淺埋大斷面黃土隧道下穿公路安全施工技術(shù)

吳高騰

(中鐵二十五局集團(tuán)公司，廣東 廣州 510600)

隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，隧道工程的數(shù)量越來越多。在隧道的建設(shè)過程中，不可避免地會(huì)下穿建(構(gòu))筑物，其中，隧道下穿公路是常見的情況。特別是在隧道覆蓋層較薄的淺埋情況下，隧道開挖擾動(dòng)地層，隧道產(chǎn)生的變形很容易傳導(dǎo)到地面，可能會(huì)引起路面沉降過大而影響公路正常使用。因而，必須采取合理的施工技術(shù)措施才能將隧道施工對公路路面產(chǎn)生的不利影響控制在允許范圍之內(nèi)，以保證公路能夠正常運(yùn)營[1]。

1 工程概況

周山隧道為保護(hù)周山森林公園環(huán)境而下穿周山。隧道地處黃土地區(qū)，采用分離式雙洞結(jié)構(gòu)。隧道左洞長1 950 m，起訖里程為 ZK1+780～ZK3+730；右洞長1 931 m，起訖里程為 YK1+780～YK3+711。隧道設(shè)計(jì)為雙向六車道，最大埋深70 m，平均埋深40～45 m，最大開挖跨度及高度分別為16.02 m和11.44 m(不含預(yù)留變形量)。隧道兩次下穿孫辛路，右洞第2次下穿公路里程YK3+490，隧道中線與路面中線夾角約25°，下穿公路影響段隧道平均埋深20.2 m，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

隧道右洞下穿公路影響區(qū)段地層情況自上而下主要為：雜填土層，厚0.6～1.8 m；第四系全新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)粘土層，褐黃色，硬塑狀，層厚約17.8～22.4 m；鈣質(zhì)膠結(jié)層，灰白色，堅(jiān)硬，巖芯多呈塊狀，塊徑2～6 cm，局部呈短柱狀，層厚約8.9 m。隧道洞身主要位于第四系全新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)粘土層之內(nèi)，下部為鈣質(zhì)膠結(jié)層。

孫辛路為市政道路，無填筑路基，路面高出自然地表約50 cm，路面結(jié)構(gòu)為面層、基層和墊層。

2 隧道下穿施工方案選擇

2.1 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

由于周山隧道右洞第2次下穿公路段埋深較淺，開挖跨度大，隧道施工引起的變形很容易傳導(dǎo)至地表，出現(xiàn)過大沉降而影響公路運(yùn)營，因此此段隧道斷面設(shè)計(jì)為強(qiáng)支護(hù)。初期支護(hù)參數(shù)：C25噴纖維混凝土厚度28 cm，鋼拱架采用I20b型鋼鋼架，縱向間距0.6 m；單層?8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；?22 mm水泥藥卷錨桿，環(huán)、縱向間距均為1.0 m，拱部及邊墻錨桿長分別為2.5 m和4.0 m，梅花形布置。二次襯砌為厚度60 cm的C30鋼筋混凝土。下穿公路段隧道復(fù)合式襯砌斷面如圖1所示。

圖1 下穿公路隧道斷面支護(hù)參數(shù)(單位：cm)

2.2 下穿施工方案比選

隧道下穿構(gòu)筑物施工方法的選擇主要取決于地表構(gòu)筑物對地表沉降的敏感程度、隧道埋深、圍巖的工程力學(xué)特性、隧道斷面幾何形狀及尺寸，以及隧道支護(hù)參數(shù)等。

對于淺埋隧道來說，超前支護(hù)是防止隧道出現(xiàn)過大變形、承擔(dān)部分早期圍巖壓力的重要措施[2]。大管棚超前支護(hù)剛度大，抵抗圍巖變形的能力也比較強(qiáng)。但如果在洞內(nèi)采用大管棚超前支護(hù)，由于管棚鉆機(jī)的構(gòu)造需要，要求在施工大管棚之前對隧道進(jìn)行擴(kuò)挖形成管棚鉆機(jī)工作室以保證管棚的安裝位置。這就額外增加了工程成本，而且在淺埋段進(jìn)行斷面擴(kuò)大也不利于隧道穩(wěn)定，考慮到下穿段地層為含水量很低的干硬狀態(tài)的粉質(zhì)粘土，確定采用施工較為簡便的密排注漿小導(dǎo)管對隧道進(jìn)行超前支護(hù)。

