福建省山区高速公路弃土对隧道安全性的影响分析

■张舒宁

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

福建省山区较多，在山区修建高速公路多采用隧道方案，并且，在修建高速公路过程中由于开挖隧道和高边坡，易产生大量弃方需要临时或永久弃置。 而弃土场的位置对附近构造物常产生影响，在既有隧道上方或侧方设置弃土场有可能对既有隧道产生一定的变形或内力变化，从而可能对隧道安全性产生一定的影响，因此弃土场的选择常常成为一大难题。 国内学者在隧道安全性方面进行了诸多研究，如卢裕杰[1]采用数值模拟的方法，研究了不同填土厚度对既有浅埋隧道的安全性影响；吴庆[2]采用室内模型和有限元模拟相结合的方法，对不同埋深的盾构隧道在地面堆土作用下的变形规律进行了研究。 既有的研究主要针对在浅埋隧道顶部新建道路而填筑路基，相比于此，隧道顶部弃土场填土产生的填土荷载往往更大，填筑方式更随机，对隧道产生的影响更大。 因此，本文依托福建省某高速公路项目，采用有限元软件对3 个典型因弃土场填土产生的影响的隧道进行计算和分析，以期为相类似的工程提供参考。

1 项目概况

1.1 项目简介

本文所依托的高速公路线位始于福建省南平市顺昌县埔上镇， 终于福建省三明市沙县梨树村，公路设计时速100 km/h，路基宽度26 m。 项目共有3 个弃土场分别设置于张墩隧道、 郑坊隧道和七宝峰隧道顶部或侧面。 张墩隧道为双洞四车道隧道，其中右洞长970 m， 左洞长916 m， 左右洞平均长943 m，属于中隧道，弃土场设置于右洞右上方（图1）。郑坊隧道为双洞四车道隧道， 其中左洞长1100 m，右洞长1062 m，平均长1081 m，为长隧道，弃土场设置于左洞左上方（图2）。 七宝峰隧道为双洞四车道隧道，其中左洞长4454 m，右洞4419 m，平均长4436.5 m，弃土场设置于右洞右上方（图3）。

图2 郑坊隧道典型断面计算模型

图3 七宝峰隧道典型断面计算模型

1.2 项目地质条件

3 个弃土场地质条件分别如下：（1）张墩隧道弃土场堆载处地质从上到下分别为坡积粉质粘土、砂土状强风化云母石英片岩、碎块状强风化云母石英片岩和中风化云母石英片岩。 隧道围岩节理裂隙有一定程度上发育，隧道洞身围岩级别差，隧道洞口围岩级别为V 级，洞身围岩级别为IV～V 级。 隧道场区地面线较陡，没有较大的地表水流过，地表水较少。 （2）郑坊隧道弃土场堆载处地质从上到下分别为粉质粘土、残积粉质粘土、全风化石英闪长岩和砂土状强风化石英闪长岩，弃土场填筑地基表层有一层淤泥质土。 隧道洞口围岩级别为V 级，洞身围岩级别为III～IV 级。 隧道场区未见一些不良地质，没有较大的地表水流过，地表水较少。 （3）七宝峰隧道弃土场堆载处地质从上到下分别为坡积粉质粘土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩，隧道洞口围岩级别为V 级，洞身围岩级别为II～III 级。 隧道场区未见一些不良地质，没有较大的地表水流过，地表水较少。

2 数值分析模型

2.1 计算模型

本文的有限元模拟采用专业岩土软件Geo-Studio 中的Slope/W 和Sigma/W 模块来进行二维模拟分析，计算3 个隧道的典型断面在弃土场堆载作用下的稳定性和位移情况， 以判断其隧道安全性。隧道稳定性计算方法根据 《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）中的规定进行计算[3]。

分别选取3 个隧道典型断面进行计算（如图1～3）。计算模型范围宽300～500 m，高100～200 m。计算位移和内力时边界条件设置下部为固定支座，左部和右部为水平固定竖向移动支座。

图1 张敦隧道典型断面计算模型

2.2 隧道参数

3 个弃土场均设置于隧道洞口附近， 选取典型断面的隧道围岩级别均较差，其中：张敦隧道典型断面左右洞围岩级别均为V 级，左洞衬砌类型Z5-1，右洞ZDK-1；郑坊隧道典型断面左右洞围岩级别均为V 级，左右洞衬砌类型均为ZDK-1；七宝峰隧道典型断面左右洞围岩级别均为V 级，左洞衬砌类型Z5-1，右洞为ZDK-1。 衬砌尺寸如表1 所示，衬砌采用混凝土标号为C25。

