浅埋偏压隧道洞口段施工对原有地表路面沉降变形的影响

尹海明，李 军，陈富翔，胡冠华

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000；3.长安大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西 西安 710064）

0 引 言

随着中国经济建设的不断发展、国家路网规划的不断完善，公路和铁路隧道建设日益增多，尤其是各种长大隧道的数量越来越多。由于隧道工程建设的特殊性、复杂性以及隧道围岩的不确定性，不可避免地出现很多工程问题，其中对于隧道洞口段的施工处理尤显重要［1-3］。通常情况下，隧道洞口段是指位于隧道进出口前方对隧道施工有影响的地段。该地段是隧道的咽喉，地层多为坡积、堆积层，易于发生各种病害。另外，由于其隧道顶部覆盖层较薄，很难形成拱效应，故该部位的整体稳定性较差［4-5］。如果隧道洞口段顶部已有工程构筑物（原有公路），那么对隧道进口段采取何种施工措施就更为重要。为了保证隧道整体施工的安全，应对隧道洞口段的施工进行相应的数值模拟，分析开挖过程中洞口段对上部结构物（原有公路）变形的影响，根据上部结构物的变形采取不同的支护措施。

本文以燕子山隧道出口段为例，结合具体的施工措施和数值模拟，研究该浅埋偏压隧道洞口段施工对上部原有结构物（原有公路）变形的影响，提出具体的支护措施，为隧道的安全施工提供相应的科学依据。

1 工程概况

1.1 工程地质及水文地质情况

燕子山隧道位于龙丽温高速公路文成至瑞安段工程某处，如图1所示，它地处低山斜坡处，设计为分离式隧道。隧道出洞段里程右线为K105+152～K105+195，左线为K105+203～K105+242，走向与坡面走向大角度相交，洞口上部为公路，边坡大面积中风化岩形成陡崖，斜坡上覆薄层含黏性土碎石；下伏基岩为凝灰岩，强风化呈碎块状，节理裂隙很发育，岩体很破碎，岩质较硬，自稳性差，揭露厚度1～3m；中风化岩体较完整～较破碎，岩质坚硬，具体地质情况如图2所示。

图1 隧道洞口平面位置

该段水文地质条件简单，地下水较丰富，以潜水和基岩裂隙水为主，开挖时会有滴水或渗水现象，雨季水量较大，有淋水现象。该段隧道埋深浅，主要穿越残坡积体、强至中风化基岩，节理裂隙发育，地下水较丰富，围岩以松散结构为主，［BQ］＜250，综合评定为Ⅴ级围岩。

图2 隧道地质纵断面

1.2 隧道支护设计

燕子山隧道出口段围岩判定为V级围岩，故采用的辅助施工措施为超前长管棚支护，超前长管棚采用外径108mm、壁厚6mm的热轧无缝钢管，钢管环向间距为40cm，纵向外插角为1°，配合混凝土套拱施工，对围岩进行注浆加固，以便安全进洞。初支采用Φ25mm先锚后灌式注浆锚杆，长度为3.5m，锚杆环向和纵向间距为0.5m×1.0m；焊接网钢筋直径为6mm，间距为15cm×15cm；喷C20混凝土，厚度为25cm；钢拱架采用18号工字钢拱架，间距为50cm；二衬拱圈采用C30模筑钢筋混凝土，其厚度为45cm；仰拱采用C30模筑钢筋拱，厚度为45cm。

1.3 隧道拟采用的施工方案

燕子山隧道出口段有一条准四级乡村公路，为不影响其正常交通，采用提前明洞，在公路下方采用暗洞施工。又因为其隧道出口段围岩判定为V级围岩，所以该段隧道的施工方法拟采用超前预支护后开挖，除特别说明外，均应采用预留核心土方法施工。预留核心土施工采用人工和机械相结合的方法，主要分为上部、中间、下部3个施工区段。每个施工区段的最大预留长度为12m。地表路面预留变形量控制在15cm之内。具体的施工顺序见纵断面图3和横断面图4。

2 燕子山隧道洞口段数值模拟及结果

2.1 隧道模型设计

隧道施工数值分析主要用于提前预判隧道施工时围岩的变化，以及考察支护的稳定性及其对周边构筑物的影响。在本文中主要用于模拟隧道洞口段施工对其地表（原有路面）沉降量的影响，因此通过有限元软件MIDAS／GTS NX建立隧道洞口边坡的数值计算模型，从而对隧道施工进行动态数值分析，即分析隧道进行分步施工时对地表（原有路面）沉降量的影响［6］。为了准确模拟隧道的施工情况，对隧道的尺寸、边界约束、荷载施加进行相应的说明。其中隧道净宽10.25m，净高5.0m。对于模型的边界约束通常为：模型左、右两侧的约束为水平位移约束，距隧道边墙的距离取洞跨的4倍；模型的上部边界为自由面；下部边界距隧道仰拱的距离为2倍洞跨，采用竖向位移约束；同时为了模拟隧道的施工情况，一般取轴向长度为80m，采用轴向位移约束。荷载的施加只考虑地层的初始应力，即自重应力。该三维模型一共划分143 297个单元，50 077个结点，如图5所示。