對于大跨黃土隧道，主要施工方法有三臺(tái)階法、中隔壁法(CD)、交叉中隔壁法(CRD)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等[3]，其特點(diǎn)比較列于表1。

表1 4種工法對比

通過表1對4種工法特點(diǎn)的對比，確定采用CRD法下穿公路施工。

CRD法施工以“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、緊封閉”為原則進(jìn)行施工，主要施工歩序(見圖2)為：利用已架立的鋼架施作注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)，小導(dǎo)管采用?42 mm長5 m的無縫鋼管，環(huán)向間距4根/m；開挖斷面左上部①，架立初支鋼架(I20b)及臨時(shí)支護(hù)鋼架(I18)Ⅰ，間距0.6 m，噴層厚20 cm，打設(shè)兩側(cè)拱腳?42 mm鎖腳注漿錨管，每側(cè)2根，分次噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，實(shí)現(xiàn)斷面①部支護(hù)封閉；開挖斷面左下部②，接長支護(hù)鋼架及中隔壁鋼架Ⅱ，打設(shè)左側(cè)墻角鎖腳錨管，分次噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度；依次開挖③及④部，施作支護(hù)Ⅲ及Ⅳ支護(hù)；分段拆除臨時(shí)支護(hù)施作仰拱Ⅴ和仰拱填充Ⅵ，最后按9 m分段拆除臨時(shí)支護(hù)，澆筑拱墻Ⅶ，完成隧道施工。在隧道下穿公路施工過程中加強(qiáng)洞內(nèi)隧道變形及地表路面沉降觀測。

圖2 下穿公路段隧道施工順序

3 隧道下穿公路三維數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

為減少邊界約束效應(yīng)，計(jì)算范圍按左右邊界距隧道中心線距離3～5倍洞徑考慮。指定沿隧道軸線開挖方向?yàn)閥軸正向，豎直向上為z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向右方向?yàn)閤軸正向，整個(gè)計(jì)算模型在x、y、z三個(gè)方向尺寸為100 m×60 m×58 m(隧道拱頂?shù)侥Ｐ蜕媳砻娴木嚯x為20.2 m)，模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界，公路路面施加交通荷載。

圍巖、初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元來模擬。注漿超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)簡化為拱部150°加固圈，厚度為0.5 m。數(shù)值模型共劃分了139 178個(gè)節(jié)點(diǎn)和12 330個(gè)單元。路面車輛荷載按照均布考慮，取20 kPa[4]，荷載按道路走向布滿整個(gè)路面，路面寬度17 m。

圍巖及加固圈視為摩爾—庫侖理想彈塑性材料，支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)均視為彈性材料。鋼架采用I20b全環(huán)設(shè)置，間距為0.6 m，初期支護(hù)為28 cm厚的C25噴射混凝土，鋼架在計(jì)算模擬時(shí)根據(jù)抗彎剛度等效原理來提高初期支護(hù)的彈性模量。圍巖物理力學(xué)參數(shù)參照地質(zhì)資料及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)選取，隧道超前支護(hù)采用超前管棚加固，地層和支護(hù)的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

3.2 模擬施工步驟

隧道注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)每次施工4.8 m，開挖3.0 m，開始施工下一循環(huán)的超前支護(hù)，相鄰兩次超前支護(hù)搭接1.8 m。

CRD法施工具體施工分部及施工順序見圖2。模型模擬計(jì)算每開挖進(jìn)尺0.6 m，初期支護(hù)滯后一個(gè)開挖循環(huán)，即每一循環(huán)開挖時(shí)同時(shí)施作上一循環(huán)的支護(hù)；分部②滯后分部①3.6 m，分部③滯后分部②3.6 m，分部④滯后分部③3.6 m。為最大限度減少邊界約束對計(jì)算結(jié)果的影響，數(shù)值模擬分析的目標(biāo)面設(shè)在模型的中間位置(y=30 m處)。模擬分析中沒有考慮二襯施工。在每一計(jì)算步中記錄目標(biāo)斷面地表及拱頂沉降位移。

表2 地層和支護(hù)的物理力學(xué)性能指標(biāo)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 變形分析