表1 衬砌各部件尺寸

2.3 计算参数

本文地层地质参数根据该项目地质钻探资料，并参考相关期刊文献[1-2]，各岩土层设计计算采用参数如表2 所示。

表2 各土层物理力学参数

3 计算结果

基于以上模型和参数，本文针对3 座隧道分别选取3 个典型隧道断面进行分析和计算。 由于施工期不确定性因素较多，弃土场堆土和隧道开挖时间先后顺序对隧道影响较大，故本文考虑最不利的情况，即隧道开挖后，再进行弃土场堆土的情况。 在隧道的有限元模拟中，施工方案可简单描述为：在围岩中开挖隧道，开挖后添加衬砌，然后清除位移值，以此模拟弃土场填筑前的初始应力状态；然后分别在原地面上施加不同厚度的弃土，分析不同弃土厚度时既有隧道位移及内力的变化。

3.1 隧道位移分析

结合铁路隧道实践经验，并参考相关文献[1]，在不同公路重要性级别下， 隧道结构容许位移如表3所示。由于本项目为高速公路，重要等级为I 级，因此本项目的允许隧道位移为5 mm，差异位移为1 mm。

表3 既有隧道结构位移容许值

3.1.1 张墩隧道

选取张墩隧道的一个典型断面进行计算，由于该隧道顶部的弃土场位于山凹段，四面环山，因此无弃土场稳定性问题，根据地形，弃土场最高可填至45 m。

选取弃土场填高30 m 时的工况进行模拟计算，结果如图4～5、表4～5 所示。 从图表中可以看出，左洞由于离弃土场远，其位移位移极小，远远小于右洞，左洞总位移在0.02～0.04 mm，右洞总位移在0.7～2.1 mm，因此该隧道应主要分析右洞的位移情况，隧道以后也主要分析离弃土场近的右洞。

图4 30 m 填高张敦隧道弃土场位移云图

图5 30 m 填高张敦隧道位移云图

表4 30 m 填高张墩隧道左右洞总位移 （单位：mm）

表5 30 m 填高张墩隧道右洞位移 （单位：mm）

从表4 中可以看出， 右洞受到弃土场推移作用，水平位移方向为水平向左，不同位置的水平位移大多在0.5～0.9 mm， 拱顶和拱腰处水平位移偏大。 竖直方向受到弃土场堆载作用，竖向位移方向竖直向下， 不同隧道位置的竖向位移大多在0.45～2.0 mm 之间， 其中拱顶处竖向位移最大，达1.932 mm，其次为右拱腰，由于弃土场位于隧道右边，因此隧道左部竖向位移明显小于右边。 隧道整体水平位移和竖向位移均很大，分析时考虑整体总位移。总位移最大值仍位于拱顶，达2.104 mm，其次为右拱腰，为2.024 mm，最小的位于左拱脚和仰拱处，分别为0.708 mm 和0.71 mm。

分析不同弃土场填高下隧道的位移情况，通过隧道位移情况从而得出弃土场容许填高。 从图6 可以看出，随着弃土场填土高度增加，不同位置的位移均呈明显增长趋势。最大位移处均位于拱顶，从填土10 m 处的0.04 mm， 增长至45 m 处的6.53 mm，增长163 倍； 仰拱增长最少， 从填土10 m 处的0.04 mm，增长至45 m 处的1.81 mm，增长45 倍。

图6 不同填高张墩隧道右洞总位移

从不同填高张墩隧道右洞的总位移进行判断（表6），弃土场填高35 m 处总位移最大值位于拱顶处的3.54 mm，满足要求；弃土场填高40 m 处拱顶总位移5.03 mm， 不满足要求。 从差异位移进行判断，填高35 m 处拱脚、拱墙和拱腰的差异位移分别为0.45 mm、0.54 mm 和0.91 mm， 小于1 mm 的容许范围。 因此，从位移角度判断，张敦隧道顶部弃土场填高最高可达35 m，隧道可保持稳定。

表6 不同填高张墩隧道右洞总位移（单位：mm）

3.1.2 郑坊隧道

选取郑坊隧道典型断面进行计算，该弃土场三面环山，在不考虑弃土场稳定性的情况下，根据等高线，弃土场填高范围可在5～30 m。 以弃土场填高20 m 为例， 隧道位移计算结果如图7 和图8 所示。由于弃土场更接近郑坊隧道左洞，因此左洞位移明显大于右洞， 选取左洞进行分析。 以弃土场填高20 m 为例，左拱脚处位移最大（6.46 mm），其次为左拱墙（6.08 mm），右拱腰处最小（2.48 mm）。

