金林隧道洞口淺埋段下穿村落施工工法選擇與應(yīng)用

張 建

(保利長(zhǎng)大工程有限公司， 廣州 511431)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通設(shè)施建設(shè)不斷向偏遠(yuǎn)山區(qū)延伸。由于受地形限制，隧道選線難免出現(xiàn)下穿村落建筑物的情況，而淺埋隧道施工對(duì)上地表建筑物及居民生活也有影響[1]。

不同的隧道施工方法引起地表沉降的差異較大，選擇合理的施工工法對(duì)控制變形尤為重要。本文結(jié)合金林隧道洞口淺埋段下穿村落民房，采用數(shù)值建模對(duì)不同施工方法下的地表建筑物及洞內(nèi)變形進(jìn)行對(duì)比分析[2]，以選擇適合的隧道施工方法，確保地表建筑物的安全[3]。在隧道施工過程中，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表建筑物地基及隧道洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)位移變化，并將二者結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[4]，相互驗(yàn)證，以供同類隧道施工參考。

1 工程概況

該項(xiàng)目起于云浮羅定市圍底鎮(zhèn)，與羅陽(yáng)高速連接，止于茂名高州荷花鎮(zhèn)，路線中途與包茂高速交叉，終點(diǎn)與廣西浦北至北流(清灣)公路對(duì)接，如圖1所示。

圖1 云茂高速公路平面布置

金林隧道位于信宜市錢排鎮(zhèn)，穿越構(gòu)造侵蝕中低山地貌，為分離式雙向4車道特長(zhǎng)隧道。左線隧道長(zhǎng)3 448 m，坡度-1.7%；右線隧道長(zhǎng)3 466 m，坡度-1.7%；進(jìn)口云浮端采用削竹式洞門，出口茂名端采用端墻式洞門，隧道最大埋深約333 m。

1.1 民用建筑物與隧道位置關(guān)系

金林隧道出口茂名端位于信宜市白石鎮(zhèn)，其主洞下穿白石鎮(zhèn)石村。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，距右洞洞口45 m～65 m處有3棟民房，此段隧道埋深為20 m～30 m，當(dāng)?shù)卮宓缽亩错斖ㄟ^，隧道施工對(duì)其影響較大，其位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 民房與金林隧道位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)概況

金林隧道茂名端洞口段地層巖性主要為第四系坡殘積粉質(zhì)粘土，加里東期全-微風(fēng)化花崗巖。坡殘積土層、全-強(qiáng)風(fēng)化巖巖質(zhì)極軟，遇水易軟化崩解，巖體破碎-較破碎，地下水位較高，易沿裂隙面出現(xiàn)滲流、流水、涌水。隧道洞口淺埋段洞頂分布較多民房，隧道開挖時(shí)對(duì)其影響較大。隧道下穿村落施工區(qū)段自上而下主要為粉質(zhì)粘土、殘坡積粉質(zhì)粘土、碎石，全風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，少量中風(fēng)化花崗巖，如圖3所示。金林隧道茂名端隧址區(qū)位于低緩丘陵區(qū)，地表水不發(fā)育，地下水類型為第四系松散層孔隙水，分別賦存于坡殘積層、基巖巖層中，地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流為主要排泄方式?？傮w而言，地下水較貧乏。

