淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工技術(shù)研究

邱 磊，王志斌，吳 標(biāo)，胡志鵬，張宗堂

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工技術(shù)研究

邱 磊，王志斌，吳 標(biāo)，胡志鵬，張宗堂

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

依托某工程隧道，開展淺埋下穿隧道優(yōu)化施工技術(shù)研究.工程采用CRD法施工，在未進(jìn)入隧道下穿段的地表沉降和拱頂下沉等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明，進(jìn)入下穿段時(shí)，因不能有效的控制地表沉降和無(wú)法滿足下穿段的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及確保施工安全要求，必須對(duì)現(xiàn)有的施工方案進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)對(duì)優(yōu)化施工方案進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究工法中不同方案下的可行性和對(duì)地表沉降的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，證明增強(qiáng)超前管棚支護(hù)，加強(qiáng)掌子面強(qiáng)度以及減小開挖步距的方案是可以將地表沉降控制在40 mm范圍內(nèi)的.

CRD法；淺埋下穿；數(shù)值模擬；優(yōu)化施工

隨著我國(guó)高速公路與高速鐵路的迅猛發(fā)展，縱橫交錯(cuò)的公路與鐵路線路已隨處可見.淺埋高速鐵路隧道下穿高速公路隧道是最常見的穿越工程之一，而隧道在施工時(shí)會(huì)對(duì)周圍的巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而打破巖土體原有平衡的，當(dāng)產(chǎn)生較大擾動(dòng)時(shí)，隧道的施工將導(dǎo)致地表產(chǎn)生不均勻沉降，從而嚴(yán)重影響到車輛的正常運(yùn)行，甚至威脅到人民群眾的生命安全.

為控制下穿隧道施工對(duì)既有線路的影響，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已做出大量的研究，研究主要集中在下穿開挖工法控制方面，普遍對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法等工法展開研究.尚孝武[1]指出采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道施工的過(guò)程中，上部中導(dǎo)坑開挖對(duì)地表沉降的影響最大；王學(xué)斌[2]提出在超淺埋大斷面隧道中采用優(yōu)化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可以很好的控制地表沉降，優(yōu)化參數(shù)有支撐類型、撤去支撐的時(shí)間以及進(jìn)尺等；高峰等[3]利用ANSYS有限元軟件研究了支護(hù)封閉的快慢對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工隧道穩(wěn)定性的影響；余佳力等[4]提出隧道CRD法施工對(duì)地表不同結(jié)構(gòu)形式、不同高度建筑物具有不同的影響，而在連拱隧道施工中的第一步至第四步開挖對(duì)混合結(jié)構(gòu)沉降的影響最大；黃明琦等[5]提出大斷面海底隧道軟弱地層CRD法施工的穩(wěn)定性分析.由已有的成果可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法施工能夠較好的控制地表沉降，但針對(duì)開挖體為粘土層的淺埋下穿高速公路隧道的研究較少.

本文以某隧道為研究背景，針對(duì)開挖體為粘土層的淺埋下穿高速公路隧道進(jìn)行研究，采用對(duì)隧道施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬的方法，分析隧道施工時(shí)的地表位移變化情況，從而選用有效的施工方法并將其運(yùn)用于工程實(shí)踐中，以達(dá)到使地表沉降控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的目的，本文采用的地表沉降標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值為40 mm.

1 工程概況

1.1 隧道概況

某隧道，按照旅客列車設(shè)計(jì)行車速度250 km/h雙線隧道設(shè)計(jì)，隧道全長(zhǎng)7130 m.在D1K392+265～D1K392+390段范圍下穿某高速公路(公路該段為高填方)，隧道中線與高速公路線路中線平面交角52度，相交里程D1K392+345.隧道拱頂至公路路堤腳6～18 m，拱頂距路面約26 m.

