礦山法隧道下穿廣深高速公路影響研究分析

劉謹豪，秦輝輝

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

隧道開挖過程中伴隨著地層應(yīng)力狀態(tài)的改變和調(diào)整，引起地層位移與變形，而這種地層位移和變形隨著土的自重以及附加應(yīng)力作用引起的土的固結(jié)沉降在沉降速度和空間分布上有著不同的特點。本文以廣州地鐵十三號線溫東區(qū)間礦山法隧道施工為例，分析其下穿廣深高速公路的影響。

1 工程概況

廣州軌道交通十三號線一期工程溫涌路～東洲區(qū)間以礦山法隧道形式下穿廣深高速公路，隧道與廣深高速路基平面呈斜交關(guān)系，交角約45 度，隧道埋深約13m，區(qū)間隧道穿越地層主要有強風(fēng)化混合花崗巖及中風(fēng)化混合花崗巖。下圖1所示為廣深高速與溫東區(qū)間隧道相互位置關(guān)系。

圖1 溫東區(qū)間與廣深高速及橋梁樁基關(guān)系橫斷面示意圖

2 礦山法隧道穿越高速公路加固方案介紹

溫東區(qū)間礦山法隧道下穿廣深高速公路工程段，臨近橋梁樁基，經(jīng)調(diào)查研究，區(qū)間隧道穿越地層主要有強風(fēng)化混合花崗巖及中風(fēng)化混合花崗巖，隧道施工過程中，為確保廣深沿江高速安全運營，設(shè)計階段采取了以下加固方案：

（1）袖閥管預(yù)注漿：礦山法隧道施工開挖前對鄰近橋梁樁基采取袖閥管預(yù)注漿措施進行預(yù)加固處理。

（2）在隧道開挖過程中針對拱頂?shù)能浫跬翆雍腿?、強風(fēng)化花崗巖采取上半斷面注漿加固措施。

（3）在礦山法隧道施工過程中，注意控制爆破影響，控制開挖進尺，及時支護，控制地層失水和變形。

（4）動態(tài)施工，在隧道穿越高速施工前對相鄰建構(gòu)筑物進行系統(tǒng)全面的跟蹤監(jiān)測：主要包括廣深高速公路路面沉降、臨近橋梁樁基沉降及水平變形、橋梁定期巡檢、隧道變形等。

圖2 廣深高速段落礦山法隧道襯砌斷面方案圖

3 計算模型及計算參數(shù)

模型計算范圍選取按照實際需求及圣維南原理，范圍為100m（長）×100m（寬）×60m（高），對左右線隧道走向在模擬范圍內(nèi)簡化為平行布置，廣深高速樁基與隧道相互關(guān)系根據(jù)實際情況模擬，模型共81236 個節(jié)點和73246 個單元，計算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。邊界條件采用位移邊界，上表面設(shè)置為自由邊界，側(cè)邊界及底邊界對法線方向位移進行約束。

圖3 模型網(wǎng)格圖

計算模擬過程分以下三步：

（1）在隧道開挖之前，模型在初始地應(yīng)力下達到平衡狀態(tài)。

（2）清除塑性區(qū)及位移歸零，先行隧道礦山法隧道開挖（右線隧道）。

（3）后行隧道礦山法隧道開挖（左線隧道）。

地層參數(shù)按地勘資料及相關(guān)資料取值。

4 計算結(jié)果

下圖4為右線隧道貫通后地表變形曲線圖，從地表沉降曲線可以看出，右線隧道貫通后地表最大沉降約6.6mm，地表沉降基本以右線隧道軸線為對稱軸，影響范圍基本上在洞軸線兩側(cè)40m 內(nèi)。下圖5為兩線隧道均貫通后地表變形曲線圖，從圖中可以看出，兩線隧道貫通后地表最大沉降9.3mm，以兩線隧道中部軸線為對稱，說明左右線隧道開挖產(chǎn)生地表沉降槽相互影響，且影響程較大，形成“單峰”型地表沉降槽，同時可以看出地表沉降傾斜（表征地表不均勻沉降大?。?.04%，地表沉降影響范圍基本在兩線隧道中心線兩側(cè)40m 內(nèi)，施工中對該范圍內(nèi)路面沉降加強監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況，立即采取相應(yīng)措施。

圖4 礦山法隧道右線施工后地表沉降曲線

圖5 礦山法隧道兩線施工后地表沉降曲線

圖6～7 為右線隧道開挖過程中、兩線隧道貫通后地表沉降變形云圖，從沉降變形云圖可以看出：右線隧道施工過程中，地表產(chǎn)生以右線隧道軸線為對稱軸的沉降槽，并有一定超前變形量，左線隧道施工過程中，地表沉降槽軸線呈現(xiàn)向左側(cè)偏移趨勢，兩隧道貫通后地表沉降云圖沿兩隧道中軸線對稱，左線隧道施工過程中對右線隧道沉降槽影響有一定超前效應(yīng)。

圖6 右線隧道施工過程中地表沉降云圖

圖7 兩線隧道貫通后地表沉降云圖

圖8～9 為右線隧道開挖過程中、兩線隧道貫通后地表水平變形云圖。右線隧道施工過程中，水平地表基本以右線隧道軸線為軸向中心擠壓，并有一定超前變形量，左線隧道施工過程中，使地表水平變形對稱軸線向左側(cè)偏移，最終以兩隧道中軸線為對稱軸，且左線隧道施工過程中對右線隧道水平變形影響有一定超前效應(yīng)。

圖8 右線隧道施工過程中地表水平變形云圖

圖9 兩線隧道貫通后地表水平變形云圖

圖10-11 為隧道周邊塑性區(qū)及主應(yīng)力分布圖，隧道開挖過程中，隧道周邊約0.3 倍洞徑范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性擾動破壞，開挖面前方約0.3 倍洞徑范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性擾動破壞。左線隧道貫通后在洞周產(chǎn)生塑性區(qū)范圍與右線隧道基本相同。

圖10 右線隧道掘進過程中洞周塑性區(qū)

圖11 兩線隧道貫通后洞周塑性區(qū)

5 結(jié)論

溫東區(qū)間先行隧道通過后廣深高速路面產(chǎn)生最大沉降，后行隧道通過后形成“單峰”型地表沉降槽，沿兩隧道中軸線對稱。通過對鄰近橋梁樁基袖閥管預(yù)注漿、隧道拱頂預(yù)注漿等加固，以及加強施工控制，實時監(jiān)測變形等措施，可確保隧道施工過程中既有公路及橋梁工程的安全運營。