1.3 隧道施工對(duì)地表建筑物的影響

在綜合考慮工期及經(jīng)濟(jì)情況下，隧道采用下穿既有房屋的施工技術(shù)進(jìn)行隧道掘進(jìn)[5]，不拆遷。

地表建筑物安全性評(píng)價(jià)主要根據(jù)建筑物在隧道施工過程中產(chǎn)生的沉降、傾斜和水平變形3個(gè)方面考慮[6]。

隧道施工中下穿的村落建筑物為中低層建筑，大部分為磚砌結(jié)構(gòu)，建筑物設(shè)計(jì)級(jí)別不高，部分建筑物因建造質(zhì)量問題已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的裂縫。根據(jù)金林隧道工程特點(diǎn)，將施工對(duì)該磚混結(jié)構(gòu)的住房影響級(jí)別定為Ⅰ級(jí)，即墻壁出現(xiàn)或僅出現(xiàn)少量寬度小于4 mm的細(xì)微裂縫，且裂縫數(shù)量不多于3條，不需要修補(bǔ)可繼續(xù)使用[7]。因此，需要控制隧道下穿施工引起的建筑物的沉降，重點(diǎn)是差異沉降。為此，根據(jù)民房建筑物的結(jié)構(gòu)及建筑材料的力學(xué)特征，建立其變形控制指標(biāo)，如表1所示。

2 有限元模型計(jì)算

2.1 3種工法隧道施工數(shù)值模型

金林隧道按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)以噴、錨、網(wǎng)為主，二次襯砌為模筑混凝土[8]。右洞下穿房屋段位于樁號(hào)YK66+763～YK66+783。隧道結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)如圖4所示。隧道為分離式隧道，下穿段施工過程中先對(duì)右洞進(jìn)行施工，由于下穿段距洞口距離為45 m～65 m，按照規(guī)范[8]要求，隧道左洞不能與右洞同時(shí)進(jìn)洞施工，數(shù)值建模按真實(shí)施工情況進(jìn)行，因此只進(jìn)行了右洞施工下穿建筑物的模擬。

為分析不同隧道開挖方法在隧道施工過程中的影響[9-12]，采用Midas/GTS軟件對(duì)CD法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、臺(tái)階法分別建立數(shù)值計(jì)算模型，并進(jìn)行施工階段的有限元模擬計(jì)算。

根據(jù)彈性力學(xué)邊界效應(yīng)規(guī)定：模型計(jì)算邊界取3～5倍的開挖寬度。本模型建模范圍橫向?qū)挾热?12 m，開挖縱向取25 m，豎向高度取57 m。巖土體計(jì)算采用莫爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，初期支護(hù)、二次襯砌及小導(dǎo)管、錨桿、鋼拱架采用各向同性-彈性本構(gòu)模型，如圖5所示。地表建筑物采用鋼筋混凝土實(shí)體單元、初期支護(hù)采用2D板單元、鋼拱架采用梁?jiǎn)卧?、錨桿采用植入式桁架單元、超前小導(dǎo)管采用植入式梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

單位：m

表1 地表房屋變形控制指標(biāo)

單位：cm

單位：m

模型的邊界條件:左右邊界兩側(cè)施加了X方向和Y方向的水平約束，模擬兩側(cè)巖土體的約束；下邊界施加Z方向的豎向約束，模擬下側(cè)巖土體的約束；上邊界為自由邊界。網(wǎng)格劃分時(shí)，分別對(duì)隧道的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行加密，隧道區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格密度取為0.6 m，隧道外圍網(wǎng)格密度取為2.5 m。計(jì)算力學(xué)參數(shù)取自金林隧道地勘報(bào)告，如表2所示。

工況1：環(huán)形開挖預(yù)留核心土方法。開挖進(jìn)尺為1.2 m，施工步序如下：1) 開挖上部環(huán)形土；2) 支護(hù)上部鋼拱架，打錨桿、超前小導(dǎo)管，噴射混凝土；3) 開挖核心土；4) 開挖左下臺(tái)階、施作左下臺(tái)階的初期支護(hù)；5) 開挖右下臺(tái)階、施作右下臺(tái)階的初期支護(hù)。

表2 模型物理力學(xué)參數(shù)

工況2：臺(tái)階法。

工況3：CD法。

隧道實(shí)際施工中采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，后2種工況通過數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析。3種工法隧道開挖模型如圖6(a)～(c)所示。

隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土厚26 cm+鋼筋網(wǎng)片Φ6(20 cm×20 cm)+Φ25中注式錨桿長(zhǎng)3.5 m(間距100 cm×60 cm)+I20a工字鋼(縱向間距60 cm)；二次襯砌C25模筑混凝土厚50 cm，超前支護(hù)采用Φ42×4 mm小導(dǎo)管，長(zhǎng)4 m，環(huán)向間距40 cm，縱向間距2.4 m。初期支護(hù)鋼拱架、錨桿、小導(dǎo)管模型如圖6(d)所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

1) 隧道洞內(nèi)位移變化

以K66+775斷面為例，分別采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、臺(tái)階法、CD法進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析。3種不同施工方法在隧道斷面處完成開挖后的位移云圖如圖7所示，圍巖變形量情況如表3所示，位移變化情況如圖8所示。

(a) 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

(b) 臺(tái)階法

(c) CD法

(d) 鋼拱架、錨桿、小導(dǎo)管模型

(a) 環(huán)形開挖預(yù)留核心土施工豎向位移云圖

(b) 環(huán)形開挖預(yù)留核心土施工水平位移云圖

(c) CD法施工豎向位移云圖

(d) CD法施工水平位移云圖

(e) 臺(tái)階法施工豎向位移云圖

(f) 臺(tái)階法施工水平位移云圖

表3 3種不同施工方法下圍巖變形量 mm

從圖7可見，隧道開挖方法不同直接影響對(duì)隧道周邊圍巖的收斂，其中臺(tái)階法施工豎向和水平位移影響范圍最大，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法次之，CD法最小。

從表3可知，臺(tái)階法的拱頂最終下沉位移最大，為16.18 mm，水平周邊收斂位移為8.12 mm。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的拱頂下沉次之，為13.68 mm，水平周邊收斂位移為4.88 mm。CD法的拱頂下沉位移最小，為9.57 mm，水平周邊收斂位移最小，為4.56 mm。

從圖7和表3可知，CD法施工開挖斷面小且因中隔墻的分隔能有效控制拱頂和水平方向位移值，而臺(tái)階法施工一次開挖斷面大，不利于隧道拱部的穩(wěn)定，致使隧道周邊圍巖收斂值較大。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的拱頂和水平方向位移值介于兩者之間。

(a) 施工中拱頂下沉變化

(b) 施工中周邊收斂變化

從圖8(a)可見，臺(tái)階法施工引起拱頂下沉先快速增加而后趨于平緩；環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開始引起的拱頂下沉較小，待整個(gè)斷面開挖完成后拱頂下沉出現(xiàn)小范圍突增，而后緩慢增加，最后趨于平緩；CD法開始引起的拱頂下沉增加較緩，在右洞完全開挖時(shí)，拱頂下沉有部分突增，而后逐漸趨于平緩。3種工法施工全過程中，CD法引起的拱頂下沉最小。從圖8(b)可知，3種施工方法下，左右邊墻收斂位移變化隨開挖步變化規(guī)律較為一致，都在前期施工時(shí)收斂速率較大，而后逐漸趨于平緩。臺(tái)階法施工引起的邊墻收斂先快速增加，在隧道初期支護(hù)后二次襯砌施作前，出現(xiàn)增長(zhǎng)速率較快，幅值變化較大，在二次襯砌施作后最終趨于平緩；CD法施工引起的邊墻收斂先快速增加而后趨于平緩；環(huán)形開挖預(yù)留核心土法與CD法邊墻收斂大小和規(guī)律基本一致，先快速增長(zhǎng)，而后緩慢增加，最后趨于平緩。3種工法施工最終水平收斂值依舊是CD法的最小，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法次之，臺(tái)階法最大。

