覆土厚度对大跨度小净距隧道稳定性影响研究★

李庆洲，刘 晓，杨金凯，郭仁亮

（1.民航机场智能建造与工业化工程技术研究中心，天津 300456；2.民航机场建设工程有限公司，天津 300456； 3.山东科技大学，山东 青岛 266590）

随着我国经济的不断发展，城市化进程不断加快，人们对交通的需求日益增长，近些年我国公路里程在不断增加。同时我国是一个多山地丘陵的国家，山岭公路隧道的分布十分广泛。随着车流量的增大，公路隧道开挖的直径不断扩大，大跨度隧道工程［1-2］日益增长。小净距隧道［3-4］可以更好控制开挖范围，利于保护环境。但大跨度小净距隧道自稳性较差，易发生围岩大变形和地表沉降过大的问题，因此研究大跨度小净距隧道变形规律有重要意义。

为研究大跨度小净距隧道围岩变形和地表沉降规律，许多优秀学者进行了一系列的模拟、试验和现场数据分析。陈建勋等［5］分析了大跨度绿泥石片岩隧道大变形灾害特征和机理，总结了隧道大变形灾害综合控制方法；陈培帅等［6］结合大变形段现场监测数据对围岩变形及原因进行分析，并提出相应的控制措施及参数；张聚文等［7］对大跨度浅埋偏压小间距隧道进行数值模拟，得出了隧道开挖支护施工过程中围岩与支护体系的位移变形规律；朱苦竹等［8］研究了降雨对小净距大跨度隧道开挖松动区的影响；侯瑞彬等［9］对大跨度小净距隧道分别采用双侧壁导坑法、CRD法对不同施工工序下围岩位移、应力进行对比分析；赵秀绍等［10］对浅覆大跨度小净距隧道中岩墙及初支力学特性进行研究；种健等［11］通过数值模拟分析了隧道不同净距对隧道围岩应力、变形及塑性区分布的影响；顾洪源［12］通过数值模拟及理论分析，对断面优化及其设计参数进行了深入研究；李建林等［13］利用有限元软件模拟分析了不同施工方法下围岩和支护结构的变形及力学特性；冯义［14］通过室内模型试验研究了该类隧道近接时衬砌内力，洞周位移、接触压力随净距的变化规律；Yubing Huang等［15］研究了锚杆加固、岩石注浆、高强拱、混凝土衬砌等不同支护形式对围岩变形破坏机理的影响；Daoping Liu［16］研究了浅埋大断面黄土隧道采用不同超前支护形式的位移特征。

上述研究对大跨度小净距隧道进行了多方面的探讨，但是通过三维模型研究覆土厚度变化对大跨度小净距隧道影响规律的文献较少。因此，依托临沂市兰陵县的三峰山隧道工程，通过有限元模拟软件研究隧道上部覆土变化对隧道围岩变形和地表沉降的影响规律，为实际工程提供一定的指导意义。

1 工程概况

三峰山公路隧道位于临沂市兰陵县，进口位于现状兰陵路东侧，沿现有兰陵路走向径直向东延伸，穿过三峰山。该隧道工程采用双向六车道一级公路标准，设计速度为60 km/h。隧道左幅起讫桩号ZK0+610～ZK1+010，左幅全长400 m，右幅起讫桩号YK0+610～YK1+010，右幅全长400 m。本文选取K0+780～K0+840区间进行研究。

图1 隧道纵断面图

隧道水文地质条件较简单，隧道洞身出露地层为粉砂岩，该类地层裂隙发育；未揭露到地下水，补给来源主要为大气降水下渗补给，多沿松散层与基岩接触面渗出形式就近向河沟低洼段排泄。水量较贫乏，地下水对隧道施工影响不大。

隧道初期支护以喷、锚、网、钢架等组成联合支护体系，二次衬砌采用模注防水混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防排水夹层。隧道典型衬砌断面如图2所示。

图2 隧道典型衬砌断面

2 数值计算模型的建立

2.1 计算模型尺寸确定

采用有限元软件对三峰山隧道施工进行数值模拟，分析大跨度小直径隧道的围岩变形及地表沉降规律。模型一共分为四个部件，分别为土体、初衬、二衬、锚杆。隧道上部覆土厚度为23 m～33 m，同时为降低边界效应的影响，模型高度取76 m～86 m；隧道开挖轮廓线宽度达21 m，同时为降低边界效应的影响，模型横向宽度取180 m；考虑实际工程中地层分布情况，模型纵向长度为60 m。初衬采用C25混凝土，厚度为30 cm。二衬采用C30钢筋混凝土结构，拱部厚度为80 cm，侧墙厚度为90 cm，仰拱厚度为70 cm。锚杆采用φ25 mm中空锚杆，长度为4.5 m。数值模拟模型如图3所示。

