浅埋下穿高速公路黄土隧道管棚变形监测及受力研究

房海勃，张长胜

(1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西交通控股集团有限公司 建设管理分公司宝坪高速公路建设管理处，陕西 西安 710068)

伴随着隧道建设的迅猛发展，隧道施工所面临的地质和环境条件越来越复杂，如浅埋、富水及软弱地层等不良地质，穿越铁路、公路、轻轨、桥梁等地表交通线[1-2]，隧道下穿既有隧道等地下构筑物[3]。虽然构筑物类型、变形和受力模式存在差异，但都面临相似的问题，即隧道施工方法的选取，施工对地层和构筑物沉降、力学影响及安全性评价，地表和洞内沉降的实时监测，构筑物保护等系列问题。如何控制好隧道施工过程中围岩变形引起的地表下沉和周边构筑物沉降，是隧道下穿既有构筑物安全施工的关键，尤其是超浅埋大跨隧道在富水软土地层施工中围岩变形控制，是当前国内外隧道施工亟待解决的技术难题。

在隧道下穿软弱地层施工方面，文献[4-5]对软弱围岩隧道施工中变形及其控制技术进行了详细的总结和论述。在隧道下穿既有高速公路施工方面，文献[6]分析了某地区东干渠下穿洛界高速公路段采用CRD分部开挖法的施工安全性；文献[7]采用数值计算方法对闺乡隧道下穿施工工法进行了优化，并提出下穿隧道地表沉降的控制基准；文献[8]对下穿高速公路隧道的施工方法和沉降控制技术进行了总结；文献[9]采用三维数值法对新建隧道下穿机场地下行包通道进行了沉降分析，提出洞内分部开挖、超前预支护、二次衬砌背后注浆等沉降控制措施，为下穿高速公路的工程施工提供了经验。由于下穿既有构筑物时，各工程中隧道埋深、地质情况、隧道跨度、地面构筑物情况及沉降标准要求等因素差异较大，遇到类似隧道工程还需针对性地研究分析，以便制定相应的施工技术方法[10-11]。

目前，浅埋软弱围岩隧道施工普遍采用双侧壁导坑法、CRD法和微台阶法等工法，均是将隧道工作面上下分层、竖向分块、分大断面为封闭的小断面，以保证工作面和拱墙的稳定[12-13]。

基于上述分析，本文充分结合下穿段隧道浅埋、大跨、软土、富水等复杂地质特点和周围环境条件，对隧道进入下穿高速公路前的管棚纵联方向上的形变进行监测研究，建立了浅埋下穿高速公路的隧道管棚下双参数地基梁受力模型。采用三维数值模拟方法对下穿段隧道进行仿真计算。研究结果表明：隧道管棚内的纵联方向的形变大致呈凹槽分布，且在工作面处隧道管棚的受力最大。此外，管棚形变同开挖面位置、开挖进尺、管棚和岩体物理指标等因素紧密关联。本文的研究结果为隧道下管棚的设计优化提供相应的理论依据。

1 管棚的力学机制分析

1.1 模型的建立

根据现场监测及分析结果可知，对长大管棚而言，其受力最不利位置发生在隧道开挖但未支护时工作面附近，此时其纵向应变最大，因此可依此建立双参数地基梁模型，模拟单根钢管受力，受力简图如图1所示。浅埋黄土地层在开挖过程中自承能力差，管棚受力比较明确。因此分析中不考虑管棚上部土体与管棚的相互作用，认为已开挖段管棚承受上覆土重。至于未开挖段，由实测数据分析出围岩变形始于工作面前方一定范围，隧道工作面处围岩已经发生松动和变形，在工作面前方形成1个松弛区，该段范围内管棚仍将受到围岩压力。

