下穿省道公路隧道施工變形與控制技術研究

盧超波,陀楚明,姜洪亮,楊庭偉,張 偉

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預警工程研究中心,廣西 南寧 530007;3.中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北 武漢 430071)

0 引言

對高速公路隧道穿越特殊結構物[1-3]、特殊地質[4-5]隧道開挖圍巖變形的問題,大量學者進行了系統(tǒng)細致的研究,隧道施工開挖造成圍巖變形,對周邊既有結構將會造成影響。本文通過對某高速公路下穿省道的隧道單洞進洞段施工開挖進行數(shù)值試驗分析,并結合施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)對其變形機制進行研究,提出變形控制技術措施,為其他類似隧道工程設計與施工提供參考。

1 工程背景

某高速公路隧道設計為洞身分離式隧道,速度 100 km/h,路基寬度為 26 m,路面采用瀝青混凝土結構。隧道左線隧道起訖樁號2ZK44+285～2ZK49+075,右線隧道起訖樁號2K44+265～2K49+073,隧道進洞口位于山體斜坡上,上部約22 m為省道,與隧道成斜交60°穿越,省道路面為瀝青混凝土結構,進洞段圍巖表層主要為碎石土,局部為粉質黏土,厚度1～4 m,下伏圍巖主要為強-中風化砂巖,巖質較軟,節(jié)理裂隙極發(fā)育,巖體破碎。隧道開挖斷面凈寬13.76 m,斷面開挖面積約113 m2。如圖1所示。

2 數(shù)值試驗

2.1 數(shù)值試驗模型

為進一步分析進洞段施工開挖對地表變形影響的機制,根據(jù)隧址所處地形與巖性情況,建立圖2所示的數(shù)值試驗模型,模型Y軸走向為隧道走向,數(shù)值試驗模型為幾何階梯模型,模型長、寬、高(Y、X、Z軸方向)分別為103 m、120 m、70 m,模型網(wǎng)格數(shù)量為334 101。數(shù)值試驗模型的物理力學參數(shù)是根據(jù)室內試驗結果結合現(xiàn)場揭露圍巖破碎程度取值,模型計算本構模型采用M-C本構模型,初次支護采用實體單元,圍巖的初始地應力場為自重場,計算平衡后進行隧道開挖數(shù)值試驗,模型圍巖及初期支護參數(shù)如表1所示。

圖1 隧道進洞段地質平縱斷面圖

圖2 數(shù)值分析模型圖

表1 模型參數(shù)表

2.2 數(shù)值試驗結果

隧道采用上臺階預留核心土的兩臺階法進行開挖,上臺階開挖進尺每循環(huán)為0.5 m,圖3為開挖進尺0.5 m、10 m、20 m、30 m時的無支護地表變形與沉降變形云圖,對應實際隧道掌子面里程為分別為2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(a)進尺0.5 m地表位移

(b)進尺0.5 m地表沉降

(c)進尺10 m地表位移

(d)進尺10 m地表沉降

(e)進尺20 m地表位移

(f)進尺20 m地表沉降

下頁圖4為采取超期支護措施后,隧道上臺階預留核心土法按每榀鋼支架間距即開挖支護步距為0.5 m的循環(huán)開挖支護,開挖進尺0.5 m、10 m、20 m、30 m時地表變形與沉降變形云圖。在循環(huán)開挖支護后均進行模型平衡計算,并開挖支護下一循環(huán),對應實際隧道掌子面里程為分別為2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(c)進尺10 m地表位移

(d)進尺10 m地表沉降

(e)進尺20 m地表位移

(f)進尺20 m地表沉降

(g)進尺30 m地表位移

(h)進尺30 m地表沉降

從數(shù)值試驗結果看,隨著隧道開挖,地表影響范圍逐漸增加,其地表變形、沉降累計值隨著開挖進尺增加而增加。隧道開挖進尺10 m后,有無支護情況下隧道開挖均會對省道基底產生影響,進尺20 m后,省道基底形成半沉降盤,省道外側路肩無支護時最大沉降值約10 mm,有支護時最大約5 mm;進尺30 m后,有無支護均將對隧道拱頂上方1.0倍路基區(qū)域范圍產生較大影響。此外,隧道進洞20 m后,省道的基底變形主要為沉降變形。