图3 施工顺序纵断面

图4 施工顺序横断面

根据施工方案，该隧道拟采用环形预留核心土施工方法，故模型亦模拟该施工过程，分析施工的先后顺序对地表（原有路面）沉降的影响。模拟隧道的施工顺序及位置关系，如图6所示。

图5 隧道三维模型网格划分

图6 隧道三维模拟施工顺序

2.2 隧道参数设定

在该模型的数值分析中，将其围岩视作理性的弹塑性材料，同时材料的屈服准则服从莫尔-库伦准则［7］。围岩的物理力学参数均根据浙江省龙丽温高速公路文成至瑞安段第4合同段的燕子山隧道洞口出口段完整的勘测、调查资料及室内岩石试验进行选取；同时对于锚杆采用等效的原则进行处理。具体的围岩及支护材料计算参数如表1所示。

表1 围岩及支护材料计算参数

2.3 隧道开挖各工序对应的地表沉降变化量

隧道右线出口段采用环形预留核心土施工方法，根据隧道各工序的施工要求，采用有限元软件MIDAS／GTS NX进行各个工况的模拟施工。同时，为了更加准确地模拟分析初始地应力的释放过程，地应力释放系数分别采用0.5、0.25、0.25。这样可以保证在开挖完每一步土层后，不至于地应力的大小发生突变，导致模型损坏。该模型主要选取桩号为YK105+180处断面（地表原有路面外边缘）进行模拟开挖。一共进行10个步骤，通过每一步的施工显示其所引起地表（原有路面）沉降量的变化值；进而通过模拟出的施工结果，对隧道洞口段地表（原有路面）进行有效加固，或采取相应的变更措施。具体每一步开挖或支护后所引起的地表（原有路面）沉降量如图7～16所示。

图7 右洞隧道进行上部开挖引起的路面沉降量

图8 右洞隧道进行第一次上部加固引起的路面沉降量

为了更准确和客观地分析隧道洞口段环形预留核心土施工的顺序对隧道地表（原有路面）及拱顶沉降量的影响，在隧道顶部沿右洞中轴线左右对称各取9个特征点，特征点的间距为3m；并在隧道断面拱顶处设置监测特征点1个。隧道右洞地表9个特征点及拱顶处特征点的分布如图17所示。

