模拟手段对新建隧道下穿甬台温高速公路的影响性进行分析研究表明,拟采用的施工方案及加固措施,有效控制了开挖过程中既有公路路面及新建隧道围岩的位移量。新建隧道开挖对既有高速公路产生的纵、横向影响区域分别为15 m 与40 m 左右,最小、最大主应力主要集中在隧道中心线上的路面顶、底部,量值均较大,路面底部有产生受拉破坏的可能,既有高速公路处于相对安全状态,最终根据分析结果提出了相关的建议。

关键词: 隧道; 下穿; 高速公路; 位移

1 　下穿段设计方案的拟定

乌岩山隧道位于甬临线梅林至山河岭段改道工程线上,道路等级为双向四车道一级公路,行车速度80 km/ h ,隧道建筑限界净宽1110 m、净高510 m。隧道内岩性单一,以花岗岩为主,设计中依据岩性条件将其划分为Ⅲ～ Ⅴ级围岩不等。据施工图阶段工程地质勘察报告可知,隧道内构造不甚发育,受地质构造影响轻微。值得注意的是, 乌岩山隧道在ZK9 + 064 ～ZK9 + 112 及YK9 + 092～ YK9 + 140 段下穿甬台温高速公路,拱顶距离公路路面最薄处仅5 m 左右。下穿段主要位于强风化花岗岩中,岩体总体性状较差,据岩性指标,将其划分为Ⅴ级围岩,考虑到甬台温高速公路交通繁忙,车流量较大,车型复杂,对于路面沉降要求较高,为保障下穿段既有高速公路的运营安全,针对以下几个方面进行了重点设计。

(1) 超前加固措施。设计中拱部采用<108 mm壁厚6 mm 热轧无缝钢管超前支护和<42 mm 超前小导管补充预注浆支护(图1) ,为避免锚杆过长而影响路面正常使用功能,下穿段不设系统锚杆,超前管棚长55 m , 环向间距35 cm , 超前小导管长415 m ,纵向间距按215 m 布置。

(2) 初期支护。采用H175 型钢钢架按纵向间距015 m 一榀布置,喷射混凝土。

(3) 管棚施作方案。在ZK9 + 122～ZK9 + 130及YK9 + 190～YK9 + 198 段设置管棚工作室,管棚长度可根据现场机具配置情况进行调整。管棚工作室开挖后需及时施作初期支护,管棚工作室在管棚施作完毕后采用C25 混凝土回填,铺设防水层,最终施作二次衬砌。

(4) 施工方法。下穿段采用双侧墙预留核心土分部开挖的方法,具体施工步骤如图1 所示。上述施工方案及设计参数是否合理、能否有效保障甬台温高速公路营运安全将是重点关注的内

容。因此,采用数值模拟手段对隧道下穿高速公路段路面安全性分析是很有必要的。

2 　下穿段数值分析

211 　计算依据及计算模型

根据乌岩山隧道设计的实际形态,在综合分析隧道下穿甬台温高速公路平纵断面图及地质资料的基础上,选择拱顶距离公路路面最薄处(仅5 m) 建立分析模型(图2) ,考虑甬台温高速公路两侧边坡高差较大,模型建立时以该段地质参数、地形实态为依据。由于隧道设计为分离式,两洞轴之间的距离达40 m 左右,据已有研究资料,隧道开挖后应力互不叠加,故计算中选择一个隧道进行分析。

对于车辆荷载按照最不利工况进行布置,即左右行车道满布车辆荷载(图2) 。车辆荷载的确定依据《公路桥涵设计通用规范》(J TG D60 - 2004) 中公路—I 级荷载,按照等效原则将其换算为均布荷载,最终取均布荷载标准值为63 kN/ m。最终计算模型共划分为近53 000 个单元,55 000个节点。考虑隧道埋深较浅,计算中以自重应力场为主。模型建立时依据以往的隧道力学资料,即考虑隧道开挖的影响范围及尽量减少“边界效应”的影响[3 - 4 ] ,建模时宽度方向(即x 方向) 由隧道中线位置向两侧各延伸50 m ;高度方向(即y 方向) 取仰拱底部以下36 m、拱顶以上取实际埋深;隧道沿轴线方向(即z 方向) 取100 m 长度。在模型的下边界施加竖向约束;在左、右边界施加水平约束,前后边界施加轴向约束。隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑,采用Druck2Prager 屈服准则[5 ] ,分析中初衬采用壳( shell) 单元,岩体及二衬采用实体( solid) 单元。依据设计建议采用的施工步骤,建立隧道开挖模型,图中数字即代表开挖工序。212 　计算参数材料参数是在重点参考乌岩山隧道施工图设计阶段工程地质勘查报告的基础上,结合《公路隧道设计规范》(J TG D70 - 2004) 综合参数选取见表1 。需要说明的是,对于设计中围岩超前管棚和小导管注浆加固效果采用的是提高围岩物理力学参数的方法来实现。考虑到围岩加固效果受诸多因素影响,鉴于目前国内外对于该方面研究资料也较为缺乏,故此,本次分析在参考已有资料的基础上,对于预加固区围岩参数提高一个级别来考虑[6 - 9 ] 。