1.2 地質(zhì)情況

圖1 某隧道下穿高速縱斷面圖

1.3 工程的難點(diǎn)

(1)淺埋下穿高速公路隧道的穿越地段中最薄覆蓋層為6 m，上層均為粘土，當(dāng)進(jìn)入高速公路正下方時(shí)，上層依次分別為人工填筑碎石土層、粘土層、灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r層，其中粘土層和人工填筑碎石土層屬易塌性土，因此必須要嚴(yán)格控制開挖的進(jìn)尺.

(2)淺埋下穿高速公路隧道的穿越地段上方為已運(yùn)營(yíng)高速公路，該路段的大型重車來(lái)往頻繁，產(chǎn)生的動(dòng)荷載直接作用于隧道上方的巖土體內(nèi)，造成擾動(dòng)，所以對(duì)隧道的超前支護(hù)和初期支護(hù)的施工質(zhì)量提出很高的要求.

(3)在隧道施工過(guò)程中要加強(qiáng)地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂和震動(dòng)速度的量測(cè)，并且要根據(jù)所得數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地調(diào)整支護(hù)參數(shù)和爆破設(shè)計(jì).

(4)穿過(guò)高速公路的正下方施工段施工的組織和與相關(guān)方面的協(xié)調(diào)十分重要，施工期間由于不能阻斷交通，保持道路的暢通，必須有效的控制行車安全，不能出現(xiàn)安全事故.[6]

2 施工方案選定

淺埋高速鐵路隧道下穿的高速公路正在運(yùn)營(yíng)中，為確保運(yùn)營(yíng)安全，隧道的下穿施工必須嚴(yán)格控制地表沉降，根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及其他項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，將地表沉降嚴(yán)格控制在40 mm范圍內(nèi).

他一個(gè)念頭未及轉(zhuǎn)完，便發(fā)現(xiàn)自己錯(cuò)了。師父那原本跪坐著的身體，忽地向后傾倒，胸腹幾乎和身下的天葬臺(tái)面平行，竟于電光石火間，躲過(guò)了那些蛛絲。他的身體裹在黑色羽袍內(nèi)，寬寬扁扁，就像一塊木板，直落直起間，絲毫看不出肌肉關(guān)節(jié)的柔韌性。

該隧道采用CRD法進(jìn)行施工，隧道非下穿段地表的沉降基本控制在20～87 mm段[7]，按照試驗(yàn)段的方案很難滿足下穿段的40 mm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以必須對(duì)CRD法進(jìn)行優(yōu)化或者尋找更合適的工法.國(guó)內(nèi)普遍用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法對(duì)下穿隧道進(jìn)行施工，基于前人對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的研究與應(yīng)用，該法的地表沉降普遍控制在10～156 mm之間，不能百分之百地將地表沉降控制在40 mm以內(nèi)，綜合考慮，直接對(duì)CRD法進(jìn)行優(yōu)化更加適合現(xiàn)場(chǎng)的情況.某隧道下穿段CRD法施工工序，如圖2所示.

(1)a.超前管棚施工；b.超前小導(dǎo)管施工；c.開挖①部；d.噴混凝土加固掌子面；e.施作中①部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)中隔墻，即初噴4 cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立工字鋼和臨時(shí)鋼架，并設(shè)鎖腳錨桿，安設(shè)臨時(shí)橫撐；f.鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度.

(2)a.滯后于①部開挖②部；b.噴混凝土封閉掌子面；c.導(dǎo)坑周邊部分初噴4 cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)；d.接長(zhǎng)型鋼鋼架和臨時(shí)中隔墻，并設(shè)鎖腳錨桿；e.鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度.

(3)開挖③部并施作導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，步驟同(1).

(4)開挖④部并施作導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，步驟同(2).

(5)a.在滯后④部一段距離后，開挖⑤部；b.隧底周邊部分初噴4 cm厚混凝土；c.接長(zhǎng)臨時(shí)鋼拱架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度；d.安設(shè)型鋼鋼架之仰拱單元.

(6)開挖⑥部并施作導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)，步驟及工序同(5)并使用鋼拱架封閉成環(huán).

(7)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后拆除臨時(shí)鋼架及上部臨時(shí)橫撐.

