緊鄰建筑物大斷面超淺埋土質(zhì)連拱隧道設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王木群

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 長沙 410200)

在山區(qū)高速公路上，連拱隧道很常見，目前國內(nèi)外對連拱隧道科研、設(shè)計、施工主要集中在雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)斷面施工[1-2]。通常情況下，連拱隧道洞口主洞采用超前大管棚、中導(dǎo)洞采用超前小導(dǎo)管的加強支護型式[3]，開挖方式一般采用中導(dǎo)洞加兩側(cè)導(dǎo)洞(簡稱三導(dǎo)洞開挖)[4]，但當(dāng)連拱隧道斷面大、超淺埋、地質(zhì)極差且下穿或近接居民小區(qū)建筑時，確保隧道安全施工和周邊建筑物的安全是首要任務(wù)[5]，常規(guī)的連拱隧道設(shè)計施工方式不適用，既有的工程案例報道也很少[6]。本文以長沙市月亮島路普瑞隧道為依托，探討緊鄰建筑物大斷面超淺埋土質(zhì)連拱隧道設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，研究中導(dǎo)洞設(shè)置管棚、隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)、隧道主洞采用三臺階預(yù)留核心土開挖等綜合措施[7-8]，以確保安全施工之目的，供同類隧道施工參考。

1 工程概況及風(fēng)險分析

長沙月亮島路普瑞隧道西起雷鋒大道，下穿普瑞斯堡小區(qū)，東至吳家沖路，為雙向6車道城市大斷面連拱隧道，設(shè)計速度為60 km/h，長660 m，樁號為K7+365～K8+025，圍巖以全風(fēng)化泥質(zhì)板巖為主，穩(wěn)定性極差，遇水容易軟化成泥而完全喪失承載力。隧道雙洞開挖斷面寬度為30.52 m，如圖1所示。

隧道K7+860～K8+025段，埋深僅2 m～5 m，周邊密布高檔別墅區(qū)和高層居民樓，二者平面關(guān)系如圖2所示。隧道施工一定會對小區(qū)居民的生活造成干擾[9]，若施工不當(dāng)，緊鄰建筑物會出現(xiàn)開裂、變形，甚至是垮塌[10]。另外，該小區(qū)物業(yè)隸屬湖南省新聞出版集團，社會監(jiān)督嚴(yán)苛，對隧道施工要求極高。由于明挖法產(chǎn)生的噪音讓小區(qū)居民難以接受，且明挖隧道基坑距離房子過近對房子的穩(wěn)定性極不利，同時在房子周邊深挖一大基坑會引起居民恐慌，協(xié)調(diào)難度巨大，項目推進很困難。因此，綜合考慮隧道施工安全和既有建筑物的安全，采用暗挖法施工，且應(yīng)快速通過，以免長時間對小區(qū)造成干擾?；诒舅淼朗┕ひ蟾?、協(xié)調(diào)難度大、設(shè)計斷面大、超淺埋、地質(zhì)條件差、周圍環(huán)境復(fù)雜等特點，須采取重要的安全保障措施來保證暗挖隧道順利實施及周邊建筑的絕對安全。

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2 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 洞口管棚

目前，連拱隧道洞口一般采用超前小導(dǎo)管+管棚的常規(guī)方案，即主洞設(shè)置管棚及套拱、中導(dǎo)洞設(shè)置Φ42超前小導(dǎo)管，如圖3所示，此方案一般用于石質(zhì)隧道中導(dǎo)洞[11-12]。由于本隧道埋深淺、地質(zhì)極差、周邊房子密集，中導(dǎo)洞先開挖，采用Φ42小導(dǎo)管懸挑的剛度難以保證中導(dǎo)洞施工的安全及周邊建筑物的安全[13]。為此，提出在中導(dǎo)洞拱部120°范圍內(nèi)全部設(shè)置Φ108長管棚，增設(shè)中導(dǎo)洞管棚套拱并落腳，如圖4所示。中導(dǎo)洞管棚與主洞管棚一起施作，長度均為40 m。其余段落采用Ф42注漿小導(dǎo)管進行超前支護。