具体计算过程严格按照施工步骤进行,考虑近接施工段埋深较浅,围岩条件较差,施工过程中围岩自承载能力相对较弱,隧道开挖后围岩荷载将很快作用于支护结构。因此,计算时出于安全考虑,拟让围岩承担20 % ,初期支护结构承担80 % ,二衬仅作为安全储备。考虑计算主要的目的是为了研究在上述施工方案下甬台温公路的安全性状况,计算中选取了几个特定研究面进行分析,具体如图2 (b) ( A 、B 点) 及图3 所示。

213 　隧道下穿对既有营运高速公路影响性研究

21311 　纵向影响范围分析

(1)新建隧道在开挖过程中纵向多大范围内会对既有甬台温高速公路产生影响将是施工及设计中重点关注的内容之一,该纵向区段的长短将直接影响到隧道监测及加固范围的大小。鉴于此,本次计算对隧道开挖过程中甬台温高速公路的纵向影响范围进行了分析,获取图2 ( b) 中监测点A 、B 纵向开挖—竖向沉降曲线如图4 所示。　从图4 中A 、B 特征点及其对应下方新建隧道拱顶的竖向沉降随开挖步的监测数据曲线可知,当隧道两端开挖掌子面距离高速公路约15 m ( 约112D) 以外时,新建隧道的开挖对高速公路影响较小,路面沉降趋于稳定,在两者交叉区间内,随着掌子面的逐渐推进,其路面沉降值显著增大。新建隧道开挖对既有高速公路产生较大纵向影响的区域基本分布在距离两端高速公路约15 m 范围之内。故此,建议在该地段施工中应重点加强监控及加固措施,确保工程安全。从沉降量值来看,由于采取了超前加固及能较好控制沉降的施工方案,所以,在隧道开挖过程中,既有高速公路总体沉降较小,拱顶最大沉降不足5 mm。

21312 　围岩—路面位移分析依据研究目的,获得下穿过程中围岩位移及其矢量如图5 、图6 所示。

隧道开挖后,拱顶将产生下沉,拱底将产生隆起;最大下沉值达215 mm ,位于新建隧道拱顶位置,相应该地段甬台温高速公路路面竖向沉降量大于其他部位,最大隆起量达316 mm ,位于新建隧道拱底位置。考虑路面左右对称,在进行路面特征点沉降分析时选取一半模型进行研究(图3) ,获取最终状态下甬台温路面沉降(图6) ,从图6 中可以看出,隧道开挖过程中,甬台温路面将产生中间大、两侧小的“沉降槽”,路面最大沉降量发生在拱顶最上方,达117 mm ,新建隧道对甬台温公路产生较大横向影响的范围约为隧道中心线两侧各约20 m。(3) 从最终状态下拱顶深部位移量值来看,隧道开挖后,拱顶深部围岩将产生沉降,沉降量的分布从拱顶到路面呈由大到小的趋势变化,越靠近拱顶沉降量越大,拱顶处沉降量约为地面沉降量的2 倍,但总体沉降量较小,最大不足3 mm。究其原因,主要是采取分部开挖的施工方案及超前加固措施,使得沉降量得以控制。

21313 　围岩—路面应力分析计算同时获取了下穿时的围岩—路面结构应力分布云图(图7) 。(1) 隧道下穿过程中,最大、最小主应力均产生在甬台温高速公路路面,最大主应力产生在路面底部,承受拉应力[ 图7 (c) ] ,最大量值达1149 MPa ;最小主应力产生在路面顶部, 承受压应力[ 图7(d) ] ,最大量值达1178 MPa ,在此受力状态下,路面底部可能产生受拉破坏,施工中建议重点监控。(2) 隧道开挖后,围岩基本承受压应力,由于岩体条件较差,围岩自承载能力不高,故总体量值较小,压应力较大值位于拱角及拱顶范围的加固圈位置处。造成上述现象的原因主要是由于拱脚部位存在应力集中及围岩加固区域由于岩体性状的改善,围岩自承载能力增强所致。同时,从围岩的最小主应力量值来看,由于甬台温两侧边坡高度差异较大,造成新建隧道纵向上存在偏压,即围岩受力随着边坡高度的减小而降低。21314 　初衬受力分析计算中获取初衬应力如图8 所示,从初衬主应力云图结合前述分析可知,因围岩条件较差,自承载能力不高,施工中初期支护作为主要的承载单元,承担了来自围岩的大部分荷载,从而使得隧道围岩的应力松弛和应力集中得到控制,导致了喷层混凝土产生了较大的内力,从最终的喷层混凝土受力来看,最大主拉应力达1130 MPa ,位于拱脚外侧及拱底内侧等部位接近于喷射混凝土的抗拉强度,初衬将可能出现受拉裂缝; 最大压应力位于拱脚内侧, 达9113 MPa ,小于混凝土抗压强度的设计值,考虑到初衬中钢筋网及钢拱架的共同作用,初衬将处于安全状态。因既有公路两侧边坡高度存在差异,初衬的主应力分布纵向上同样存在偏压现象。