(8)灌注二襯(拱墻襯砌一次施作).

圖2 隧道施工步序圖

CRD法施工所涉及的因素很多，本文主要針對(duì)三方面進(jìn)行研究，分別為超前管棚支護(hù)參數(shù)和掌子面加固方式以及開挖尺寸.原設(shè)計(jì)超前管棚支護(hù)：環(huán)向120°設(shè)置Φ108雙層大管棚，每根長(zhǎng)40 m，管棚間距40 cm，共80根，壁厚6 mm.掌子面采用噴射混凝土加固.進(jìn)尺步距：1.0 m.

超前管棚支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化選擇(1、采用Φ108雙層大管棚，每根長(zhǎng)70 m；2、采用Φ108雙層大管棚，每根長(zhǎng)40 m；)；進(jìn)尺步距(1、0.5 m，2、1.0 m)；掌子面預(yù)加固(1、掌子面噴射混凝土，2、掌子面施作玻纖錨桿加固)在其他參數(shù)一致的前提下，對(duì)不同的選擇進(jìn)行對(duì)比分析.

定義初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)70 m，掌子面施作玻纖錨桿加固，進(jìn)尺步距0.5 m為S1；初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)70 m，掌子面施作玻纖錨桿加固，進(jìn)尺步距1.0 m為S2；初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)70 m，掌子面噴射混凝土加固，進(jìn)尺步距0.5 m為S3；初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)70 m，掌子面噴射混凝土加固，進(jìn)尺步距1.0 m為S4；初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)40 m，掌子面施作玻纖錨桿加固，進(jìn)尺步距0.5 m為S5；初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)40 m，掌子面施作玻纖錨桿加固，進(jìn)尺步距1.0 m為S6；初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)40 m，掌子面噴射混凝土加固，進(jìn)尺步距0.5 m為S7；初支采用Φ108雙層大管棚，長(zhǎng)40 m，掌子面噴射混凝土加固，進(jìn)尺步距1.0 m(即原設(shè)計(jì)).

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)隧道建模的原則，選取高速公路下穿段115 m長(zhǎng)隧道為研究對(duì)象，隧道下邊界取45 m，左右邊界取45 m，模型左右邊界施加X(jué)方向的位移約束，前后邊界施加Y方向的位移約束，底部施加Z方向的位移約束，具體模型如圖3所示.土層采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行模擬[8～10]，支護(hù)結(jié)構(gòu)材料采用彈性模型，采用拉格朗日有限差分FLAC程序進(jìn)行模擬[11]，對(duì)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行合理提升，材料的具體參數(shù)見表1.

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖4為各個(gè)工況模擬的豎向位移云圖.結(jié)合表2可以看出:采用優(yōu)化后的CRD法可以較好的控制地表沉降，以滿足設(shè)計(jì)要求.

圖3 數(shù)值計(jì)算模型圖

表1 圍巖物理指標(biāo)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 Z方向位移云圖

表2 豎向位移

通過(guò)S1與S3、S2與S4、S5與S7對(duì)比，可知對(duì)掌子面施作玻纖錨桿相對(duì)噴射混凝土可以較好的增強(qiáng)超前核心土的強(qiáng)度，以更好的控制地表沉降；通過(guò)S1與S2、S3與S4、S5與S6可得出，減小開挖尺寸可使初襯盡早的封閉，降低圍巖暴露時(shí)間，減小圍巖擾動(dòng)，使得地表沉降降低；通過(guò)S1與S5、S2與S6、S3與S7對(duì)比可知，長(zhǎng)管棚支護(hù)相對(duì)分段管棚支護(hù)可以減少對(duì)巖體的擾動(dòng)和增強(qiáng)粱拱效應(yīng)，從而更有效的控制地表沉降.由于施作玻纖錨桿的工序復(fù)雜，成本高，現(xiàn)場(chǎng)施作困難，而及時(shí)對(duì)掌子面噴施混凝土雖達(dá)不到玻纖錨桿的效果，但足以加強(qiáng)超前核心土的強(qiáng)度，綜合考慮，S3工況既能較好的控制沉降，又能節(jié)省成本，是最經(jīng)濟(jì)最有效的方法.