圖3 超前小導(dǎo)管+管棚方案

圖4 擴大管棚方案

2.2 隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)

隧道K7+860～K8+025段埋深極淺，有暗挖、明挖2種方案，但根據(jù)前文風(fēng)險分析，本段隧道應(yīng)采用暗挖法施工通過。隧道與建筑物最近的距離為3.2 m，左側(cè)為8棟別墅，右側(cè)為12層高樓，隧道開挖卸荷容易引起差異沉降，致使房子開裂，甚至坍塌。為確保周邊建筑的絕對安全，在隧道兩側(cè)從地表施作隔離樁(Φ0.8 m@1.0 m)，在隔離樁外側(cè)設(shè)置旋噴樁止水帷幕，最大限度避免地下水的流失引起地表下沉、建筑物開裂，并施作橫梁(縱向間距10 m)，通過冠梁連接成整體，形成門式框架結(jié)構(gòu)，埋深小于5 m的段落采用PVC管進行注漿加固，如圖5所示。

2.3 開挖方式

連拱隧道通常采用三導(dǎo)洞開挖的方式，即開挖中導(dǎo)洞再開挖兩側(cè)的導(dǎo)洞[14]。傳統(tǒng)的三導(dǎo)洞施工進度緩慢，考慮到隧道兩側(cè)從地表施作了隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)，且該隧道圍巖以土質(zhì)為主，無需爆破，只需采用機械開挖方法，再加上本段宜快速通過，避免長時間對小區(qū)居民生活造成干擾，因此提出中導(dǎo)洞加三臺階預(yù)留核心土的方案，如圖6所示。

2.4 襯砌支護參數(shù)

結(jié)合隧道設(shè)計規(guī)范，針對本隧道斷面情況、地質(zhì)情況，采用工程類比法對隧道襯砌支護參數(shù)進行設(shè)置，如圖7所示。主洞支護參數(shù)：二襯采用60 cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護為28 cm厚C20噴射混凝土(內(nèi)置22工字鋼，間距0.5 m)，系統(tǒng)錨桿為D25中空注漿錨桿；中導(dǎo)洞支護參數(shù)：目前國內(nèi)連拱隧道中導(dǎo)洞凈寬大多設(shè)置為6 m左右，施工不夠便捷，后期實際施工中都進行了加大，而本項目為了提高出渣效率、施工進度及方便施工機械進出，中導(dǎo)洞凈寬設(shè)置為7 m，采用22 cm厚C20噴射混凝土結(jié)構(gòu)(內(nèi)置16工字鋼，間距0.5 m)，底部設(shè)置20 cm厚C20混凝土整平層、10 cm厚碎石墊層；中隔墻參數(shù)：中隔墻采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中隔墻頂部、底部均采用Ф42注漿小導(dǎo)管進行加固，間距為100 cm×100 cm。

(a) 平面布置

(b) 橫斷面布置

圖6 中導(dǎo)洞+三臺階預(yù)留核心土施工方案

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3 數(shù)值模擬分析

3.1 隧道模型的建立

選取K8+010斷面進行建模計算，該斷面隧道埋深3.0 m，主洞及中導(dǎo)洞均采用Ф108管棚進行超前支護，采用MIDAS-GTS數(shù)值計算軟件建模，模型寬102 m，高36 m，如圖8所示，邊界條件為左右固定、底部固定。圍巖及主洞初期支護采用實體單元，中隔墻初期支護、二襯、樁及橫撐均采用結(jié)構(gòu)單元。圍巖采用摩爾庫倫模型，初期支護、二襯、樁及橫撐等均采用彈性模型[15-16]。隧道以全風(fēng)化泥質(zhì)板巖為主，呈松散土狀，承載力極差，圍巖物理力學(xué)參數(shù)按照地質(zhì)專業(yè)提供的試驗值進行取值，其它材料參數(shù)按照隧道規(guī)范進行取值，主要材料參數(shù)見表1。