循環(huán)小步距開挖支護對變形的發(fā)展起到良好的控制,進尺20 m時,有支護時開挖對路肩的變形、沉降變形從無支護的8～14 mm、5～7.5 mm降至4～6 mm、2.5～5 mm;進尺30 m時,有支護時開挖對路肩的變形、沉降變形從無支護的12～17 mm、10～15 mm降至5～7.5 mm、5～7.5 mm,位移控制降幅50%左右,各區(qū)間內的變形、沉降變形影響范圍大幅降低。

洞內變形主要為拱頂沉降與地板鼓起,進一步分析支護結構錨桿受力情況,隧道拱部范圍系統(tǒng)錨桿受力較大,兩側邊墻系統(tǒng)錨桿受力較小,如圖5所示。

通過數(shù)值試驗,設計的支護體系滿足隧道施工開挖安全控制要求,但仍無法有效消除隧道施工對既有省道基底的影響。

(a)進尺0.5 m系統(tǒng)錨桿受力圖

(b)進尺10 m系統(tǒng)錨桿受力圖

(c)進尺20 m系統(tǒng)錨桿受力圖

(d)進尺30 m系統(tǒng)錨桿受力圖

3 變形控制方案

通過數(shù)值分析可知,提高支護剛度、減少開挖循環(huán)步距對路基變形有良好的控制效果,但仍未能絕對控制路基基底變形與沉降變形。在隧道進尺20 m時,路肩的變形、沉降變形為4～6 mm、2.5～5 mm;進尺30 m時,路肩的變形、沉降變形約5～7.5 mm、5～7.5 mm,基底最大沉降變形約7.5 mm,可能對省道路面結構基底造成脫空。為有效控制隧道進洞下穿開挖支護變形,對開挖變形控制主要采用洞口邊仰坡穩(wěn)定控制、洞內隧道開挖變形控制等措施;洞內隧道開挖變形控制主要采取循環(huán)施作超前支護、開挖方法與及時初期封閉成環(huán)進行控制等措施。進洞里程為2K44+273,2K44+273～2K44+295段采用超前長管棚27 m+超前小導管,2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚。開挖方法采用上臺階法預留核心土開挖,開挖方式采用機械鑿除法,每循環(huán)進尺為1榀鋼拱架間距,即≤50 cm,支護緊跟開挖面。

(1)洞口邊仰坡穩(wěn)定控制:采用3.5 m長、φ42 mm×4 mm注漿小導管,間距1.0 m×1.0 m,梅花形布置,掛設φ8 mm@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng),噴射10 cm厚C25早強噴射混凝土防護。

(2)洞內隧道開挖變形控制:2K44+273～2K44+295段主要采用27 m長管棚+超前小導管,長管棚套拱導向墻混凝土為C30,厚度60 cm,長1.5～5 m,管棚鋼管采用熱軋無縫鋼管φ108 mm×6 mm,方向與路線中線平行,長管棚布設于隧道上半拱130°范圍內,管棚環(huán)向間距為50 cm,管棚鋼管外插角0.5°～1°(不包括路線縱坡),管棚鋼管內插4根φ16 mm二級鋼筋籠,滿注強度等級不低于M20水泥砂漿。小導管采用φ42 mm×4 mm雙環(huán)注漿小導管,環(huán)向間距40 cm,長4.5 m,縱向間距2.0 m,外插角10°～15°,導管從工字鋼腹部開孔穿過,尾部焊接于鋼架上,導管搭接≥1.5 m,小導管注漿材料為42.5水泥凈漿,水灰比0.6～0.8,注漿壓力初壓為0.5～1.0 MPa,終壓為2.0 MPa。初期支護采用50 cm間距Ⅰ20b工字鋼,φ8 mm@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng),C25噴射混凝土26 cm。系統(tǒng)錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿,長度4 m,環(huán)縱向間距120 cm×50 cm。