图3 数值模拟模型图

2.2 计算模型参数及边界条件确定

数值模拟模型中的土体采用摩尔库仑本构模型，初衬、二衬和锚杆采用弹性本构模型。归纳总结地勘报告数据以及相关山岭隧道工程经验，确定了土体的参数。初衬、二衬和锚杆分别采用C25混凝土、C30混凝土和钢材的力学参数。模型参数列于表1。

表1 地层和支护结构参数

模型中土体的前后两面限制x方向的位移，左右两面限制y方向上的位移，底面限制z方向的位移。

2.3 隧道开挖与支护过程

开挖①部、施作①部拱部初期支护、临时支护；开挖②部，施作②部初期支护、临时支护；开挖③部拱部初期支护、临时支护；开挖④部，施作④部初期支护；最后拆除临时支护，施作二衬。开挖步骤示意图如图4所示。

图4 开挖步骤示意图

2.4 计算模型监测点与监测线的选取

为更好研究大跨度小净距隧道开挖引起的隧道变形和地表沉降规律，根据相关工程［17-18］经验并按照施工规范对围岩变形和地表沉降进行监测。隧道围岩变形和地表沉降的监测面根据隧道围岩等级、隧道断面尺寸合理选取，每隔20 m设置一个监测面，分别在K0+790，K0+810，K0+830处设置三个监测面。

2.4.1 拱顶、拱肩与拱底沉降监测点布置

在初衬拱顶、拱底和拱顶两侧2 m，4 m处的拱肩共设置6个沉降监测点和6条监测线。监测点分别在K0+790，K0+810，K0+830三个监测面上；监测线区间为K0+790～K0+830。监测点和监测线的位置分布如图5所示，1～4为拱肩监测点（线），5为拱顶监测点（线），6为拱底监测点（线）。

2.4.2 地表沉降监测点布置

隧道上部土体进行地表沉降监测，在K0+790，K0+810，K0+830三个监测面处沿两隧道中心点设置横向地表沉降监测线。同时监测两隧道中心线、左幅隧道中心线、右幅隧道中心线对应的纵向地表沉降。地表沉降监测线如图6所示。

图5监测点(线)位置示意图

图6 地表沉降监测线位置示意图

3 数值计算结果分析

3.1 拱顶、拱肩围岩变形分析

对于大跨度小净距隧道的开挖，围岩和衬砌易发生大变形甚至出现塌方的危险，因此研究拱顶和拱肩的变形规律是十分必要的，总结出拱顶和拱肩随着隧道上部覆土改变而产生的变化，着重对危险区域进行监测和加固，从而有效应对实际施工中面临的问题。

K0+790～K0+830区间左幅隧道拱顶和拱肩沉降曲线如图7所示。其中在K0+790～K0+800和K0+820～K0+830区间拱顶和拱肩沉降增长迅速，在K0+800～K0+830区间拱顶和拱肩沉降增长较缓慢。尽管沉降趋势有所不同，但在K0+790～K0+830区间随着覆土厚度的增大，拱顶和拱肩沉降整体上不断增大。5条监测线沉降值的极差分别为11.0 mm，11.3 mm，11.5 mm，11.6 mm，沉降值的标准差分别为3.0，3.1，3.2，3.2。通过上述分析可知，本工程隧道上部覆土厚度变化对拱顶和拱肩的沉降有着明显的影响。

图7 左幅隧道拱顶和拱肩沉降曲线

对比图7中监测线1～5数据可知，在开挖里程相同的情况下，拱顶（监测点1）沉降值最大，距离拱顶越远的拱肩沉降越小。由于受到右幅隧道的影响，左幅隧道右侧拱肩（监测点2）沉降值略大于与之对称的左侧拱肩（监测点1）沉降值。

3.2 拱底变形分析

对于大跨度小净距隧道的开挖，围岩及衬砌易发生底鼓现象，影响道路的平整性，因此研究拱底变形规律同样尤为重要。通过变形规律分析，预测危险区域并着重对其监测和修整，更好地指导工程实际。

