李文富

(辽宁省水利厅，辽宁沈阳 110003)

1 工程概况

某重点输水工程穿越高速公路段位于某河谷浅埋段，洞室长215m。穿越部位洞顶埋深10.8～15.8m，第四系冲洪积物厚约3.0～5.4m，其中粉质粘土层厚约 0.3～3.0m，圆砾层厚约1.9～3.4m，上覆岩体厚度6.2～8.2m。洞室围岩为凝灰质砂岩、凝灰岩，弱风化为主，局部强风化，岩石强度低，为较软岩。该段洞室围岩类别以Ⅴ类为主。

该段隧洞属于典型的浅埋段，设计上采用浅埋暗挖法施工。为了更全面地了解和分析该新建隧洞开挖对原有高速公路稳定性的影响，本文运用Midas GTS软件对隧洞施工过程进行数值仿真模拟，通过路面沉降量判断施工过程对公路产生的影响情况。该次数值模拟分析计算采用地层结构法，未考虑地下水等因素。

2 设计主要参数

2.1 结构参数

隧洞穿越Ⅴ级围岩地区，对已有设计成果采用有限元程序分析验算，确保结构安全经济。隧洞开挖采用微震控制爆破技术，初期支护采用锚喷支护和钢拱架支护联合的方式，二衬采用模筑混凝土及时衬砌，混凝土衬砌与初期支护共同抵抗围岩的变形。隧洞支护参数见表1，隧洞结构设计见图1。

表1 隧洞支护结构参数表 单位:年

隧洞开挖后对隧洞洞顶圆砾进行加固处理，注浆范围为顶拱90O，注浆孔直径为Φ76，孔深一直钻入圆砾层中1m。90O范围以外采用固结灌浆对围岩进行固结，孔深3.5m，环向设置6个孔，纵向间距3.0m，梅花形布置。

隧洞开挖时采用Φ42小导管超前支护，小导管间距0.3m。隧洞开挖采用台阶分步法开挖，开挖的循环进尺不大于1m。初期支护采用型钢钢架HW150间距0.6m;锚杆采用Φ25L4000@1000×1000，钢筋网采用 Φ8@150×150，喷射混凝土C30厚度200mm。

2.2 力学参数选择

隧洞结构计算所用参数综合《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)、《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)、《铁路设计规范》(GB50157-2003)等规范进行选取，具体见表2、3。

(1)岩土层力学计算参数。

图1 断面结构图

表2 计算用岩土层力学参数表 单位:年

(2)支护结构材料力学参数。

表3 计算用支护结构力学参数表 单位:年

3 施工模拟

3.1 计算模型

针对公路采用Midas GTS软件建立地层结构模型，对下穿隧洞施工过程进行模拟，在计算中，边界约束条件对计算结果影响较大。因此，为尽量减小边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照以下原则进行了确定，即有限元计算模型所取得地层范围是:水平方向取隧洞左右3倍洞径即30m;竖直方向隧洞下方取仰拱底部30m范围，而隧洞上方按照实际埋深进行计算，计算参数参照岩土层力学参数表和支护结构力学参数表选取。

3.2 计算假定

(1)采用弹塑性计算模型。

(2)采用均一地层，岩土体的变形是各项同性的。

(3)隧洞的受力和变形是平面应变问题。

(4)不考虑地下水的影响。

(5)路面上部施加车道荷载，车道荷载的均布荷载标准值为qk=12kN/m。

3.3 模拟说明

计算中采用隧洞与地层共同作用的受力模式模拟分析隧洞结构的受力。初期支护采用梁单元，围岩采用二维平面单元模拟。从偏于安全的方面考虑，隧洞上台阶开挖后，初期支护承受40%的围岩压力，隧洞下台阶开挖后，初期支护承受全部的围岩压力。二衬作为安全储备，不在施工模拟计算中考虑。该次计算共对3种工况进行模拟。工况一:不对地层进行注浆加固，直接开挖;工况二:按照原设计采用洞内注浆加固地层，再进行开挖作业;工况三:采用地表注浆方式对地层加固，再进行开挖作业。

