隧道淺埋下穿高速公路橋梁墩臺沉降分析及控制技術

本文以中老鐵路玉溪至磨憨段勐養(yǎng)隧道淺埋下穿思小高速公路橋梁為背景，采用Midas有限元軟件對該段進行數(shù)值模擬，分析地面及橋梁樁臺在不同的注漿加固工況下的沉降變形，優(yōu)化支護參數(shù)，確定施工工藝和加固方案，并和現(xiàn)場實際監(jiān)控量測數(shù)值進行對比，驗證數(shù)值模擬的合理性，為今后同類工程提供借鑒參考。

In this paper， a bridge of Simao–Xiaomengyang Expressway over the shallow Mengyang Tunnel of Yuxi–Mohan Section of China–Laos Railway was taken as a study case， for which numerical simulation was made with Midas finite element software， to analyze the settlement and deformation of the ground and the bridge piles under different grouting reinforcement conditions. Then the support parameters were optimized， and the construction technology and reinforcement scheme were developed. Finally， the actual monitoring and measurement values on-site were compared with the numerical simulation results， to verify the rationality of this simulation. The conclusion will provide a reference for similar projects in the future.

近年來，隧道開挖引起的地表及既有公路等構筑物的沉降變形一直都是隧道設計及施工需要解決的難題。本文以中老鐵路玉溪至磨憨段勐養(yǎng)隧道淺埋下穿思小高速公路橋梁為背景，采用Midas有限元軟件對該段進行數(shù)值模擬，根據數(shù)值模擬計算分析，得到地表及橋梁墩臺沉降值，并結合現(xiàn)場實際監(jiān)控量測沉降值對比，Midas有限元數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)值較為吻合。研究表明：針對采用淺埋礦山法施工的隧道，地表不進行注漿加固、隧道內不進行超前加強支護時，地表及墩臺沉降最大，反之沉降最小，且地表注漿加固對地表沉降控制效果優(yōu)于洞內措施加強，淺層地表注漿加固對隧道內沉降影響不大。

一、工程概況

（一）新建隧道及既有高速公路橋梁概況

勐養(yǎng)隧道位于云南西雙版納傣族自治州景洪市境內，野象谷附近，進口里程為DK332+460，出口里程為DK345+999，全長13539m。為設計時速160km雙線隧道。勐養(yǎng)隧道下穿思小高速公路段為Ⅴ級圍巖，復合式襯砌，隧道開挖寬約13.5m、高11.9m，初支厚29cm，采用I22b型鋼鋼架，二次襯砌厚60cm，三臺階法開挖。

既有高速橋梁位于思小高速公路段，為雙向四車道高速公路，路面寬21.5m，為目前連接中國和老撾的唯一高速通道，交通量極大。隧道下穿思小高速公路橋梁中心里程K87+705，該橋孔徑布置為：上下行線均為5孔30米T型連續(xù)梁橋，4#橋墩中心里程K87+750，為雙柱樁柱式橋墩，樁基礎樁徑1.6m，樁長20m，樁底高程780.112m～782.319m;5#橋臺臺前里程K87+780，為重力式橋臺，明挖擴大基礎，橋臺擴大基礎底高程左幅807m、右幅804.5m。

（二）橋隧位置關系

隧道于DK341+134處，從高速4#橋墩與5#橋臺之間下穿而過，鐵路與公路的平面交角約71°，高速公路行車路面寬約21.5m，橋面寬度對應隧道范圍為DK341+123～+145段22m，該段隧道邊緣與公路4#墩樁基最近水平距離為7.05m，樁底高程與隧道拱頂基本齊平，與5#橋臺最小水平距離1.77m，與橋臺擴大基礎底最小水平距離0.77m，隧道拱頂與橋臺底部豎向距離22.76m。

（三）工程地質

交叉段上覆第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）碎石土，沖洪積層（Q4al+pl）淤泥質土、粉質黏土、圓礫土，坡殘積層（Q4dl+el）粉質黏土;下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)壩注路組（J3b）泥巖，紫紅色夾灰綠色，泥質結構，泥質膠結，巖質較軟，易風化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

二、隧道支護與地表注漿設計

（一）隧道支護

隧道下穿思小高速段采用三臺階法加臨時仰拱進行施工，機械開挖，襯砌類型為V級加強型復合襯砌，全環(huán)采用I22b型鋼鋼架，鋼架間距0.5m/榀。拱墻范圍施作一環(huán)Φ108大管棚及大外插角Φ42小導管進行超前支護。大管棚壁厚8mm，長45m，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)63根，外插角1°～3°。大管棚內設置鋼筋籠，鋼筋籠采用4Φ20HRB400級鋼筋固定連接而成。大外插角Φ42超前小導管，壁厚3.5mm，外插角40°，每根長6m，環(huán)向間距1.0m，縱向每4m一環(huán)，每環(huán)25根。注漿材料采用水泥漿，水灰比=0.8：1。

