目前, 国内外许多学者针对隧道下穿公路以及不同的施工工法对隧道产生的影响做了大量研究。刘和清研究了下穿公路浅埋隧道衬砌的受力情况, 得出二次衬砌的拱顶与拱底为受力不利部位的结论^[1]。针对下穿施工的影响, 基于模拟分析, 朱正国提出了双线隧道下穿公路施工时的地表最大沉降与下穿施工段隧道的埋深、围岩的弹性模量和围岩黏聚力间的幂指数关系^[2]。针对双侧壁导坑法以及CD法、CRD法、台阶法施工时围岩变形和塑性区的变化, 袁驰宇使用数值模拟软件对不同施工方案进行了模拟, 得出双侧壁导坑法施工时对隧道地表沉降以及拱顶沉降的控制效果好, 支护结构受力合理。基于以上认识, 杜莎芳对二台阶法、三台阶法、六步CD法施工方案引起的隧道变形情况进行了预测分析, 推荐最适合的方案指导现场施工, 现场监控量测数据验证了该方案的可行性^[4]。宋艳彬等借助有限元软件FLAC3D模拟分析了大断面隧道在CD法, CRD法、双侧壁导坑法在各级围岩条件下的地表沉降曲线, 提出在地质情况较差、断面较大的隧道施工过程中应尽量采用双侧壁导坑法, 划分成多块开挖施工^[5]。雷位冰等对下穿隧道的CRD法、CD法、下导洞法、双侧壁导坑法以及三台阶加临时仰拱法进行了研究分析, 提出以爆破振动影响以及施工工序繁复为判定标准, 选用三台阶加临时仰拱施工辅助全过程监测, 严格要求施工进度以及施工爆破荷载, 并没有考虑地表沉降以及隧道自身变形^[6]。SONG Zhanping等依托实际工程, 通过使用数值模拟建立隧道围岩参数和位移之间的线性关系, 同时考虑位移和压力, 运用改进后的混合算法得到了隧道围岩的物理参数, 指导现场施工^[7,8]。

考虑到有的文献中建议减少分步开挖, 因此将台阶法又细分为二台阶法与三台阶法2种, 同时结合六步CD法以及双侧壁导坑法4类现阶段应用较多的施工工法比较研究不同的施工工法对于隧道拱顶沉降、拱底隆起、净空收敛、变形区域分布以及支护结构受力等方面产生的影响。

通过使用有限元分析软件Midas GTS/NX, 为减少边界约束条件对计算结果的不利影响, 所选用模型的尺寸为洞径尺寸的3倍, 最终选取底面尺寸为170m×110m, 顶面曲面最高点为92.4m的研究模型, 对尺寸为170m×12.34m×10m的三心圆隧道模拟分析, 如图1所示。

结合实际工程地层的分布情况, 将模型地层划分为3层:第1层为人工堆积土 (12.7~22.4m厚) 、第2层为强风化泥岩 (20m厚) 、第3层为弱风化泥岩 (50m厚) 。隧道埋置在强风化泥岩层, 最大埋深为18m (15m人工堆积土及3m强风化泥岩) , 针对施工过程中土体的开挖方式, 将隧道内部土体根据不同的施工工法划分为不同的小块。

静力荷载下模拟, 仅考虑自重作用下各施工工法施工过程中对隧道与围岩产生的影响, 不考虑天然的构造应力。模型上表面为自由面, 下表面添加水平和竖向约束, 4个侧面仅施加水平约束。整个模型以混合四面体和六面体划分单元, 外侧围岩单元长度取为4m, 隧道土体部分单元长度取为2m。支护结构分初衬与二衬2步支护, 初支采用喷锚支护, 锚杆钢筋横向以15°角对称分布, 纵向间距为2m, 长度为5.6m, 喷混厚度0.28m;二衬用0.4m厚的混凝土板。锚杆使用1D植入式桁架单元, 初支与二衬使用2D板单元。各地层与结构材料选用各向同性材料并且采用基于小变形情况下的杨氏模量, 模型基于莫尔-库仑本构。在分析模型中, 地层土体和材料设定的物理力学属性如表1所示^[9,10]。

隧道拱腰的水平收敛量是通过隧道两侧拱腰的水平位移差值来确定的。通过对模型左右侧拱腰处节点的过程结果提取, 绘制出各施工工艺下隧道一个断面整个过程隧道水平收敛量变化情况, 如图2所示。由图2可知, 二台阶法与三台阶法在前20施工步内隧道的水平收敛量变化剧烈, 其中初始施工阶段内, 水平收敛接近于线性变化, 且各类施工工艺变化趋势基本无差别, 说明在施工的初始阶段隧道的水平收敛与施工工艺基本无关;另外, 在20施工步后变化趋于平缓, 到后期六步CD法和双侧壁导坑法、二台阶法和三台阶法收敛值收敛值两两趋于相等, 并且六步CD法及双侧壁导坑法的最终收敛值较小。二台阶法、三台阶法、六步CD法以及双侧壁导坑法施工过程中的最大收敛值分别为:-17.1, -14.7, -12.6, -16.2mm, 相对应最终收敛量依次为:-2.6, -2.8, -0.5, -0.6mm。对洞周的控制变形各类工法顺序为:六步CD法施工引起的最大收敛值与最终稳定收敛值较小、二台阶法引起的收敛值最大;其次, 虽然三台阶法施工工艺的最大收敛值比双侧壁导坑法的小, 但稳定时的收敛值比双侧壁导坑法大, 所以认为双侧壁导坑法在控制拱腰收敛方面比三台阶法有更好的效果。