在K0+790～K0+830区间，左幅隧道拱底位移曲线如图8所示。左幅隧道底鼓值约为36 mm，右幅隧道底鼓值约为42 mm，右幅隧道晚于左幅隧道开挖，因此左幅隧道底鼓值整体低于右幅隧道底鼓值。随着隧道上部覆土厚度的增加，左幅和右幅隧道拱底位移值先增加然后降低最后再增加。左幅和右幅隧道底鼓极差值分别为1.7 mm，1.1 mm，底鼓值标准差分别为0.6，0.3，上述数据说明本工程隧道上部覆土厚度的变化对于隧道底鼓影响不显著。

图8 左幅隧道拱底位移曲线

3.3 地表沉降分析

K0+780，K0+800，K0+820三个监测面处的地表横向沉降曲线如图9所示。隧道上部覆土厚度为23 m～33 m，隧道埋深较大，三条地表监测线沉降槽呈典型的U型。K0+790，K0+810，K0+830处地表沉降最大值分别为40 mm，37 mm，33 mm，最大沉降值均出现在两隧道中心线上。三条沉降曲线的反弯点出现在两隧道中心线两侧40 m左右。

图9 地表横向沉降曲线

两隧道中心线、左幅隧道中心线和右幅隧道中心线对应在地表纵向沉降曲线如图10所示。两隧道中心线对应的地表沉降明显大于其他二者，右幅隧道中心线地表沉降略大于左幅隧道中心线地表沉降。地表沉降在K0+780～K0+840区间整体呈增大趋势，在K0+780～K0+790区间下降趋势较缓和，在K0+790～K0+830区间下降趋势较激烈，在K0+830～K0+840区段呈缓和上升趋势。3条监测线地表沉降极差值分别为6.3 mm，5.1 mm，4.7 mm，地表沉降标准差分别为2.3，1.8，1.7。上述数据说明本工程隧道上部覆土厚度的变化对于隧道底鼓影响比较显著。

图10 地表纵向沉降曲线

4 数值计算结果与现场数据对比分析

现场数据作为数值模拟结果的验证方式，同时作为确保施工安全及结构的长期稳定性的重要手段，分析现场监测数据是不可或缺的一部分。现场监测数据主要为拱顶和拱肩沉降值，监测点的布置和数值模拟的监测点相同；监测仪器采用精密水准仪和收敛计铟钢尺。监测面位于K0+790，K0+810，K0+830，数值计算与现场监测对应的拱顶与拱肩沉降值列于表2。

表2 拱底与拱肩沉降值

通过表2数据可知，数值模拟中监测点1～5的沉降值都略大于现场监测中监测点1～5的沉降值，但二者的沉降值相差不大，保证了数值模拟数据是合理且准确的。同一个里程下监测点1～5沉降值依次增大，拱顶处出现最大沉降值，距离拱顶越远的拱肩沉降越小；拱顶和拱肩沉降值随着里程的增加（隧道上部覆土厚度的增加）不断增大。现场监测数据与数值模拟结果相辅相成，印证了上述规律的合理性。

5 结论

以兰陵县三峰山公路隧道为工程背景，通过有限元软件计算结果和现场数据结合，研究隧道上部覆土厚度变化对大跨度小净距公路隧道围岩变形和地表沉降的影响规律，得到了以下结论：

1）随着开挖里程的增加，隧道上部覆土厚度不断增大，拱顶和拱肩的沉降也随之增大；拱顶沉降值最大，距离拱顶越远的拱肩沉降越小；拱顶和拱肩沿开挖方向沉降值的极差和均方差较大，说明上部覆土厚度变化对拱顶和拱肩沉降存在显著影响。

2）随着隧道上部覆土厚度不断增大，拱底沉降值先增大然后减小最后再增大；拱底沿开挖方向沉降值的极差和均方差较小，说明上部覆土厚度变化对拱底变形的影响程度较低。

3）地表横向沉降曲线均为U型沉降曲线，最大值出现在两隧道中心线处。随着隧道上部覆土厚度增大，地表纵向沉降曲线整体呈下降趋势；地表沿开挖方向沉降值的极差和均方差较大，说明上部覆土厚度变化对地表沉降存在显著影响。

4）研究隧道上部覆土厚度变化对围岩变形和地表沉降影响规律，在实际工程中根据覆土厚度变化，适当改变监测范围并及时进行加固措施，可以有效避免因覆土厚度变化引起的围岩大变形和地表沉降过大问题。