（二）地表注漿加固

對隧道下穿高速公路橋梁段兩側地表采用Φ108鋼管樁注漿加固，4#墩左幅距離隧道開挖輪廓線較近，采用斜向+豎向注漿結合方式。豎向注漿加固區(qū)范圍：隧道線路右側開挖輪廓線2m以外進行地面注漿加固，順橋向4m，橫橋向12m;斜向注漿加固區(qū)范圍：順橋向約4m，橫橋向11m，共布設5×5排鋼管樁，注漿孔間距0.5m（橫橋向）*1m（順橋向），終孔間距按照3m控制，斜向注漿孔與水平面夾角75°～87°，梅花型布置。注漿深度均至隧道仰拱底，豎向注漿區(qū)平均鉆孔注漿深約34m，斜向注漿區(qū)平均鉆孔深36m。

5#橋臺采用斜向注漿，范圍：順橋向臺前擴大基礎外5m至右幅橋臺臺后2m，橫橋向與高速路面水平投影同寬，加固面積為26.06m×22.52m，注漿深至對應里程處隧道拱頂以上2m;Φ108鋼管樁采用發(fā)散布置形式，終孔間距3m，注漿孔與水平面夾角15°～72°。5#橋臺斜向注漿加固區(qū)最小鉆孔深約23m，最大鉆孔深約32m。

三、數(shù)值模擬與沉降分析

（一）橋隧參數(shù)

1.高速公路參數(shù)：

思小高速公路汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級。汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成，車道荷載由均布荷載qk和一個集中荷載Pk組成。結構整體計算應采用車道荷載。

公路-Ⅰ級車道荷載的均布荷載標準值為qk=10.5kN/m。集中荷載標準值Pk按以下規(guī)定選?。?/p>

橋涵計算跨徑L0≤5m，Pk=180kN;

L0≥50m，Pk=360kN;

5<L0<50m，Pk值采用直線內插求得。

思小高速公路橋梁4#橋墩基礎設計為一排4根樁徑160cm的樁基礎，樁長20m，鋼筋混凝土結構?？紤]車道荷載以及上部單跨30m長T型梁重量荷載，單根樁按照承受1200kN集中荷載進行分析。5#橋臺高5.83m，底面寬3.5m，為雙臺階擴大基礎，每臺階厚1.0m，底面尺寸11m×6m，埋深2.5m，考慮車道荷載及上部半跨15m長T型梁重量荷載，橋臺荷載采用800kN/m進行模型分析。

2.隧道支護參數(shù)

勐養(yǎng)隧道下穿高速公路段襯砌類型為Ⅴ級復合式襯砌，初支全環(huán)設置工22b鋼架，間距0.5m/榀，二襯為C40鋼筋混凝土，厚60cm。

初期支護彈性模量按照噴射混凝土和鋼架折合計算。由于噴射混凝土和鋼拱架是緊裹在一起的，共同變形、共同受力，所以鋼拱架根據鋼筋混凝土計算原理采用等效截面計算，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，其計算方法為：

式中：E’h為考慮鋼拱架后噴射混凝土彈性模量;

E?h為原始噴射混凝土彈性模量，C25混凝土為30GPa;

Ag為鋼拱架截面積;

Eg為鋼拱架彈性模量，取200GPa;

Ah為噴射混凝土截面積。

計算得到鋼拱架與噴射混凝土共同作用綜合彈性模量E’h為35.86Gpa。

大管棚超前支護注漿加固區(qū)厚度按照以下公式計算：

式中：D為大管棚注漿加固區(qū)厚度;

R為漿液擴散半徑;

S為相鄰兩注漿孔間距，取0.2m。

漿液擴散半徑由下式計算：

L?為管棚中心距，為0.4m。

經計算得到大管棚加固區(qū)厚0.5m。圍巖注漿后其粘聚力可提高2～3倍，根據地質情況綜合考慮，計算中對加固區(qū)的彈性模量E提高一倍（2.5×106kPa）處理，按照彈性體分析。

（二）計算模型

1.模型說明

分別選取上行線樁基礎和下行線橋臺與隧道開挖外輪廓最小距離的斷面位置關系進行分析。

計算模型中地層和橋梁基礎采用平面應變單元模擬，隧道襯砌采用梁單元，為理想彈性體;本構模型為摩爾-庫倫彈塑性體;隧道三臺階開挖過程采用鈍化對應臺階單元網格來實現(xiàn)，隧道支護采用激活對應的網格進行模擬，橋梁墩臺所受荷載采用集中荷載，對模型左右兩側進行水平向約束，底部進行水平向和豎向約束，以模擬大地半無限體。

