管幕隧道法在引水工程下穿高速公路的應(yīng)用

王宏宇

（陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著市政排水管網(wǎng)設(shè)施不斷完善，引水工程難免存在下穿運(yùn)營(yíng)高速公路的案例[1-3]。為了不中斷交通，有效控制地面沉降和減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，管幕法成為未來(lái)非開(kāi)挖超前支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。

管幕法以頂管技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)[4，5]，管幕常采用微型頂管手段頂進(jìn)鋼管，管幕鋼管之間采用公母鎖扣組合成整體，鎖扣連接處進(jìn)行注漿加固，提高周圍土體的物理力學(xué)參數(shù)，在管幕鋼管內(nèi)注入混凝土或者水泥砂漿提高鋼管的整體剛度，在土體中形成堅(jiān)固的超前支護(hù)外殼體，抵抗土壓力和上部附加荷載，并能抵御地下水的侵入，在整體性較好的管排中進(jìn)行隧道開(kāi)挖。

鑒于管幕結(jié)構(gòu)法可根據(jù)主體結(jié)構(gòu)斷面形式靈活排列鋼管，且具有高剛度、沉降控制和止水效果好、周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，管幕法在沉降控制要求嚴(yán)格的下穿工程中得到了廣泛應(yīng)用并取得了良好的預(yù)期效果[6-9]。但對(duì)管幕隧道法引水工程在下穿高速公路段工程案例甚少，本文依托西安某以下穿高速公路的引水工程為工程背景開(kāi)展管幕隧道法相關(guān)研究。

本項(xiàng)目引水工程下穿的某重要高速公路路基段，該路段車流量大，重車較多，不允許導(dǎo)改交通及明挖施工，路面沉降要求十分嚴(yán)格，并不影響高速公路正常運(yùn)營(yíng)。鑒于以上工程特點(diǎn)和要求，本工程采用管幕隧道法下穿既有運(yùn)營(yíng)高速公路。本文從設(shè)計(jì)方案，管幕施工方案，并結(jié)合數(shù)值模擬分析對(duì)管幕法隧道法在引水工程下穿高速公路的應(yīng)用進(jìn)行闡述，為類似下穿工程提供一定的工程借鑒。

1 工程概況

本項(xiàng)目現(xiàn)狀高速公路路基寬度為28 m，遠(yuǎn)期拓寬后為42 m?，F(xiàn)有道路路基高出兩側(cè)地面約3 m，路基寬度約40 m。隧道距離高速公路路面約為6 m，輸水管道設(shè)計(jì)線位與西漢高速路線角度約為86.3°，管道中心距西漢高速道路路面高度約為8.5 m，見(jiàn)圖1和圖2。輸水管道設(shè)計(jì)采用DN1800PCCP 管穿越，管幕隧道暗挖段地質(zhì)主要為黃土。

圖1 下穿段管幕隧道平面圖（單位：m）

圖2 下穿段管幕隧道縱斷面圖（單位：m）

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 隧道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

引水工程隧道內(nèi)輪廓凈寬4 m，凈高3.2 m，采用半圓加直墻形式斷面。管幕隧道二襯采用35 cm 厚C40 鋼筋混凝土二襯。沿隧道二襯外側(cè)設(shè)置一圈壁厚12 mm 的φ299 管幕鋼管。管幕與二襯之間采用噴涂式的硬泡聚氨酯防水層，其厚度不小于5 cm。DN1800 輸水鋼管設(shè)置于C30 素混凝土基座上。輸水管道靠近通道一側(cè)，另一側(cè)空間考慮用作日后檢修，管幕法隧道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 管幕隧道結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：cm）

2.2 管幕設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目采用小口徑鎖扣管幕作為隧道超前支護(hù)，目前小口徑鎖扣管幕種類大多為180 mm、245 mm、299 mm、402 mm。若選取較大直徑管幕，其剛度越大，螺旋出土效率高，但當(dāng)管幕埋深較淺時(shí)，大直徑管幕施工擾動(dòng)也就越大，綜合考慮，本項(xiàng)目采用直徑為299 mm 的管幕進(jìn)行超前支護(hù)加固，鋼管壁厚為12 mm。為了保證暗挖進(jìn)洞時(shí)土體穩(wěn)定性，為管幕起始段提供支撐點(diǎn)，本項(xiàng)目設(shè)置50 cm 厚鋼筋混凝土套拱，管幕置于套拱上，為管幕起點(diǎn)提供了支撐點(diǎn)，減少了初始段開(kāi)挖管幕沉降，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目管幕法隧道外側(cè)設(shè)置48 根鋼管，隧道側(cè)墻和拱頂處35 根管幕長(zhǎng)為57 m（套拱處搭接2 m）。為封閉地下水，仰拱底板處設(shè)置13 根55 m 長(zhǎng)的鋼管。

