淺埋暗挖工法在三孔矩形結(jié)構(gòu)穿越公路中的應(yīng)用

王 慧 夏友軍

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.湖北省交通投資集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074)

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淺埋暗挖工法在三孔矩形結(jié)構(gòu)穿越公路中的應(yīng)用

王 慧1夏友軍2

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.湖北省交通投資集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074)

以南水北調(diào)工程穿越112國道為背景，針對總跨18.5 m的三孔矩形箱涵結(jié)構(gòu)在覆跨比小于0.2的工況，提出采用淺埋暗挖工法穿越既有道路的設(shè)計(jì)方案，并從結(jié)構(gòu)承載能力、控制地表沉降、確保施工安全的角度，簡要介紹了大跨矩形斷面采用淺埋暗挖工法的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)過程，為類似工程施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

淺埋暗挖工法，三孔矩形箱涵，超前支護(hù)，初期支護(hù)，地表沉降

0 引言

淺埋暗挖工法是在距離地表較近的地下進(jìn)行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法，該工法以改造地質(zhì)條件為前提，控制地表沉降為重點(diǎn)，突出時空效應(yīng)對防塌的重要作用。施工中，采用多種輔助措施加固圍巖，開挖后及時支護(hù)，通過圍巖、初期支護(hù)和二次襯砌形成聯(lián)合支護(hù)體系，來共同承擔(dān)荷載作用，有效地控制圍巖的過大變形。該工法一般按照施工準(zhǔn)備、超前小導(dǎo)管布設(shè)、注漿、土方開挖、格柵架立、鋼筋網(wǎng)片、連接筋、噴射混凝土、防水施工、二次襯砌的順序進(jìn)行施工。該工法具有拆遷少、污染少，靈活多變、無需太多專業(yè)設(shè)備且不干擾地面交通和周圍環(huán)境的特點(diǎn)，在我國地下工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

南水北調(diào)工程穿越112國道采用三孔矩形斷面箱涵結(jié)構(gòu)，開挖跨度18.4 m，最小覆跨比0.12，由于埋深太淺，采用頂進(jìn)施工困難較大，針對上述問題經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較，確定采用淺埋暗挖方案進(jìn)行穿越，以下進(jìn)行簡要介紹。結(jié)構(gòu)橫斷面圖見圖1。

1 工程概況

112國道為雙向兩車道二級公路，涵址處路基全寬12.0 m。路基(路肩)高程11.61 m，最大覆土厚度3.7 m，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級。淺埋暗挖段全長75 m，箱涵與112國道斜交角度為28°。

涵址處地層為素填土、砂壤土、粘土、壤土、砂壤土，砂壤土為強(qiáng)透水性，壤土為弱透水性，粘土為極弱透水性。地下水位0.2 m左右，箱涵穿過砂壤土和粘土層，坐落于壤土上。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

淺埋暗挖法的設(shè)計(jì)思想，很重要的一點(diǎn)就是初期支護(hù)結(jié)構(gòu)按承擔(dān)全部基本荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，二次襯砌作為安全儲備，初期支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)特殊荷載。

箱涵主體結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土箱涵需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算和構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算。鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算包括荷載計(jì)算、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算三部分。箱涵不同荷載組合下的所有的計(jì)算工況均需進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)箱涵使用上的要求對基本組合的計(jì)算工況需進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫寬度驗(yàn)算。箱涵結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫寬度驗(yàn)算根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行。

2.1.1 荷載計(jì)算

作用在箱涵上的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、豎向土壓力、側(cè)向土壓力、箱涵外水壓力、箱涵內(nèi)水壓力、浮力、地面活載、地基反力及地震荷載等。地震波使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慣性力，從而發(fā)生剪切變形和彎曲變形，為簡化計(jì)算，采用靜力法計(jì)算地震波對結(jié)構(gòu)的影響。

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分別采用上述荷載的基本組合和偶然組合進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 內(nèi)力計(jì)算

設(shè)計(jì)采用有限框架單元進(jìn)行了各種工況條件下的內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算時取單位箱涵長度，應(yīng)用桿件系統(tǒng)有限單元法，箱涵底板地基反力近似按直線分布進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)采用了SAP84微機(jī)結(jié)構(gòu)分析通用程序進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算結(jié)果中彎矩及剪力均未進(jìn)行支座折減消峰，計(jì)算配筋及裂縫寬度時均采用折減消峰后的彎矩及剪力值。計(jì)算包絡(luò)圖見圖2。