2) 隧道施工對(duì)地表建筑物的影響分析

L1OCd的偽隨機(jī)碼序列長(zhǎng)度是1 023，周期是2 ms。偽隨機(jī)碼是由兩個(gè)10級(jí)線性反饋移位寄存器DC1、DC2模二和產(chǎn)生的，DC1和DC2時(shí)鐘速率都為0.511 5 MHz，DC1從第 7、10個(gè)觸發(fā)器反饋，DC2從第3、7、9個(gè)觸發(fā)器反饋，寄存器移動(dòng)的方向是從低位到高位。DC1的初始狀態(tài)IS1是0011001000，DC2的初始狀態(tài)IS2根據(jù)衛(wèi)星編號(hào)的不同，范圍從0000000000一直到0000111111。

3種不同施工方法引起隧道上方地表及建筑物地基處的豎向位移變化曲線如圖9所示。從圖9可見，在臨近建筑物時(shí)，3種方法的地表沉降速率均較大，在建筑物正下方的地表沉降值最大，在離隧道中心線距離越遠(yuǎn)沉降值越小。由于建筑物位于隧道中心線上部及右側(cè)位置，因此右側(cè)地表沉降總體大于左側(cè)，其中臺(tái)階法地表沉降位移最大，其值為13.68 mm；環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖引起的地表沉降次之，最大值為11.32 mm；CD法開挖引起的地表沉降位移在這3種方法里最小，最大值沉降為8.38 mm。

圖9 3種工法隧道開挖引起的地表沉降變化曲線

由此可見，在隧道拱頂上方右側(cè)地表沉降值變化波動(dòng)較大，控制隧道上方建筑物的不均勻沉降尤為重要，建議施工過程中加強(qiáng)對(duì)地表沉降的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的地基加固措施。

據(jù)上分析可知，CD法對(duì)圍巖的擾動(dòng)最小，可有效減小因隧道開挖引起的拱頂下沉、水平周邊收斂和地表沉降現(xiàn)象，但CD法實(shí)際施工過程復(fù)雜繁瑣，加之圍巖上半部分為泥夾石，下半部分為中風(fēng)化花崗巖[13]，下部分步施工需采用爆破，該工法且需多次分部爆破，這對(duì)開挖輪廓線以外圍巖造成多次擾動(dòng)，且多次爆破產(chǎn)生的沖擊波和地震波對(duì)地表建筑物影響較大，不利于圍巖的穩(wěn)定，易造成房屋裂縫產(chǎn)生，甚至造成房屋不均勻沉降，導(dǎo)致房屋傾斜甚至倒塌，不利于建筑物結(jié)構(gòu)安全。因此，CD法不適合本隧道。臺(tái)階法施工位移變形量較大，存在較大安全隱患，也不適合。而環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工速度快，工序較簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，且能夠很好地控制隧道施工過程中圍巖變形。因此，綜合分析以上因素，選擇環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進(jìn)行施工[14]。

3 施工監(jiān)控量測(cè)

金林隧道下穿村落段采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土施工方法，并對(duì)地表民房建筑布點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)量測(cè)，以確保房屋安全，同時(shí)指導(dǎo)施工。地表沉降監(jiān)測(cè)橫向測(cè)點(diǎn)布置間距為5 m，如圖10所示，沿縱斷面每隔5 m布設(shè)測(cè)點(diǎn)，以了解地表沉降的橫向影響范圍。各個(gè)斷面布置地表沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行初始觀測(cè)并做好原始記錄，開挖過程中洞內(nèi)按每5 m一個(gè)斷面布置拱頂下沉點(diǎn)和周邊收斂點(diǎn)，洞內(nèi)拱頂沉降和周邊收斂位移測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖10 YK66+775斷面處地表沉降測(cè)點(diǎn)布置

單位：m

K66+785斷面處地表沉降最大測(cè)點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)4，其值為13.42 mm，位移曲線如圖12所示。K66+785斷面處拱頂下沉最大值為11.98 mm，周邊收斂最大值為3.96 mm，位移曲線如圖13所示。