為了增加管幕的剛度，管幕頂進(jìn)完成之后，采用C30 無(wú)收縮免振搗混凝土進(jìn)行填充，并對(duì)管間鎖口進(jìn)行充填注漿，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定注漿壓力和配合比。管幕鋼管外側(cè)分別焊接兩根φ42×4 注漿導(dǎo)管，待管幕貫通后進(jìn)行注漿填充。

管幕鋼管環(huán)向之間采用“公-母鎖口”方式連接。鎖口規(guī)格為6.3/4 不等邊角鋼（厚6 mm），與鋼管之間采用雙面焊接進(jìn)行連接。鋼管沿隧道初期支護(hù)外側(cè)等距布置，為保證長(zhǎng)距離管幕施工精度，管幕鋼管距離防水層預(yù)留10 cm，作為施工誤差及變形量。管幕鋼管中心間距為35 cm，管幕鋼管的鎖口角度根據(jù)斷面形式進(jìn)行設(shè)置，管幕鎖扣見(jiàn)圖4。

圖4 管幕鎖扣示意圖

3 管幕施工方案

本項(xiàng)目結(jié)合圍巖地層（黃土）采用螺旋出土頂進(jìn)，螺旋出土鋼管頂進(jìn)工藝多采用鋼管吃土靜壓頂進(jìn)，減少了地層擾動(dòng)，土體切削、鋼管頂進(jìn)、排渣同步進(jìn)行避免地層變形，有效控制沉降。為保證管幕鋼管頂進(jìn)軌跡更加趨于可控，本項(xiàng)目采用以排管為施工頂進(jìn)單元，同時(shí)頂進(jìn)整體性較好的排管。相鄰管幕鋼管之間通過(guò)鎖扣連接，每組鋼管的數(shù)量不少于2 根。同時(shí)結(jié)合已完成孔位對(duì)施工排管的固位作用，很大程度上限制了施工中排管的偏轉(zhuǎn)和偏移，提高了管幕施打精度。調(diào)整鋼管或管排頂進(jìn)速度及螺旋鉆桿的旋轉(zhuǎn)速度（控制出土量），使土體的應(yīng)力變化基本維持在平穩(wěn)狀態(tài)，從而有效避免地層變形。管幕排列編號(hào)見(jiàn)圖5。

圖5 管幕鋼管編號(hào)示意圖

管幕施工流程為：施工管幕始發(fā)、接收工作坑和后背墻→管幕頂進(jìn)設(shè)備導(dǎo)軌平臺(tái)安裝就位→將外圈管幕進(jìn)行規(guī)律編號(hào)1～48 號(hào)→頂進(jìn)1 號(hào)鋼管作為定位首根管幕鋼管，頂進(jìn)到設(shè)計(jì)位置處管內(nèi)立即注C30無(wú)收縮免振搗混凝土→根據(jù)編號(hào)順序，頂進(jìn)2～3號(hào)、4～5 號(hào)對(duì)稱鋼管，依次類推，兩根組管形成排管頂進(jìn)，直至將12 號(hào)和15 號(hào)頂進(jìn)就位（含管內(nèi)注漿），頂進(jìn)和管內(nèi)注漿完畢后，立即對(duì)管幕鎖扣和管幕上φ42×4 鋼花管進(jìn)行注漿以加固隧道周圍土層，隧道地板管幕施工完畢→管幕套拱施工→頂進(jìn)16 號(hào)鋼管作為拱部和邊墻管幕定位鋼管，頂進(jìn)到設(shè)計(jì)位置處管內(nèi)立即注C30 無(wú)收縮免振搗混凝土→按照剩余管幕編號(hào)依次頂進(jìn)17～18、19～20 等鋼管，同樣采用兩根組管形成排管頂進(jìn)，管內(nèi)注漿→管幕鎖扣和管幕上φ42×4 鋼花管注漿加固周圍土層，此時(shí)管幕封閉成環(huán)。管幕施工中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)鉆機(jī)及鋼管或管排軸線調(diào)整，及頂進(jìn)軌跡監(jiān)測(cè)，同時(shí)管幕頂進(jìn)過(guò)程中做好高速公路地面沉降觀測(cè)和周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)，管幕施工見(jiàn)圖6。