图2 计算模型图

3.4 模拟结果

3.4.1 工况一

在不对地层进行加固处理的情况下开挖隧洞，计算结果如图3～6。

图3 竖向位移云图

图4 路基竖向位移云图

根据计算结果显示，路面最大沉降量为24.3mm，初期支护最大轴力627.25kN，最大弯矩64.01kN.m。

图5 初期支护弯矩图

图6 初期支护轴力图

3.4.2 工况二

按照原设计在隧洞内对地层采用注浆加固，注浆范围深入圆砾层1m，地层注浆加固模型图见图8。

图7 洞内地层加固模型图

根据计算结果可知，路面最大沉降量为21.2mm，初期支护最大轴力515.64kN，最大弯矩64.70kN.m。

3.4.3 工况三

采用地表注浆方式对地层进行加固，加固范围为隧洞跨度2倍范围内，地表注浆加固模型图见图8。

图8 地表注浆土层加固模型图

根据计算结果可知，路面最大沉降量为15.3mm，初期支护最大轴力626.01kN，最大弯矩45.45kN.m。

3.4.4 二衬结构验算

对隧洞二衬结构验算采用荷载结构模型，计算结果如图9、10所示。

图9 二次衬砌轴力图

图10 二次衬砌弯矩图

根据计算结果，最大拉力为1.11kN，出现在拱顶位置;最大压力为2.64kN，出现在拱脚位置;最大弯矩为2.23kN.m，出现在底板中部位置。通过计算可知二次衬砌结构强度满足相关规范要求。

3.4.5 计算结果分析

对比3种工况的计算结果，采用注浆方式对地层进行加固可一定程度上减小隧洞开挖引起的地层沉降，其中洞内注浆可减小沉降量3.1mm，约占沉降量的12.8%，地表注浆可减小沉降量9mm，约占沉降量的37%。由此可见，通过地层注浆可有效减小地层沉降，是抑制地层产生较大沉降量的有效的加固方式。另外，根据初期支护结构内力计算结果，拱脚与底板交接处局部存在应力集中现象，弯矩较大，在施工时应对该部位加强监测，必要时及时进行加固处理。而通过对二衬结构进行验算可知，二衬结构能够满足运营使用要求。

4 结论与建议

鉴于输水隧洞穿越高速公路的重要性，通过对穿越施工过程进行数值模拟结果分析，得出以下结论。

(1)建议在隧洞施工前，从地表对地层结构进行注浆加固，加固范围为隧洞周边2倍洞径的距离，路基边沿采用与地面夹角60O方向斜向注浆。隧洞在高速公路下方施工时需打设大管棚，施工过程中，及时通过小导管对周边围岩注浆加固，以减小隧洞施工导致的土体固结沉降，降低其对路基及路面的影响。

(2)隧洞开挖采用CD法分台阶施工，上台阶与下台阶拱脚处均应打设锁脚锚杆，每处打设2～4根，衬砌拱部与边墙均应打设系统锚杆。每一个分部开挖后，应立即采用喷射混凝土封闭洞室围岩，并及时进行拱架支护和锚杆、挂网支护等，要求整个工序在短时间内完成，以保证围岩稳定。

(3)开挖施工采用微震控制爆破技术，遵循“短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的方针，保障隧洞施工过程的安全，每循环开挖进尺不大于0.8m，钢拱架间距不大于0.8m，二衬施做应及时跟进。

(4)根据现有结构设计方案对隧洞的初期支护进行结构受力计算，拱脚与底板交接区域存在应力集中的现象，建议结构上采用圆弧过渡或在施工过程中对该区域采取加强措施;建议根据现场监控量测结果及地质情况，对局部变形较大或围岩较差区域加强初期支护结构强度，以增加隧洞结构的安全性。

(5)施工阶段将引起路面产生沉降和裂缝。应加强隧洞施工期间的监控量测，尤其应对路面进行沉降监测，并对路面的裂缝情况进行观测统计，将监测与统计结果及时反馈，指导施工作业;隧洞施工结束后，施工单位应对路面的沉降与裂缝采取相应方式处理，恢复原貌。

［1］张渊，魏放，田新明．浅埋暗挖法施工工艺在铁路隧道穿越高速公路中的应用［J］．铁道标准设计．2008(02):88～91．

［2］许亚军．超浅埋暗挖隧道下穿高速公路的施工技术［J］．隧道建设．2009(02):101 ～104．