隧道开挖过程中, 由于临空面的出现, 岩体在自重作用和应力的重分布调整下隧道产生一定的竖向变形, 因此一般情况下, 隧道拱顶位置的沉降量最大, 故而取隧道拱顶位置的沉降值为代表。图3为4种施工工艺所引起的拱顶沉降, 由图中可以看出, 4种施工工艺的拱顶最终竖向位移在前20施工步变化明显, 且台阶法的变化最为剧烈、其次分别为双侧壁导坑法和六步CD法;第20步施工后, 各工法引起的拱顶沉降基本趋于稳定, 稳定时拱顶沉降从小到大依次为:-24.9, -25.8, -38.9, -46.3mm;双侧壁导坑法最终的竖向位移最小, 六步CD法和三台阶法次之, 二台阶法最终的竖向位移最大。六步CD法施工时拱顶沉降变化最为平缓, 并且六步CD法和双侧壁导坑法在稳定阶段的沉降量相近。因此, 六步CD法施工时, 隧道拱顶的沉降位移最小。

由图4可以看出, 对于拱底的最终隆起值而言, 六步CD法的最小, 二台阶法和三台阶法的相近, 双侧壁导坑法的最大。4种方案施工的情况下拱底最终竖向位移从小到大依次为:18.5, 21.1, 21.2, 23.9mm。

本次隧道开挖下穿208省道, 开挖过程中势必对公路造成影响, 为研究不同工法开挖对地表的影响, 选取隧道纵向中部的横断面节点沉降数据绘制横向沉降图。图5为4种不同施工方案引起的省道地表的竖向位移。由图可知, 隧道开挖时, 地会出现“沉降凹槽”现象, 即越接近隧道中线, 地表沉降量就越大, 也就是说仅在一定的范围内出现明显沉降。公路中线的最大沉降量分别为:-16.7, -16.4, -18.7, -19.5mm, 双侧壁导坑法引起的地表沉降量最小, 其次分别为六步CD法、二台阶法和三台阶法。根据规范要求, 施工引起的沉降均在公路允许的工余沉降范围内。

图6为不同施工工法所引起的隧道支护结构的轴力。

锚杆的最大拉应力与采用的施工工法无关, 均出现在隧道开挖初始阶段的拱顶位置;与此同时, 由于开挖中隧道的收敛出现在拱腰处, 因此锚杆的最大压应力与施工工法也没有明显的关联。由图可知4类施工工法引起的锚杆内力顺序:二台阶法>六步CD法>双侧壁导坑法>三台阶法。根据规范要求, 支护用钢筋最低等级为HRB400级, 最小使用直径为16mm, 由此计算得出每根锚杆可承受的最小荷载为25.6kN, 且钢筋材料为拉压性能相近材料, 所以4类施工工法引起的支护锚杆内力在实际施工的过程中不会有差别, 可以忽略。

由图7可知, 各施工工法引起的弯矩变化趋势基本相同, 前期变化剧烈, 到一定施工步骤之后变化放缓。不同施工工法造成的支护结构最大弯矩如表2所示。台阶法施工时, 支护结构的弯矩最小, 而双侧壁导坑法施工时, 其引起的支护结构弯矩最大。

根据以上的分析数据显示隧道、地表的位移以及支护结构的内力在初始的20步内变化显著, 而在20步之后变化趋于平缓。这是由于在隧道开挖的初始阶段, 原始的土体平衡被打破, 而且土体的开挖产生临空面, 岩土体发生应力重分布, 相应的出现松动圈, 变形从无到有急剧变化, 随着开挖的继续进行, 岩土体的自承能力逐渐发挥出来, 变形渐渐趋于平缓。由图3和图4可以看出不同的施工工法隧道沉降量均高出隆起量;右侧的位移量均高出左侧的位移量, 产生这种现象的主要原因是地形偏压作用, 此外, 六步CD法与双侧壁导坑法中还具有左侧土体先期施工开挖的作用。