圖6 管幕施工圖

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元模型

本項(xiàng)目采用MIDAS/GTS NX 進(jìn)行地層-結(jié)構(gòu)模型模擬計(jì)算。根據(jù)圣維南原理，隧道下穿高速的主要影響范圍為隧道跨度的3～5 倍直徑。隧道跨度約為4.0 m，本次模型計(jì)算邊界沿隧道橫向方向取30 m寬，隧道縱向方向取55 m寬，深度方向取35 m，見(jiàn)圖7。

圖7 整體分析模型

本次模擬計(jì)算土體單元采用莫爾—庫(kù)倫（M-C）彈塑性本構(gòu)模型，采用MIDAS/GTS NX 內(nèi)置混合網(wǎng)格生成器生成單元；襯砌采用板單元進(jìn)行模擬，管幕地層預(yù)支護(hù)措施，采用提高強(qiáng)度等效土層參數(shù)來(lái)模擬影響加固圈[10]。高速路基段施加20 kPa，模擬路基段行車荷載。模型四周添加水平位移約束，底部固定約束。

其施工流程重點(diǎn)考慮內(nèi)容：

（1）隧道施工過(guò)程中，高速公路正常通行，為保證其安全，二次襯砌須緊跟開(kāi)挖施工；

（2）為計(jì)算安全保守考慮同時(shí)兼顧施工工序，隧道先開(kāi)挖15 m，隨后二次襯砌緊跟；

（3）為模擬管幕支護(hù)效果，采用提高土體強(qiáng)度進(jìn)行模擬管幕土層加固圈；

（4）對(duì)于路基材料模擬，參綜合考慮面層，基層和路床材料，采用等效M-C 模型實(shí)體材料模擬。

4.2 參數(shù)取值

結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見(jiàn)表1 和表2。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)施工方案制定模擬步驟：地層初始地應(yīng)力模擬→高速公路路基施工及通車→位移清零→管幕施工→隧道開(kāi)挖→隧道襯砌施工→隧道貫通。

4.3 計(jì)算結(jié)果

為了得出路基段及附近的路面沉降，提前在模型中設(shè)定監(jiān)視點(diǎn)，如圖8 中的A-G點(diǎn)，便于提取或示意各點(diǎn)處的沉降。

圖8 路基沉降計(jì)算監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)

根據(jù)圖9 的模擬結(jié)果可知，路基坡腳處最大沉降值約為4.7 mm，管幕終點(diǎn)處沉降值約為4.0 mm，路面邊最大沉降值約為5.3 mm，路面中間點(diǎn)沉降值約為4.3 mm，均小于1 cm，從分布位置可以看出，在路基段路肩部分沉降較大，這是由于路肩和路基邊坡處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道開(kāi)挖后，引起應(yīng)力重分布，擾動(dòng)程度較其他位置大，沉降值相應(yīng)較大。

圖9 路基各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處沉降值—Uz（單位：m）

5 結(jié)論

本文從設(shè)計(jì)方案、管幕施工要點(diǎn)和數(shù)值模擬分析可得出結(jié)論：

（1）管幕結(jié)構(gòu)法具有地層擾動(dòng)小、精度控制好、剛度大、封閉地下水，能夠有效控制地面沉降，不影響既有交通。

（2）本文介紹的管幕隧道法引水工程下穿高速公路設(shè)計(jì)方案，為類似下穿工程提供工程借鑒。

（3）管幕施工要重點(diǎn)施工好首根定位管幕鋼管，隨后采用排管頂進(jìn)，保證排管頂進(jìn)整體性和施打精度。

（4）模擬結(jié)果顯示，最大沉降為5.3 mm，小于1 cm，管幕法作為下穿高速公路路基段的超前支護(hù)形式，可有效控制高速公路沉降，對(duì)運(yùn)營(yíng)高速公路影響較小。管幕在高速公路路肩處沉降值較大，施工中在路肩處較其他位置應(yīng)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)此段路基段的沉降觀測(cè)。

管幕超前支護(hù)形式能夠有效控制地表沉降，封閉地下水，可為下穿工程提供工程借鑒。