2.1.3 配筋計(jì)算

設(shè)計(jì)根據(jù)程序計(jì)算成果，分別對箱涵各部分構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度、斜截面抗剪計(jì)算，同時根據(jù)規(guī)范要求對箱涵構(gòu)件基本荷載組合進(jìn)行了裂縫驗(yàn)算，并最終確定了每延米配筋量。

2.2 地表沉降控制

地表沉降是本次隧道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)中從地層加固、開挖方法、支護(hù)措施、跟蹤注漿四方面對地表沉降進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)。

2.2.1 地層加固

地層加固的方法有很多，常用的有地表注漿加固、超前管棚、超前錨桿、凍結(jié)法等，由于本項(xiàng)目為穿越既有道路，采用地表注漿很難實(shí)現(xiàn)，而采用超前錨桿剛度較小，采用凍結(jié)法施工組織較為復(fù)雜，綜合考慮項(xiàng)目特點(diǎn)設(shè)計(jì)最終采用超前管棚方案進(jìn)行地層加固。洞口設(shè)置108大管棚，洞內(nèi)設(shè)置雙層小導(dǎo)管。

2.2.2 開挖方法

保持開挖面穩(wěn)定，減少對地層的擾動，對于控制地表沉降是極其重要的，本項(xiàng)目屬軟土大斷面地下工程，即使采用了地表預(yù)加固措施，仍不宜采用全斷面開挖。為有效控制地表沉降，設(shè)計(jì)采用先開挖中間孔，再開挖兩側(cè)邊孔的開挖順序，每單孔分四個斷面進(jìn)行開挖，同時孔內(nèi)設(shè)置臨時支撐。開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在0.6 m以內(nèi)。開挖方法見圖3。

2.2.3 支護(hù)措施設(shè)計(jì)

大斷面淺埋軟土暗挖地下結(jié)構(gòu)要求支護(hù)必須及時、密貼，且需要大剛度、早封閉。由于噴射混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展是控制地表變形、減小地表沉降的重要因素，設(shè)計(jì)中初期支護(hù)采用了型鋼拱架加鋼纖維混凝土的組合方案。每立方米噴射混凝土中鋼纖維摻量為60 kg～70 kg。

2.2.4 跟蹤注漿設(shè)計(jì)

跟蹤注漿是在開挖過程中，在頂部預(yù)埋補(bǔ)償注漿管，視實(shí)施超挖及地表沉降情況，通過預(yù)留的注漿管向地層注漿，而且通過控制注漿壓力及注漿量，有效填充頂板空隙，以減小地表沉降量。本工程在頂板設(shè)置了跟蹤注漿管，根據(jù)施工過程中開挖情況及時對頂板上方進(jìn)行注漿回填，實(shí)際施工顯示，跟蹤注漿對控制地表沉降非常有效，經(jīng)實(shí)測公路路面最大沉降量不足4 cm，表示很好地控制了地表沉降量。施工現(xiàn)場圖見圖4。

3 結(jié)語

淺埋暗挖工法是我國隧道設(shè)計(jì)施工的一大法寶，該工法的創(chuàng)立為我國淺埋軟弱地層地下工程修建提供了廣闊的空間，該方法施工靈活、應(yīng)變能力強(qiáng)。南水北調(diào)三孔矩形斷面箱涵工程采用淺埋暗挖法穿越112國道的成功又一次證明了淺埋暗挖工法在地下工程建設(shè)中的合理性及可靠性，也為我國今后類似工程的設(shè)計(jì)施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，值得大力借鑒與推廣。

[1] JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] SL 191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] DL 5077—1997，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] SL 203—97，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

The application of shallow excavation method in three-hole rectangular structure through the highway

Wang Hui1Xia Youjun2

(1.HubeiTransportationVocationalTechnicalCollege,Wuhan430079,China; 2.HubeiTransportationInvestmentGroupLimitedCompany,Wuhan430074,China)

Taking the South-North water transfer project through 112 National Road as the background, according to the working conditions of three-hole rectangular box culvert structure with total cross 18.5 m cover span ratio less than 0.2, put forward the design scheme using shallow excavation construction method through existing roads, and from the structure bearing capacity, surface control, ensuring the construction safety angle, briefly introduced the design features and design process of big span rectangular section using shallow excavation method, accumulated experience for similar engineering construction.

shallow excavation method, three-hole rectangular box culvert, advance support, initial support, ground settlement

1009-6825(2016)31-0164-02

2016-08-25

王 慧(1985- )，女，工程碩士，講師； 夏友軍(1985- )，男，工程師

U415.11

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