礦山法區(qū)間在砂層地段穿越高速公路的設(shè)計與分析

顧 鋒 （廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

某區(qū)間采用礦山法施工，左右線各分別有約150m、260m兩段拱頂位于軟弱地層。區(qū)間隧道在DK27+350～DK27+392段正穿共42m寬的沈海高速，隧道拱頂埋深約18.8m，沈海高速下方存在過水箱涵以及中石油、中海油等高壓石化管線，隧道拱頂距過水箱涵底部14.3m。同時根據(jù)工程籌劃需要，本區(qū)間在距沈海高速約19m處設(shè)置2號豎井及施工橫通道。區(qū)間下穿沈海高速段隧道拱頂為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、全新統(tǒng)沖洪積粗砂，洞身范圍地層主要為全新統(tǒng)沖洪積粗砂、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花崗巖等，如圖1、圖2所示。由于本區(qū)間穿越地層孤石極為發(fā)育，礦山法區(qū)間穿越沈海高速可能會遇到孤石。

在地下水豐富的Ⅰ、Ⅱ類圍巖的淤泥質(zhì)土層、砂層地段，礦山法隧道開挖時極易發(fā)生涌砂、塌頂，導(dǎo)致地面下沉，隧道變形、失穩(wěn)，造成嚴(yán)重后果，且區(qū)間隧道上方為正在運行的沈海高速以及中石油、中海油高壓石化管線，一旦發(fā)生事故，造成的社會影響和經(jīng)濟影響將極為重大。

2 設(shè)計方案

2.1 全斷面注漿加固

礦山法隧道開挖之前采用洞內(nèi)深孔注漿對軟弱土層進行全斷面加固，加固范圍如圖3所示。

2.2 支護參數(shù)

本區(qū)間為單洞單線標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形隧道，開挖斷面凈高7.048m，凈寬6.5m，初期支護采用厚度300mm的噴射混凝土（C25、P6）；在隧道拱部150°范圍采用Φ89長管棚（L=90m）以及Φ42WSS管（L=6.5m），環(huán)向間距300mm；邊墻設(shè)置間距1m×1m的Φ25中空錨桿（梅花形布置）；格柵鋼架間距為0.5m，并設(shè)置工18型鋼臨時支撐；開挖時在每榀鋼架拱腳處設(shè)Φ42鎖腳錨管（L=3m）。二次襯砌采用厚度350mm的鋼筋混凝土（C40、P10）。

容許工后沉降 表1

2.3 變形限值

參考《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD30-2004）見表1。

隧道施工引起的地面沉降和隆起均應(yīng)控制在環(huán)境條件允許的范圍以內(nèi)。采用暗挖法施工時，一般地段地面沉降量宜控制在30mm以內(nèi)，隆起量控制在10mm以內(nèi)；當(dāng)穿越建筑物、重要地下管線時，上述數(shù)值應(yīng)按相應(yīng)的規(guī)范和規(guī)程允許值從嚴(yán)確定，對于空曠地區(qū)考慮適當(dāng)放寬。因此區(qū)間穿越沈海高速變形限值為：地面沉降量宜控制在30mm以內(nèi)，隆起量控制在10mm以內(nèi)。

3 影響分析

由于隧道開挖引起地層變形的計算，目前基本有3種方法：第1種是以Peck教授提出的Gaussian曲線為代表的經(jīng)驗方法；第2種是理論預(yù)測法，包括解析方法和數(shù)值模擬法等;第3種是國內(nèi)外一些學(xué)者所做的模型試驗方法。本文利用第2種方法中的有限元分析法進行分析。

3.1 邊界條件及本構(gòu)關(guān)系

對于設(shè)計方案，我們建立有限元模型進行數(shù)值模擬分析計算，計算過程中的主要荷載包括單元自重、施工過程中考慮豎井基坑內(nèi)降水開挖、區(qū)間礦山法隧道施工，周邊環(huán)境按無限剛度體模擬，約束有限元模型底部的豎向位移及各側(cè)面的法向位移。

本次分析的土層參數(shù)關(guān)系如表2，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則模擬巖土體的材料特性。

地層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表 表2

本工程施工工序步驟如下：先施工豎井的圍護結(jié)構(gòu)，再開挖土方，隨挖隨撐，再施做橫通道，礦山法隧道開挖前降水，全斷面注漿加固土體，最后礦山法開挖，施做隧道襯砌。本次分析針對本工程的全過程進行數(shù)值模擬，共分10個工況即10個施工步驟，具體如表3。

分析施工步驟 表3

3.2 有限元模型

本次三維分析選擇MIDAS-GTS計算軟件，采用板單元模擬豎井圍護結(jié)構(gòu)、隧道襯砌結(jié)構(gòu)，四面體實體單元模擬地層，梁單元模擬冠梁、圈梁，并采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則仿真模擬地層情況，計算范圍為164m×100m×50m。計算模型見圖5和圖6。