模擬隧道施工過程中，模型目標(biāo)斷面處地表沉降及拱頂沉降隨計(jì)算步的變化曲線如圖3所示。

圖3 拱頂及地表點(diǎn)沉降曲線

從圖3可以看出，在CRD第一部尚未開挖到目標(biāo)斷面時(shí)，拱頂及地表均已經(jīng)出現(xiàn)沉降，在開挖面經(jīng)過目標(biāo)斷面時(shí)沉降速率顯著增大，而且拱頂沉降速率顯著大于地表沉降速率。隨著開挖面逐漸離開目標(biāo)斷面，拱頂沉降速率顯著減小并趨于穩(wěn)定，拱頂沉降最大值為47.4 mm，地表沉降為31.5 mm。

姚宣德等[4]通過對城市地鐵區(qū)間隧道施工引起路面沉降的統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，路面沉降35 mm不會(huì)影響路面的正常使用。王文勝依據(jù)路面破損指數(shù)PCI(pavement condition index)和隧道下穿公路施工引起路面最大沉降位移之間的關(guān)系得到，在路面最大沉降位移小于33.6 mm[5]時(shí)，路面可以保持良好狀態(tài)，因此可以認(rèn)為CRD施工引起的路面沉降不會(huì)影響公路正常使用。

3.3.2 支護(hù)受力

模型模擬隧道開挖支護(hù)完成后，目標(biāo)斷面處初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)主應(yīng)力分布

從圖4可以看出，隧道模擬開挖及支護(hù)后，目標(biāo)斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱部與中隔壁交叉位置左下側(cè)及右側(cè)拱肩靠上位置外側(cè)，最大拉應(yīng)力為2.99 MPa。由于初期支護(hù)中鋼架采用I20b型鋼縱向間距0.6 m及臨時(shí)支護(hù)采用I18工字鋼，剛度遠(yuǎn)大于噴混凝土層，鋼架必將先于噴混凝土層開始受力，因此初期支護(hù)中的拉應(yīng)力首先由鋼架承擔(dān)。支護(hù)結(jié)構(gòu)中的最大壓應(yīng)力主要由中隔墻承擔(dān)，最大壓應(yīng)力為6.46 MPa；而初期支護(hù)中最大壓應(yīng)力為5.35 MPa，在側(cè)邊墻內(nèi)側(cè)。由此可見，CRD工法中的中隔墻對于限制拱頂及地表下沉具有重要作用，因而在隧道下穿構(gòu)筑物時(shí)，CRD法是經(jīng)常被采用的可以有效控制隧道變形的工法之一。

3.3.3 圍巖塑性區(qū)

圖5為模型完成施工及支護(hù)計(jì)算模擬后，目標(biāo)斷面上隧道斷面周邊地層的塑性區(qū)分布特征。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布

由于地表交通荷載分布、隧道開挖及支護(hù)均非對稱，因而塑性區(qū)的分布也顯著不對稱，尤其在隧道兩側(cè)拱肩處更為顯著：右側(cè)拱肩處圍巖塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)大于左側(cè)塑性區(qū)，因而導(dǎo)致右側(cè)支護(hù)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，但仍在安全范圍之內(nèi)。

4 隧道下穿施工效果

周山隧道在第2次下穿孫辛路時(shí)采用注漿小導(dǎo)管(4根/m)對開挖面前方地層進(jìn)行超前支護(hù)后再采用CRD工法進(jìn)行隧道開挖和支護(hù)。在隧道下穿施工過程中對隧道拱頂及地表路面進(jìn)行沉降位移監(jiān)測，測得隧道上方孫辛路路面的最大沉降量為27.6mm，隧道拱頂?shù)淖罱K沉降位移為43.8mm，實(shí)測結(jié)果略小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。路面最終沉降值小于一般城市道路路面沉降控制值35mm或33.6mm，這說明采用交叉中隔壁(CRD)工法下穿孫辛路的施工方案是合理的，保證了隧道施工安全和地表公路的正常使用。

5 結(jié)論

周山隧道淺埋段下穿市政道路。由于隧道工程區(qū)地處黃土地區(qū)，為典型的松散地層，且埋深淺，斷面開挖跨度大，隧道下穿施工極易引起道路路面過大沉降，從而影響正常行車。隧道下穿施工完成后的路面最大沉降僅有27.6 mm，小于已有的城市道路沉降控制值，保證了隧道施工安全和道路的正常通行。