3 　结论与建议

通过上述分析得出以下结论。

(1) 施工中采用多开挖步的双侧壁导坑法及超前管棚+ 小导管注浆措施,有效控制开挖过程中路面和新建隧道的围岩位移,使得沉降量值总体较小。(2) 当隧道开挖掌子面距离两端高速公路约15 m(约112D) 以外时,新建隧道的开挖对高速公路影响较小,路面沉降趋于稳定,在两者交叉区间内,随着掌子面的逐渐推进,其路面沉降值显著增大。新建隧道开挖对既有高速公路产生较大纵向影响的区域基本分布在距离两端高速公路约15 m 之内,建议在该地段施工中应重点加强监控。(3)高速公路路面的横向沉降槽出现一个近似“喇叭口”的形状,横向影响较大的区域范围约为40 m。(4) 高速公路路面的最大主应力和最小主应力数值均较大,最大主应力主要集中在隧道中心线上的路面底部,使路面承受拉应力,最小主应力主要集中在隧道中心线上的路面顶部,使路面承受压应力,路面底部很有可能产生受拉破坏。(5) 隧道内拱顶下沉、拱底隆起,但量值均较小。(6) 隧道初衬的最大主应力和最小主应力主要集中在拱脚处,初衬承担较多来自围岩的荷载,总体处于安全状态。根据上述结论,建议在施工中采用以下措施,以保证既有高速公路的正常运营和新建隧道的安全施工。(1) 沿隧道纵向中线,上方高速公路路面每间隔5 m 设置一个监测断面,每个监测断面横向每间隔5 m 设置一个沉降观测点,中心线上的观测点应重点监测,提高监测频率。(2) 为了防止路面硬壳层不能及时、准确地反映地层实际沉降情况,造成路面下方虚空,需钻穿混凝土路面,并在路面以下地层中打入短钢筋布设观测点,以便对地层的沉降情况进行监测。(3) 在隧道洞周内部,应在拱顶、拱底、边墙部位设置监测点,以便随时观察,对地层沉降做出准确的预报,特别是初衬的拱结构失稳多由拱脚的破坏引起,因此,拱脚的变形和破坏应是隧道施工中监测和控制的重点。(4) 上述施工方案虽有效地控制了路面沉降,但开挖工序繁多、程序复杂,建议适当简化施工步后进行施工方案的再次论证,结合爆破振动分析,确定合理的开挖工序和步骤。(5) 本段全断面初期支护未设锚杆,建议考虑到拱顶覆盖层较薄,锚杆施工对围岩整体性产生一定影响,可不设锚杆,但拱肩以下部位建议增设锚杆。(6) 本段隧道超前支护建议采用<150 mm ×6 mm 管棚,管棚中设钢筋笼,以加强管棚的强度。同时为加强管棚的施工精度及可操作性,建议管棚由两端工作室对向施作。(7) 下穿段由于覆盖层较薄,开挖后应力大部分已释放,而二次衬砌施作有一定的滞后,因此,建议采取以下措施加强初期支护的强度及刚度。①建议初期支护钢拱架采用18 号工字钢,间距为015 m ,并加强纵向连接筋设置,环向间距40 cm。②建议在初期支护喷混凝土与二衬之间增设35 cm厚内侧配筋钢筋混凝土衬砌,与初期支护同步实施。③二次衬砌可采用厚45 cm 钢筋混凝土,并要求施工衬背浇筑密实。(8) 设计采用的施工方案理论上能满足施工阶段的安全需要,但该方案主要工序由上至下,在下部开挖时工序复杂,控制要求高,难度大,相对不确定因素会增加。因此,建议采用由下至上的双侧壁导坑开挖方案,此方案相对设计方案采用由下至上的工序,且工序相对简单、步骤连接控制难度小,相对更为安全。

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