图7 20 m 填高郑坊隧道弃土场位移云图

图8 20 m 填高郑坊隧道位移云图

分析不同弃土场填高下隧道的位移情况，通过隧道位移情况从而得出弃土场容许填高。 从表7 和图9 可以看出，随着弃土场填土高度增加，不同位置的位移均呈明显增长趋势，左拱脚处最大位移增长了82 倍。 最大位移处的位置也有变化，填土5 m处最大值位于拱顶（0.55 mm），15 m 处最大值位于左拱脚（2.32 mm），填土30 m 处最大值位于左拱脚（32.6 mm）。

图9 不同填高郑坊隧道左洞总位移

从不同填高郑坊隧道左洞的总位移进行判断（表7），弃土场填高15 m 处总位移最大值位于左拱脚处的2.32 mm，满足要求；弃土场填高20 m 处左拱脚总位移6.46 mm，不满足要求。从差异位移进行判断，填高15 m 处拱脚、拱墙和拱腰的差异位移分别为1.69 mm、2.12 mm 和0.76 mm， 大于1 mm 的容许范围，不满足条件。 填高10 m 处拱脚、拱墙和拱腰的差异位移分别为0.34 mm、0.30 mm 和0.12 mm，小于1 mm 的容许范围，满足条件。 因此，从位移角度判断，郑坊隧道顶部弃土场填高最高可达10 m，隧道可保持稳定。

表7 不同填高郑坊隧道左洞总位移 （单位：mm）

由于该弃土场三面环山，需对放坡一侧的进行弃土场稳定性验算[4]。 弃土场地层从上到下分别为淤泥质土、残积性粘土、全风化花岗岩和砂土状强风化花岗岩。 计算参数均采用摩尔库仑模型（表8），参数来源于该项目地质勘探资料和相关期刊文献[5-7]。计算结果如图10 所示， 该弃土场在填土高度为10 m 的情况下，稳定系数达到1.467，满足要求，认为该弃土场方案可行。

图10 郑坊隧道10 m 填高弃土场稳定性

表8 各土层物理力学参数

3.1.3 七宝峰隧道

选取七宝峰隧道典型断面进行计算，该弃土场三面环山，在不考虑弃土场稳定性的情况下，根据等高线，弃土场填高范围可在5～25 m。以填高15 m为例，位移计算结果如图11 和图12 所示。 由于弃土场更接近七宝峰隧道右洞，因此右洞位移明显大于左洞，选取右洞进行分析。 以弃土场填高15 m 为例， 右拱腰处位移最大 （2.29 mm）， 其次为拱顶（2.23 mm），左拱脚处最小（0.64 mm）。

图11 15 m 填高七宝峰隧道弃土场位移云图

图12 15 m 填高七宝峰隧道位移云图

分析不同弃土场填高下隧道的位移情况，通过隧道位移情况从而得出弃土场容许填高。 从表9 和图13 可以看出，随着弃土场填土高度增加，不同位置的位移均呈明显增长趋势，拱顶处最大位移增长了12 倍，左拱墙处最大位移增长了15 倍。 最大位移处的位置也有变化， 填土5 m 处最大值位于右拱腰（0.50 mm），10 m 处最大值位于右拱腰（1.36 mm），填土25 m 处最大值位于拱顶（4.50 mm）。

表9 不同填高七宝峰隧道右洞总位移 （单位：mm）

图13 不同填高七宝峰隧道左洞总位移

从不同填高七宝峰隧道右洞的总位移进行判断， 弃土场填高25 m 处总位移最大值位于拱顶处的4.50 mm，满足要求，低于20 m 填高的工况总位移均满足要求。 从差异位移进行判断，填高20 m 处拱脚、 拱墙和拱腰的差异位移分别为0.91 mm、0.73 mm 和1.15 mm，大于1 mm 的容许范围，不满足条件。 填高15 m 处拱脚、拱墙和拱腰的差异位移分别为0.74 mm、0.65 mm 和0.95 mm， 小于1 mm的容许范围，满足条件。 因此，从位移角度判断，七宝峰隧道顶部弃土场填高最高可达15 m，隧道可保持稳定。

由于该弃土场三面环山，需对放坡一侧的进行弃土场稳定性验算。 弃土场地层从上到下分别为残积性粘土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩和中风化花岗岩。 计算参数均采用摩尔库仑模型，参数见表8。计算结果如图14 所示，该弃土场在填土高度为15 m 的情况下， 稳定系数达到1.160，满足要求，认为该弃土场方案可行。