在4类施工工法中, 由于六步CD法和双侧壁导坑法划分较为细致、开挖断面较小, 并且遵循先次要变形部位后主要变形部位开挖的顺序, 且在次要部位开挖完成后施作了支护结构, 有效地降低了主要变形区域的形变。支护及时等优点在控制隧道的洞身收敛以及地表沉降方面较台阶法表现出很好的效果。同时, 也因为施工划分的工作区域更小, 支护措施频繁施加, 增加了施工的复杂度, 降低了施工效率, 延长施工工期。及时施加支护结构, 可以减少围岩自稳能力的发挥, 从而使得支护结构承担更大的荷载。台阶法由于支护滞后使围岩发生充分变形, 充分发挥了围岩的自承能力, 施加在支护结构的能力更小。因工程隧道下穿既有运营省道, 为了保证公路的正常运必须对地表沉降严格控制, 所以台阶法不适用。六步CD法和双侧壁导坑法在控制拱顶沉降、隧道拱腰水平收敛和地表沉降方面的性能基本相近, 然而双侧壁导坑法所引起的支护结构的内力比六步CD法大, 由于双侧壁导坑法的施工工序比较复杂, 施工效率较低, 同时根据实际工程工期以及造价, 最终选用六步CD法为工程的施工方案。

根据统计数据, 在4类施工工法中, 双侧壁导坑法在控制隧道的沉降、隆起及净空收敛方面表现较好, 很重要的一个原因是双侧壁导坑法与六步CD均较台阶法将整个开挖断面划分为更多的小区域。

使用Midas GTS/NX软件模拟隧道下穿高速公路的案例有:佛莞城际隧道下穿广明高速, 奔龙坪偏压连拱隧道下穿龙瑞高速公路, 东南山铁路隧道下穿阜朝高速公路, 贵阳地铁1号线下麦西段下穿高速公路^[9,10,11]。

上述4个案例地质条件、下穿施工条件、地表既有建 (构) 筑物不同, 但都是通过使用数值模拟软件建立隧道下穿高速公路的模型, 通过设置不同施工方法和施工步骤, 比较计算后各种工法施工后的地表沉降、隧道内部收敛变形、支护结构受力变化等方面, 选择最优的施工工法。由此说明, 有限元分析可以适用性好, 能模拟各种复杂施工情况。

除此之外, 使用模拟计算还能发现项目施工中可能遇到的问题, 从而优化施工方法, 合理安排施工顺序, 加快施工速度, 减少项目支出, 同时提前做好预防措施, 保证隧道结构安全和高速公路的正常运营。

施工现场对隧道拱顶和洞身处及时进行了跟踪监测, 以确保现场施工和隧道的安全。现场量测项目及使用工具如表3所示。下文主要分析下穿隧道入口处断面DK446+714, DK446+699, DK446+684, DK446+679的监测数据, 如图8, 9所示。

由图8可知, 隧道拱顶沉降速度在施工的前10天内较快, 此后趋于稳定, 最终沉降值稳定在26mm左右。数值模拟中, 六步CD法施工时前20步时的拱顶沉降值增加速度较快, 之后稳定在24.9mm。比较图3和图8, 模拟和实测的拱顶沉降曲线的走势基本一致, 说明建立的模型符合实际, 同时也证明六步CD法施工有效控制了拱顶沉降, 保证了施工安全。

由图9可知, 各监测断面处洞径的水平收敛位移在前10天的施工中, 位移变化速率较大, 第10天之后, 变形速率有所下降。第10天至第50天内, 变形速率逐渐减小, 在第50天后, 隧道洞径保持稳定。由图7可知, 施工引起隧道二衬所受弯矩值在前期急剧增加, 后期稳定后不再变化。比较二图可知, 洞径水平收敛位移值的变化和二衬弯矩变化相似, 支护结构弯矩在模拟的第20步后保持稳定, 而收敛曲线在第28天后变化速度只有-0.5mm/d, 可认为基本没有变化。分析其原因, 施工28d内混凝土强度增长较快, 隧洞内支护结构强度增长后, 其所受弯矩逐渐增加, 最终达到设计要求, 此时隧道洞身的水平收敛位移不再变化。

通过对比有限元模拟结果和实测数据可知, 数值模拟建立的模型和施工步设置合理, 数据结果同现场监控量测数据相比相差较小, 能很好地反映实际施工效果。

结合新建新大力寺隧道下穿208省道的地质条件及工程特点, 针对双侧壁导坑法、六步CD法、二台阶法以及三台阶法, 采用有限元数值模拟计算方法对各施工工法在控制隧道变形、地表变形以及支护结构受力方面做出合理的分析和预测, 得出主要结论如下。

1) 就不同施工引起的位移而言, 六步CD法及双侧壁导坑法引起拱顶变形较小, 二台阶法最为不利;六步CD法及双侧壁导坑法引起的隧道拱腰收敛位移较小, 三台阶法最为不利;从地表沉降来看, 六步CD法和双侧壁导坑法控制效果明显好于台阶法。

2) 六步CD法、双侧壁导坑法和二台阶法、三台阶法4类施工工法中, 双侧壁导坑法的施工复杂, 引起的支护结构内力最大, 六步CD法次之, 台阶法最小。

3) 基于数值模拟分析及现场施工综合考虑, 建议隧道穿越公路宜优先六步CD法。施工中, 公路路沿距离施工掌子面接近8 m时, 公路将出现沉降;在掌子面通过公路路边15m之后, 隧道断面的支护结构受力基本稳定。