從圖12、圖13監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，地表沉降累積位移量，洞內(nèi)拱頂下沉、周邊收斂，在可控范圍內(nèi)，地表沉降與拱頂下沉位移量基本一致，房屋分布范圍內(nèi)的隧道圍巖在施工35 d后趨于穩(wěn)定。K66+775同一斷面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表4所示。

圖12 YK66+775斷面測(cè)點(diǎn)4地表沉降位移曲線

圖13 YK66+775斷面處洞內(nèi)拱頂下沉及周邊收斂位移曲線

表4 K66+785現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比

4 施工控制措施

1) 隧道進(jìn)洞前，做好洞口周邊地表水截排設(shè)施，并詳細(xì)調(diào)查周圍的水文地質(zhì)情況，做好地表引水、排水工程的施工，減少水害的影響，邊仰坡必須開挖一級(jí)防護(hù)一級(jí)[15]。

2) 施工過程中貫徹“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的施工原則，縮短掘進(jìn)過程中各工序間步距，及時(shí)支護(hù)，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

3) 在建筑物正下方的隧道開挖施工中，為了減小對(duì)上部建筑物的擾動(dòng)，采用機(jī)械開挖，人工輔助修邊。對(duì)于中風(fēng)化花崗巖機(jī)械開挖難以進(jìn)行時(shí)，采用輔助弱爆破技術(shù)，但需嚴(yán)格控制炸藥量及爆破振動(dòng)速度，爆破振動(dòng)速度宜控制在10 cm/s以下，減少震動(dòng)幅度和頻率以保護(hù)隧道上部村落建筑物，減小其地基的不均勻沉降，防止新增裂縫及就裂縫的擴(kuò)展。同時(shí)，左右線洞內(nèi)掌子面要錯(cuò)開2倍洞徑以上的距離。

4) 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及信息反饋，以量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷圍巖安全穩(wěn)定狀況，修正初期支護(hù)參數(shù)?？s短二次襯砌的循環(huán)長(zhǎng)度，襯砌盡量緊跟開挖，以保證襯砌及時(shí)快速。

5) 超前支護(hù)的雙層小導(dǎo)管改變?yōu)閱螌有?dǎo)管，間距由原來(lái)的1.2 m縮短至0.6 m，與鋼架間距相符。主因是雙層小導(dǎo)管實(shí)際施工中角度難以控制，易造成2根小導(dǎo)管夾角偏小，不利于前方拱頂圍巖的穩(wěn)定，且雙層小導(dǎo)管的2次施打，易造成前方拱頂圍巖多次擾動(dòng)，不利于穩(wěn)定，另外2次鉆孔，易造成孔洞串通，不利于注漿。

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 依托金林隧道，在考慮工程地質(zhì)條件、隧道埋深、開挖跨度等條件下，通過建立不同隧道開挖工法數(shù)值模型，分析拱頂下沉、周邊收斂和地表沉降位移等數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，從安全施工角度，選擇了環(huán)形開挖預(yù)留核心土的工法，避免了洞頂房屋遷改的困難，縮短了工期，確保了地表建筑物安全和隧道結(jié)構(gòu)安全。

2) 通過數(shù)值模擬和施工監(jiān)控量測(cè)對(duì)比分析可知，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法，洞內(nèi)外的沉降值均在變形控制指標(biāo)范圍內(nèi)，表明該方法可行，可供同類隧道施工參考。

3) 金林隧道于2017年10月進(jìn)場(chǎng)施工，2019年7月順利貫通，各項(xiàng)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，已于2021年6月順利通車。按照比選后的施工方法，解決了地方村落與高速公路隧道選線相沖突的問題，避免了地方村落房屋需拆遷安置后方可進(jìn)行隧道開挖施工的各銜接工序耗時(shí)，縮短了整體工期，為隧道順利貫通提供了保障，為后續(xù)各施工點(diǎn)拉通提供了便利條件，確保了整體云茂高速公路建設(shè)進(jìn)度，取得了理想的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果，為后續(xù)安全下穿村落提供了保證。