根據圣維南原理，在進行隧道數(shù)值仿真時，為保證邊界條件，根據不同的施工條件和地質情況，模型大小應取開挖洞室尺寸B的3～5倍，以保證模型邊界的位移基本為零。本次模型豎向范圍模型計算深約50m，上側取至自然地面，下側取至隧道仰拱底15m，橫向橋臺一側取至隧道邊墻外20m，樁基一側取至隧道邊墻外25m。以足夠大的范圍保證計算精度，隧道與橋梁4-1#樁基礎、5#橋臺最小水平距離分析模型如圖所示：

橋梁為既有運營中，分析時橋梁及墩臺荷載和地層合并為初始地應力狀態(tài)。分析隧道開挖對橋梁影響的二維有限元分析的具體施工階段如圖：

2.工況分析

本文選取三種不同的工況進行分析比較，三種工況橋隧斷面位置關系不變。

工況一：隧道不進行超前支護等洞內加強支護措施，地表不進行注漿加固，為天然地層;

工況二：隧道內進行Φ108大管棚超前注漿支護，地表不進行注漿加固，為天然地層;

工況三：隧道內進行Φ108大管棚超前注漿支護，地表進行注漿加固，注漿加固后地層力學參數(shù)同W3泥巖地層力學參數(shù)。

3.參數(shù)選取

（三）位移分析

1.整體位移

隧道二襯施作后工況一條件下模型整體最大位移出現(xiàn)在橋臺臺后人工填土區(qū)域及隧道拱部上方地表，約20mm，工況二和工況一整體位移近乎相等。工況三條件下整體最大位移位于隧道拱部，最大約8.2mm。

2.隧道襯砌位移

三種工況下隧道襯砌最大總位移分別為8.8mm、8.0mm、7.4mm，均位于拱頂。

隧道在三種不同工況下的位移統(tǒng)計如下圖，其中豎向沉降位于拱頂，仰拱發(fā)生向上的隆起變形。

工況一和二條件下，勐養(yǎng)隧道開挖支護后橋梁4#墩樁基礎最大位移沉降位于樁頂，分別為2.2mm和2.3mm，工況三條件下，樁基礎最大位移為1.2mm，位于樁底。

三種工況條件下，勐養(yǎng)隧道開挖支護后橋梁5#橋臺最大位移沉降均位于臺頂承受梁端荷載處，最大總位移分別為15.1mm、15.4mm和5.2mm。

從上圖看出，工況三橋梁墩臺周邊地表注漿加固后，地表沉降位移、橋梁墩臺位移、隧道襯砌位移均不同程度減小，對地表沉降量及橋梁墩臺位移影響較為顯著，對隧道襯砌位移影響較小，地表注漿加固后橋臺位移及地表沉降量大幅減小，效果顯著。隧道施工對4#墩樁基礎影響不大，對橋臺影響較大。

勐養(yǎng)隧道下穿思小高速公路段正洞施工期間地表監(jiān)測最大沉降約10mm，最小沉降約3mm。施工期間高速橋梁墩臺沉降觀測最大沉降量為4號墩約1.9mm，橋臺最大沉降約1.1mm。

根據數(shù)值模擬計算分析，得到地表及橋梁墩臺沉降值，并結合現(xiàn)場實際監(jiān)控量測沉降值對比，Midas有限元數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)值較為吻合，整體數(shù)據可靠。

四、結語

（一）地表不注漿加固、隧道內不進行超前支護時，地表及樁臺沉降最大，地表、橋墩、橋臺沉降值分別為：20.2mm、2.2mm、15.1mm，隧道及地表加固后，對應沉降值減小為8.2mm、1.2mm、5.2mm，較未采取加固措施時分別減小59%、45%、66%，加固效果顯著。

（二）通過對工況二、三的數(shù)值模擬結果對比分析，淺埋隧道地表覆土較厚時支護措施對地表樁臺沉降控制效果遠小于地表注漿加固對樁臺沉降的控制效果，地表注漿加固對橋梁墩臺沉降控制效果更為顯著。

（三）通過對工況二和工況三的隧道沉降數(shù)值模擬結果對比分析，地表注漿前后隧道襯砌位移沉降值變化不大，隧道施工期間淺埋地表是否注漿加固對隧道洞內沉降變形效果不顯著，應注重洞內加強支護措施。

劉強

中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司

Liu Qiang， Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd. of CREEC