施工步驟如下：1) 采用PVC管進行地表注漿；2) 施作隔離樁及橫撐；3) 開挖中導(dǎo)洞①并施作中隔墻②；4) 開挖右洞(先行洞)上臺階③并施作初期支護；5) 開挖核心土④；6) 開挖右洞中臺階⑤并施作支護；7) 開挖右洞下臺階⑥并施作支護；8) 施作右洞二襯⑦；9) 采用右洞同樣的方法開挖左洞，如圖9所示。

圖8 計算模型

表1 材料參數(shù)

圖9 開挖工序

3.2 計算結(jié)果分析

1) 圍護結(jié)構(gòu)位移分析

通過計算得出隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移，如圖10、圖11所示。

圖10顯示，隔離樁門框結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在隔離樁中部，主要是由隧道開挖卸荷所致，最大值為-2.42 mm，樁頂水平位移約1 mm，表明地表橫撐起到了很好的支撐作用；圖11顯示，隔離樁門框結(jié)構(gòu)的最大豎向位移發(fā)生在地表橫撐中部，最大值為-5.7 mm，隔離樁最大豎向位移不到-3.8 mm，位移均較小，樁頂豎向位移約-3.5 mm。位移結(jié)果表明，隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)體系效果良好，能夠達到很好的隔離作用，最大限度隔斷隧道開挖對周邊建筑物的影響。

圖10 水平位移

圖11 豎向位移

2) 圍巖地層位移分析

隧道采用三臺階預(yù)留核心土法施工后，圍巖變形情況如圖12、圖13所示。

由圖12可以看出，地層最大水平位移發(fā)生在隧道外側(cè)的拱腳處，其中右洞外側(cè)拱腳處的最大水平位移為-9.02 mm，左洞外側(cè)拱腳處的最大水平位移為7.6 mm，隧道兩側(cè)地表水平位移約為2 mm，地層水平位移均較??；由圖13可以看出，地表最大豎向位移發(fā)生在隧道中隔墻頂部，最大豎向位移為-5.7 mm，其次是隧道底部，最大豎向位移為10 mm，兩側(cè)地表豎向位移約為-1.8 mm，即圍巖產(chǎn)生了一定的沉降和隆起變形，但圍巖豎向位移相對較小。從圍巖位移可見，隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)控制地層變形的效果顯著，主洞采用三臺階預(yù)留核心土法開挖也能有效減少對圍巖的擾動，地表位移(建筑物所在位置)較小，表明隧道開挖對周邊建筑的影響不大。

圖12 地層水平位移

圖13 地層豎向位移

3) 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

隧道實際施工過程中，選取K8+010斷面進行監(jiān)測，測點布置如圖14所示，監(jiān)測內(nèi)容及結(jié)果見表2。

從表2可以看出，施工過程中的實際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果接近，驗證了數(shù)值模擬建模和參數(shù)取值的合理性，進一步表明了本文設(shè)計施工方案的合理有效。

4 結(jié)論

本文為了解決緊鄰建筑物大斷面土質(zhì)連拱隧道設(shè)計施工的問題，以長沙市月亮島路普瑞隧道為工程實例，采用了隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)、中導(dǎo)洞設(shè)置管棚和套拱、隧道主洞采用三臺階預(yù)留核心土開挖等設(shè)計施工關(guān)鍵措施，結(jié)論如下：

1) 為了最大限度保護周邊建筑物的安全，隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁和旋噴止水帷幕，拱頂?shù)乇碓O(shè)置橫撐，總體上形成門式框架結(jié)構(gòu)；數(shù)值有限元仿真分析和施工中的動態(tài)監(jiān)控量測表明，該結(jié)構(gòu)對暗挖淺埋隧道施工非常有效。

2) 為了確保隧道施工安全，中導(dǎo)洞拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置管棚，并設(shè)置套拱，與主洞管棚及套拱一起施作，形成了整體聯(lián)合超前強支護，對快速通過大跨連拱、軟弱圍巖段是很有效的工程措施。

3) 根據(jù)現(xiàn)場圍巖地質(zhì)情況，選用中導(dǎo)洞+主洞三臺階預(yù)留核心法土代替三導(dǎo)洞的開挖方式，能高效快速安全通過緊鄰建筑物超淺埋大跨段，施工方式合理有效。