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析

結(jié)合前期的工程開挖的數(shù)值優(yōu)化建議和工程的基本實(shí)際情況，本工程最終采用優(yōu)化CRD法進(jìn)行下穿高速公路段開挖.圖5和圖6分別給出斷面D1K392+275和斷面D1K392+275的地表累計(jì)沉降曲線.當(dāng)開挖至D1K392+275時(shí)，由于對(duì)巖層的擾動(dòng)沉降量逐漸增大，隨著開挖的推進(jìn)，長(zhǎng)管棚發(fā)揮作用，地表沉降趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降在6 mm之內(nèi).當(dāng)未開挖至D1K392+370斷面時(shí)，由于輕微的擾動(dòng)地表稍有沉降，隨著深入開挖至接近斷面時(shí)，沉降的速率逐漸增大，隨著擾動(dòng)的減小，支護(hù)的穩(wěn)定，地表沉降累計(jì)趨于穩(wěn)定，點(diǎn)C的累計(jì)沉降最大，趨于26 mm，各個(gè)斷面(不一一列舉)最大的累積沉降值均小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值40 mm.說(shuō)明采用優(yōu)化后的CRD法施工是可行的，監(jiān)控結(jié)果與模擬結(jié)果具有一致性.

圖5 D1K392+275斷面地表沉降累計(jì)監(jiān)測(cè)值

圖6 D1K392+370斷面地表沉降累計(jì)監(jiān)測(cè)值

5 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)對(duì)該隧道下穿高速公路段進(jìn)行計(jì)算分析表明，采用優(yōu)化后的CRD法在淺埋下穿隧道施工中能較好的控制地表沉降與隧道變形.

(2)本文推薦的施工方法對(duì)于類似的工程研究值得進(jìn)一步嘗試與應(yīng)用，在安全風(fēng)險(xiǎn)控制方面具有一定的優(yōu)勢(shì).

(3)建議在類似的隧道施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制高速公路上的行車速度與車輛的載重，加強(qiáng)洞內(nèi)外的監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)的修改設(shè)計(jì)參數(shù)，保證施工安全.

需要指出的是：本文推薦的施工方法僅初次應(yīng)用于實(shí)際工程中，未進(jìn)行廣泛推廣，使用時(shí)需對(duì)于施工工期、施工工序、施工效率等進(jìn)一步改善與優(yōu)化，運(yùn)用時(shí)需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況不斷的改進(jìn)優(yōu)化.

[1] 尚武孝.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖Ⅴ級(jí)圍巖隧道過(guò)程中地表沉降規(guī)律研究[J].城市道橋與防洪，2014(12):176-196.

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Construction Technology for Shallow Buried Railway Tunnels Passing Underneath Expressways

QIU Lei，WANG Zhi-bin，WU Biao，HU Zhi-peng,ZHANG Zong-tang

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

According to a real engineering tunnel, the study optimizing the construction technique of shallow under-crossing tunnel is carried out. Construction method of CRD is applied in this project. The site monitoring data of ground settlement and crown settlement in front of the crossing area show that the ground settlement can’t be controlled efficiently and the design standard and requirement for the safety of construction can not be reached when going through the under-crossing area, so it is a must to optimize the present construction scheme. By applying 3D numerical simulation to the optimized construction scheme, studying the availability of different construction schemes and the affection caused by the ground settlement, and combining the site monitoring data, it is certified that the ground settlement can be controlled in 40mm by carrying out the scheme reinforcing the lead pipe-shed support and solidifying of the working face and decreasing the excavation step pitch.

method of CRD; shallow under-crossing；numerical simulation；optimize construction

2016-10-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408216) ；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14JJ4046)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2016B561).

邱 磊(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：巖土工程.

TU94+1

A

1671-119X(2017)01-0085-06