模拟施工的先后顺序对设定隧道地表特征点沉降值的影响，结果如图18所示。

模拟施工的先后顺序对设定于隧道拱顶处的特征点沉降值的影响，结果如图19所示。

图9 右洞隧道进行第二次上部加固引起的路面沉降量

图10 右洞隧道进行左下侧开挖引起的路面沉降量

图11 右洞隧道进行第一次左下侧加固引起的路面沉降量

图12 右洞隧道进行第二次左下侧加固引起的路面沉降量

图13 右洞隧道进行右下侧开挖引起的路面沉降量

图14 右洞隧道进行第一次右下侧加固引起的路面沉降量

图15 右洞隧道进行第二次右下侧加固引起的路面沉降量

图16 右洞隧道进行中部核心土开挖引起的路面沉降量

图17 隧道记录变形标记点分布

图18 隧道地表特征点随模拟开挖先后顺序引起的沉降值

图19 隧道拱顶特征点A1随模拟开挖先后顺序所引起的沉降值

从图17中可以清楚地看到，隧道地表（原有路面）的沉降监测特征值主要分布在沿隧道中轴线左右两侧处（地表上原有路面外边缘），一共9个特征点，从中能准确地分析出地表的沉降变化量随施工的先后顺序而发生的变化。本次数值模拟开挖隧道洞口段采用“开挖与支护”的复合施工：首先开挖上部土层，接着初支；然后左下侧开挖，初支；右下侧开挖，初支，依次进行；直到将隧道断面开挖及支护完毕［8-9］。从图7中可以看出，右洞洞口段进行上部开挖时，其地表路面左侧的沉降值上升，右侧沉降值下降。当进行上部支护时，其左上部区域的上升沉降值逐渐减小，变化为下降沉降值逐渐增大。通过图7、8可以看出，左侧区域沉降值的变化主要是由于该隧道洞口段处于浅埋偏压段，地势区域为左低右高。因此，当隧道洞口段进行上部土层开挖时，由于右侧重力作用使得右侧卸荷时造成左侧地表隆起，进而当上部临空面进行加固后左侧地表隆起值逐渐减小。此后每一步的开挖都将引起隧道左侧区域地表处的隆起值增大，加固后隆起值逐渐减小。每一步的开挖与加固所引起竖向沉降量变化的原因都是一样的。为了更加明确地分析该隧道洞口段施工的先后顺序对隧道地表（原有路面）沉降量影响的大小，观察图18隧道地表特征点随模拟开挖先后顺序的沉降值。其中T3特征点处的沉降值最大，大约为57mm。T3特征点位于隧道左侧拱顶上部，在进行隧道施工时，要及时对隧道左侧拱顶处进行加固，尽可能早地封闭成环，避免沉降量过大影响地表（原有路面）的正常使用。所以，隧道洞口段施工时要严格遵循“超前地质探测、超前预支护、短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”的工艺要求。

从图17中可以看到，位于隧道拱顶处的特征点为A1，A1监测的主要是隧道拱顶的竖向变形。从图19中可以看到，拱顶处的竖向变形量随着施工的进行最终稳定在20.1mm左右。通过实际分析可知，该隧道洞口段地处强风化凝灰岩处。强风化凝灰岩呈灰褐色，裂隙发育，岩芯破碎，多呈碎块状，采取率低。鉴于此，开挖时要尽可能加强初期支护，尽早成环，避免拱顶处沉降量过大影响施工的正常进行。

3 燕子山隧道现场监控点的布设与监测结果

3.1 燕子山隧道现场监测点的布设

在隧道的整个施工过程中，隧道洞口段的施工是关键，一般隧道施工遵循“早进洞、晚出洞”的原则，尽量避免“大挖大刷”，破坏山体稳定。其中隧道洞口段一般为浅埋段（埋深一般为50m），而隧道浅埋段一般处于地质破碎、软弱并且自稳时间较短的围岩处。如果在隧道浅埋段采取的进洞施工方法不当，将会引起隧道冒顶塌方或者地表的不均匀沉降，甚至使地表产生较大的裂缝，影响隧道的正常施工。特别是当在隧道进口段的上部地表存在原有工程构筑物（公路路面）时，地表的不均匀沉降将会影响公路的安全使用。由此可知，在浅埋隧道洞口段施工时，对地表进行监控量测十分重要。

燕子山隧道出口段为浅埋段，埋深为4.5m，其上方为一条准四级乡村公路。为保证在隧道施工过程中乡村公路的正常使用，对隧道地表进行监控量测。在隧道地表布置2处量测地表沉降的断面，桩号分别为YK105+180、YK105+170，每个断面标准布置9个监控测点，测点的间距为2～3m；同时布置1个不动点作为后视点。具体的监测点布置如图20所示。

图20 隧道地表监测点布置

3.2 地表监测结果

在隧道地表处布置的2处断面监测点进行长达1个多月的监控量测，得出有关隧道地表沉降的详细施工监测数据，如图21～24所示，为直观地展示地表沉降，图中纵坐标均沿坐标轴从大到小标注。

图21 YK105+180断面地表（原有路面）沉降变化

经过与数值模拟YK105+180断面的地表沉降量数据比较可知，数值模拟结果与监测结果在地表（原有地面）沉降量曲线的整体趋势上是接近的，出现的峰值点都在监测点7处。由此可见，数值模拟地表（原有路面）沉降的结果与监测数据是基本吻合的。故在该隧道洞口段施工时一定要谨记“弱爆破、早封闭、强支护”，避免对围岩的扰动，同时也应该避免隧道地面（原有路面）沉降量过大，影响隧道的正常施工和原有路面的正常使用。

图22 YK105+180断面地表（原有路面）沉降

图23 YK105+170断面地表（原有路面）沉降变化

图24 YK105+170断面地表（原有路面）沉降

4 结 语

本文以浙江省龙丽温高速公路文成至瑞安段第4合同段的燕子山隧道洞口出口段施工为工程背景，采用三维数值模拟和现场监测相结合的方法，较清楚和全面地分析浅埋偏压隧道洞口段施工的先后顺序对隧道地表（原有路面）沉降的影响。通过数值的模拟和监测数据结果可知，两者的数据是接近的，在隧道施工时，要及时进行强支护，及早封闭成环，避免因施工后未及时支护引起地表（原有路面）不均匀或过大沉降，影响地表路面的正常使用。