(3)2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚,鋼管采用φ89 mm×6 mm超前鋼管,布設于隧道上半拱120°范圍內,環(huán)向間距40 cm,長9.0 m,縱向間距4.5 m,外插角10°～15°,鋼管從工字鋼腹部開孔穿過,尾部焊接于鋼架上。初期支護采用50 cm間距的Ⅰ22b工字鋼,φ8 mm@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng),C25噴射混凝土28 cm。系統(tǒng)錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿,長度4 m,環(huán)縱向間距120 cm×50 cm。

(4)由于上跨隧道的省道為主要交通要道,重載車輛較多,為了確保隧道開挖過程中省道運營安全,施工過程中加強對省道路基沉降監(jiān)測后,對重載車輛動態(tài)加壓可能引起路面結構變形開裂,后期可根據(jù)路面結構出現(xiàn)的病害進行注漿與裂縫堵水動態(tài)處理。

4 開挖變形監(jiān)測分析

開挖前在地表布置了17個地表沉降監(jiān)測點,如圖6所示,D1～D7位于隧道仰坡中部,D8～D13位于省道路肩外側,D14～D18位于省道路面中心;對洞內圍巖變形監(jiān)測斷面如圖7所示,里程分別為2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295,測點在初期支護后埋設并開始監(jiān)測。

如圖8所示,地表測點沉降變形隨著開挖進尺在不同時間內逐步增加,結合施工開挖進尺,在掌子面距離測點約1倍洞徑時,地表沉降變形開始顯現(xiàn),并隨著開挖進程而增加。由于開挖進尺中斷于2K44+295,位于省道路面中心,D14～D18在掌子面停止開挖后,仍隨著時間緩慢變形,詳見圖9。掌子面開挖至距離測點約1.0倍洞徑時,掌子面停止開挖后,地表沉降在3 d內急速增加,3 d后減緩并緩慢增長。

各斷面里程的拱頂沉降與收斂變形監(jiān)測點曲線如圖10所示,從監(jiān)測的結果看,各斷面穩(wěn)定累計變形值均較小,2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295最大拱頂沉降穩(wěn)定值分別為20.2 mm、30.5 mm、19.1 mm、19.3 mm,收斂穩(wěn)定值分別為16.2 mm、24.3 mm、14.1 mm、15.2 mm,采取變形控制方案對地表變形進行控制能取得良好的效果,可安全穿越省道。

圖6 地表測點布置示意圖

圖7 洞內上臺階核心土開挖測點布置示意圖

圖8 地表測點監(jiān)測曲線圖

圖9 掌子面中斷于2K44+295測點時D14～D18沉降隨時間增長曲線圖

圖10 測點監(jiān)測曲線圖

5 結語

本文針對下穿省道公路隧道施工變形與控制技術研究,提出了經濟科學處治方案,取得良好效果,結論如下:

(1)隨著隧道進洞開挖,對地表影響范圍逐漸增加,其表面變形、地表沉降隨著開挖進尺增加而增加。地表變形主要以沉降變形為主,有無支護均將對隧道拱頂上方1.0倍路基區(qū)域范圍產生較大影響。

(2)采取對下穿隧道地表變形控制、提高超前支護以及初期支護剛度、減少開挖循環(huán)步距等措施對路基變形控制能夠取得良好效果,但絕對控制路基基底變形與沉降變形存在較大難度。

(3)對埋深不大的隧道,掌子面開挖至距離測點約1.0倍洞徑時開始出現(xiàn)地表變形,掌子面停止開挖后,地表沉降約3 d內急速增加,3 d后減緩并緩慢增長。