图14 七宝峰隧道15 m 填高弃土场稳定性

3.2 隧道结构计算分析

除了对隧道变形进行验算，还应对隧道结构进行验算。 根据本文3.1 节计算结果， 张敦隧道在35 m 弃土场填土、郑坊隧道在10 m 弃土场填土和七宝峰隧道在15 m 弃土场填土下位移能够满足要求。 因此对3 种工况下的受力情况进行计算分析，从而计算其抗压强度和抗拉强度[3]。

张墩隧道在35 m 弃土场填高下轴力、 弯矩和剪切力计算结果如图15～17 所示， 图15 中轴力正值为受压，负值为受拉，从图中可以看出，张敦隧道整体以受压为主， 轴力左右拱腰处轴力值均较大，分别达到886.8 kN 和912 kN，仰拱处轴力值最小。图16 中弯矩值普遍较小， 最大弯矩值位于右拱脚处，为27.5 kN·m。图17 中剪切力同样较小，剪切力最大值位于右拱墙处，为41.4 kN。 由于弯矩和剪切力值较小，以下分析主要考虑轴力。

图15 张敦隧道35 m 弃土场填高轴力图

图16 张敦隧道35 m 弃土场填高弯矩图

图17 张敦隧道35 m 弃土场填高剪切力图

郑坊隧道和七宝峰轴力计算结果如图18、19所示。 郑坊隧道左侧以轴力受压为主，最大值达到29.6 kN，最大值位于左坡脚处，坡脚处变化极大；右侧以受拉为主，最大值为28.3 kN，位于右拱腰处；仰拱处轴力值最小。 七宝峰隧道受力为受压，最大值位于右拱墙处，达到1114.5 kN，左拱墙处值也较大，达到920.6 kN，仰拱处轴力值最小，拱顶处值也较小。

图18 郑坊隧道10 m 弃土场填高轴力图

图19 七宝峰隧道15 m 弃土场填高轴力图

隧道的混凝土矩形截面轴心抗压强度和抗拉极限强度根据《公路隧道设计规范》中的公式进行验算是否满足要求。经验算，3 种工况下隧道衬砌抗压强度和抗拉强度均满足设计要求。 综上所述，张敦隧道在35 m 弃土场填土、郑坊隧道在10 m 弃土场填土和七宝峰隧道在15 m 弃土场填土下不仅位移能够满足要求， 结构也能满足强度设计要求，弃土场本身也能保持稳定。

4 结语

本文采用有限元软件Geo-studio 并依托福建省某高速公路设计实例，选取3 个典型因弃土场填土对临近隧道的位移和内力产生的影响的设计工况进行计算和分析，结论如下：（1）随着弃土场填高增大，隧道各个位置位移呈明显增大趋势。 离弃土场近的隧道位移明显更大，以张敦隧道为例，左洞由于离弃土场远，其位移远远小于右洞，左洞总位移在0.02～0.04 mm，左洞位移极小，右洞总位移在0.7～2.1 mm。 （2）张墩隧道总位移最大值位于拱顶，其次为右拱腰，最小的位于左拱脚和仰拱处。 经计算， 弃土场填高35 m 处总位移最大值位于拱顶处的3.54 mm， 拱脚、 拱墙和拱腰的差异位移分别为0.45 mm、0.54 mm 和0.91 mm，均满足要求。 （3）张坊隧道总位移最大值位于拱顶和左拱脚处，最小值位于右拱脚至仰拱之间。 填高10 m 处总位移最大值为1.04 mm，拱脚、拱墙和拱腰的差异位移分别为0.34 mm、0.30 mm 和0.12 mm，均满足要求。 弃土场自身稳定系数达到1.467，满足要求。 （4）七宝峰隧道总位移最大值位移拱顶和右拱腰之间，最小值位于仰拱。 填高15 m 处总位移最大值为2.29 mm，拱脚、 拱墙和拱腰的差异位移分别为0.74 mm、0.65 mm 和0.95 mm，满足条件。 弃土场自身稳定系数达到1.160，满足要求。 （5）在3 种位移满足条件的工况下对隧道进行受力分析。 张敦隧道整体以受压为主，轴力右拱腰处轴力值最大（912 kN），仰拱处轴力值最小。 郑坊隧道左洞左侧以受压为主，最大值位于左坡脚处（29.6 kN）； 左洞右侧以受拉为主，最大值位于右拱腰处（28.3 kN）；仰拱处轴力值最小。 七宝峰隧道受力为受压，最大值位于右拱墙处（1114.5 kN）；仰拱处轴力值最小。经验算，隧道结构在3 种工况下，结构能满足强度设计要求。