3.3 計算結(jié)果

計算中首先得到地鐵隧道初始階段在土壓力下的變形、內(nèi)力、應(yīng)力等數(shù)值，并將位移清零。從第3至第10計算步驟計算出由于隧道開挖引起的位移、內(nèi)力、應(yīng)力等的變化，根據(jù)該變化值來判斷隧道開挖對沈海高速的影響。

礦山法隧道穿越沈海高速完成后豎向位移為18.89mm，詳見圖7。

礦山法隧道施工過程中，各個施工節(jié)點時的沈海高速的豎向位移如表4所示。

沈海高速的豎向位移匯總表（mm） 表4

從上述圖表可知，隨著礦山法隧道豎井基坑和橫通道的開挖，沈海高速發(fā)生了豎向沉降，最大變形達到了9.08mm，占總沉降量的48.1%，出現(xiàn)在雨水箱涵與沈海高速交匯處；礦山法隧道開挖前降水引起沈海高速豎向的位移達到了7.55mm，占總沉降量的40%；而開挖礦山法隧道使得沈海高速產(chǎn)生了1.92mm的豎向位移，占總沉降量的10.2%，出現(xiàn)在礦山法隧道的正上方，并且累計沉降達到了18.89mm。

礦山法隧道穿越沈海高速完成后水平位移為4.31mm，詳見圖8。

礦山法隧道施工過程中，各個施工節(jié)點時的沈海高速的豎向位移如表5所示。

各施工階段引起沈海高速的水平位移匯總表（mm） 表5

從上述圖表可知，隨著礦山法隧道豎井基坑和橫通道的開挖，沈海高速發(fā)生了水平沉降，最大變形達到了2.16mm，占總水平位移的50.1%，出現(xiàn)在靠近豎井的一側(cè)路基上；礦山法隧道開挖前降水使得沈海高速產(chǎn)生了1.34mm的水平位移，占總水平位移的31.1%，并且累計水平位移達到了3.5mm；而開挖礦山法隧道使得沈海高速產(chǎn)生了0.8mm的水平位移，占總水平位移的18.6%，并且累計水平位移達到了4.31mm。

4 保護措施

4.1 施工方法及主要施工工藝

區(qū)間隧道下穿沈海高速采用馬蹄型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。可利用相鄰豎井井位做試驗井，進行降水試驗及注漿試驗，取得降水參數(shù)、注漿參數(shù)后再確定相關(guān)方案。礦山法隧道施工前需進行降水，把水位降到隧道底部0.5m。初期支護采用WSS管、長管棚加強，同時在開挖之前對土體采用深孔注漿進行加固處理，并對加固體進行檢測，采用超短臺階法開挖，上臺階增加臨時仰拱，及時封閉支護結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制沈海高速地面沉降。

4.2 特殊工程措施

①施工前，應(yīng)對下穿段地質(zhì)、水文及道路基礎(chǔ)及周邊管線情況進行詳細調(diào)查，以確認(rèn)地質(zhì)條件、基礎(chǔ)形式等。

②穿越過程隧道開挖控制開挖步距，縮小為0.5m，初支及時封閉，控制掌子面暴露時間。

③加強對初支背后進行充填注漿，控制地層變形。

④加強路面及路基底部沉降監(jiān)測，并及時反饋監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整加固措施。

⑤當(dāng)開挖過程中遇到涌水地層，需采用全斷面注漿方式進行開挖面預(yù)加固。

⑥隧道超挖變形為10cm，施工嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤測量、速反饋”的原則，開挖后及時支護及時封閉成環(huán)。

⑦對于過高速段可能存在的孤石，為避免爆破對地面的影響應(yīng)采用非爆破或控制爆破技術(shù)進行隧道開挖，減少對圍巖的擾動，防止塌方。

5 結(jié)論及建議

①做好信息化施工、加強監(jiān)測，礦山法隧道下穿沈海高速的地表沉降值在合理范圍內(nèi)，并且能夠滿足高速公路使用要求。

②在城市地鐵暗挖隧道施工中水的治理一直貫穿始終，水不僅危及施工過程中人員、設(shè)備的安全，也影響后續(xù)隧道運營的質(zhì)量，同樣也影響周邊建（構(gòu)）筑物的安全。由于地下水對隧道施工影響很大，本工程可利用相臨近豎井做降水試驗，以獲取地下水量、水壓等資料，并制定合理的降水方案。

③礦山區(qū)間砂層地段的施工，關(guān)鍵是砂層注漿固結(jié)效果；本工程可利用相臨近豎井做注漿試驗，確定注漿量和注漿壓力等參數(shù)。

④在隧道開挖中，嚴(yán)格做好初期支護和監(jiān)測工作；在預(yù)加固基礎(chǔ)上，超短臺階法開挖，上臺階增加臨時仰拱，施工中嚴(yán)防坍塌，以防注漿帷幕失穩(wěn)。

[1] 孫鈞，侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，1988.

[2] JTG D30-2004，公路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 趙建平.淺埋暗挖隧道管棚預(yù)支護機理極其效用研究[D].長沙：中南大學(xué)，2005.