由图1可知，管棚全段主要由4部分组成：①AB段：已开挖且初期支护施作完毕段，其上作用上覆土重力q(x)，分析中按Winkle地基梁考虑。②BC段：已开挖一段距离但尚未施作初期支护，其上作用覆土重力q(x)。③CD段：未开挖段，其上作用三角形(或梯形)分布荷载q(x)，与此同时，由于此时管棚下方土体尚未破除，其下还作用有弹性抗力p(x)。④DE段：未受扰动段，由于此段不在工作面开挖超前影响范围内，仅管棚下方受p(x)作用。根据施工过程中的管棚受力特征可推导出单根管棚受力模型，以B端作为坐标原点，隧道开挖高度为h，AB段长度为a，BC段长度为s，CD段长度为d，其中，d=htan (45°-φ/2)，管棚受力模型如图2所示。

地基反力采用双参数模型中的 Pasternak模型进行计算，由弹性地基梁理论可得地基反力及管棚挠曲微分方程[13]：

(1)

(2)

式中，E为管棚弹性模量；I为管棚惯性矩；k为基床系数；ω(x)为管棚挠度；Gp为地基剪切模量；b为弹性地基梁宽度；b*为考虑地基连续性情况下弹性地基梁的等效宽度，且b*=b[1+(Gp/k)1/2/b]。计算时，假定隧道埋深变化不大时，工作面附近围岩压力q(x)可简化为均布荷载q0，由此可得管棚各段控制方程。

1.2 管棚挠度和内力计算

文献[14]提出了浅埋暗挖隧道中管棚双参数受力模型的计算方法，本文采用其计算方法针对浅埋大跨黄土隧道管棚受力机制进行受力分析，对各段引入边界条件，最终得到双参数地基模型管棚的转角、弯矩和剪力计算结果。根据A，B，C端的边界条件及3个控制微分方程[14]，可组成如下方程组。

(3)

式中，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4为待定系数；a35、a36、a45、a46、a55、a56、a65、a66、ψ1—ψ4为已知函数，其表达式分别如下：

a35=-eαscos(βs)

(4)

a36=-eαssin(βs)

(5)

a45=-eαs[-βsin(βs)-αcos(βs)]

(6)

a46=-eαs[-βcos(βs)-αsin(βs)]

(7)

a55=-eαs[2αβsin(βs)+(α2-β2)cos(βs)]

(8)

a56=-eαs[-2αβcos(βs)+(α2-β2)sin(βs)]

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

由边界条件可求出全部待定系数B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4，将其代入控微分方程中，即可得到管棚各段挠度方程ωi，代入下式中可分别计算管棚的转角、弯矩和剪力[12]：

(17)

此外，根据对梁单元的模拟[12]，可推出钢管管内壁纵向应变计算公式为：

(18)

式中，D为管棚外直径；δ为钢管厚度。

2 实例分析

本文选取某地区的市政隧道为上下行双洞6车道隧道，左线隧道长670 m，右线隧道长720 m。其中隧道出口端左线163 m(ZK10+765 m～+928 m)和右线177 m( YK10+800 m～+977 m)下穿机荷高速公路荷坳收费站区域，隧道中线与高速公路呈45°～58°夹角斜交，中心线间距约为43.5 m，隧道埋深6～8 m，暗洞口位于公路边坡上，埋深2～3 m。隧道最大开挖宽度约16 m，最大开挖高度约12 m，覆跨比(H/D)为0.43。一般认为当隧道覆跨比(H/D)小于0.6时为超浅埋隧道。隧道与机荷高速公路位置关系如图3所示。隧道出口端全貌如图4所示。

图3 隧道和高速公路位置关系Fig.3 Location relationship between tunnel and expressway

图4 隧道出口端地貌Fig.4 Environment around tunnel exit

下穿段隧道围岩主要为高速公路回填路基土质，隧底为强风化泥质砂岩。由于下穿段进口端与山体之间40 m范围内土体主要为极其松散的建筑垃圾，加之地下水位较高，受雨季降雨影响，隧道内渗水较严重，隧道防坍和路面防沉降是工程控制的重点和难点。下穿段隧道采用φ159 mm大管棚和φ42 mm小导管注浆超前预支护，初期支护格栅拱架采用主筋为4根φ28 mm的钢筋，锁脚锚杆为4根φ25 mm的砂浆锚杆，长度为4 m。隧道排水采用50 mm环向透水盲管和100 PVC纵向排水盲管汇集于隧道排水沟集中排水。

隧道横断面结构设计如图5所示。隧道从出口端掘进，采用双侧壁导坑法施工，按照地面交通疏解方案，封闭一段，完成一段，恢复一段。

图5 管棚布置Fig.5 Layout of pipe-roof

根据隧道的工程特性，①围岩参数：围岩基层系数k=3.5×104kN/m3，围岩剪切模量Gp=2.5×106Pa，容重γ=18.75 kN/m3，内摩擦角= 26.1°；②管棚参数：管棚的弹性模量E=210 GPa，梁宽度与管棚直径相等，b=d0=159 mm，管棚间距b′= 0.4 m；③隧道参数：试验段隧道埋深H=24 m，采用双侧壁导坑法开挖，中导洞上台阶开挖高度h=7 m，循环进尺s=0.8 m。以已开挖且初支护施作完毕端作为0点，计算范围取x=0～20 m，且给0点端附上初始竖向位移ω0=50 mm、初始转角θ=1°，虽然隧道初期支护按承担围岩全部荷载设计，而模型建立时仅考虑中导洞上台阶开挖，故计算时按承受一半荷载考虑。通过Matlab仿真软件进行计算，所得管棚形变曲线如图6所示。

图6 管棚纵向形变曲线Fig.6 Longitudinal strain curves of pipe-roof

利用计算模型分析试验段管棚受力机制，为保证隧道成功下穿，优化管棚工法及施工方案，具体方案为：提高管棚刚度，采用双层φ159 mm 大管棚超前预支护，同时减小开挖面积，侧导多台阶开挖，将开挖进尺缩减到0.6 m，开挖高度缩减为最高5 m。采用施工优化方案后，地表沉降得到了有效控制。下穿段地表每隔5 m设置1个监测断面，各断面包含隧道左导、中导、右导对应的地表测点及1个隔离带测点。直至隧道顺利贯通，测点的地表沉降最大值为56 mm，原因在于下穿段施工施作双层管棚，处于正上方DK298+885 m处地表沉降累积值较大，沉降最大的测点距隧道全断面封闭距离为20 m，并且收敛较快，在开挖后2倍开挖跨度距离处收敛稳定，不会再发生较大的变化，满足行车要求。

3 结论

本文通过对隧道进入下穿高速公路前的管棚纵联方向上的形变进行监测研究，得出以下结论。

(1)黄土隧道施工过程中管棚作用效果较明显，工作面前方大约15 m处管棚开始受力，工作面过后大约15 m 处管棚的受力趋于稳定，隧道开挖纵向影响范围约为1倍开挖跨度；管棚的纵向变形总体上呈凹槽形分布，当隧道工作面处于已开挖但未施作初期支护状态时，管棚处于最不利受力位置，此时管棚受力最大。

(2)当隧道开挖且初期支护施作以后，管棚应变增长速率出现明显减小且出现小范围回弹，此时管棚和初期支护形成了有效的棚架体系，使得管棚及围岩受力均处于弹性范围内，保证了隧道的安全施工；当初期支护施作一段时间后，各管棚应变基本保持稳定，说明管棚与初支形成的棚架体系有效的保护了隧道围岩的稳定。

(3)通过现场实测与理论计算结果的对比分析发现，采用双参数弹性地基梁模型分析黄土隧道中长大管棚的受力机制是可行的，计算所得管棚变形值以及变化规律与实测结果具有较好的一致性。该计算模型可以用来评估拱顶的沉降及管棚的受力，为管棚工法及隧道施工的优化提供参考。