山嶺隧道超淺覆土條件下設(shè)計方案比選與蓋挖逆筑法施工應(yīng)用研究

摘要 結(jié)合小凈距隧道穿越超淺埋覆土段的特點，文章首先從地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、技術(shù)難度、施工工期、造價等因素對比分析了三種施工方案，論證了蓋挖逆筑護拱法在施工時的優(yōu)勢及適用性；然后通過對護拱、支護進行結(jié)構(gòu)安全性驗算；最后通過有限元施工仿真模擬，對施工中可能存在的圍巖擾動情況進行了分析，提出了合理的優(yōu)化措施。研究結(jié)果表明，在超淺埋覆土條件下，采用蓋挖拱逆筑法施工方案的合理可行。

關(guān)鍵詞 小凈距隧道；超淺埋；蓋挖逆筑法；方案比選

中圖分類號 U455 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0107-03

0 引言

隨著國家國土空間規(guī)劃的出臺，一大批基建項目如雨后春筍般出現(xiàn)，交通行業(yè)迎來蓬勃發(fā)展，但是在實際項目中由于受永久基本農(nóng)田、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、生態(tài)紅線等條件的制約，很多公路線形指標(biāo)往往采用或者趨近于極限值，因此隧道軸線與山體走向基本上存在較小夾角，與此同時出現(xiàn)很多淺埋、偏壓隧道。宋之勇[1]依托實際隧道項目，研究了單線隧道下穿淺埋段采用蓋挖逆筑法施工的適用性；吳文博[2]研究了在市政道路，尤其是下穿十字路口范圍內(nèi)采用蓋挖法設(shè)計及施工的具體實施應(yīng)用；郭福[3]通過蓋挖逆筑法在洞口設(shè)計中的應(yīng)用，研究了偏壓條件下蓋挖逆筑法施工的可行性。

該文依托虎山隧道超淺埋覆土條件，從技術(shù)難度、施工工期、造價及施工對周邊環(huán)境影響程度等因素進行了綜合分析論證，通過有限元仿真模擬，對蓋挖逆筑法施工進行了設(shè)計方案的優(yōu)化。

1 工程概況

虎山隧道為雙向分離式隧道，采用一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（兼顧城市道路功能）進行設(shè)計建設(shè)，設(shè)計速度為80 km/h，暗洞采用復(fù)合式襯砌支護結(jié)構(gòu)，明洞采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。因路線縱坡及線形指標(biāo)控制，隧道下穿現(xiàn)狀沖溝，隧道洞頂離沖溝底的最小凈距約1.2 m。沖溝向南側(cè)延伸，隧道路線與沖溝的夾角約61°，該沖溝為自然沖溝，旱季水流較小，雨季水流較大，經(jīng)現(xiàn)場踏勘溝底及地表沖刷十分嚴(yán)重。

2 影響因素分析

2.1 地質(zhì)及水文條件

地質(zhì)及水文條件對隧道施工的影響至關(guān)重要?，F(xiàn)場勘察揭露了土層主要由粉質(zhì)黏土、殘坡積土和全風(fēng)化砂土等組成，而沖溝溝底主要是淤泥質(zhì)土，且具有陡峭的傾角。這些土層特征表明地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水豐富，易導(dǎo)致隧道開挖時出現(xiàn)淋雨或涌泉狀出水，增加冒頂或坍塌風(fēng)險。通過開挖4個探坑，分析其土層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)淺埋段主要由上部約3 m厚的粉質(zhì)黏土覆蓋層和下部殘坡積碎石土及全風(fēng)化砂土組成，進一步確認(rèn)了地質(zhì)情況的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。

考慮上述地質(zhì)及水文條件，在隧道施工過程中需要采取一系列應(yīng)對措施。首先，應(yīng)對地下水豐富的情況采取有效排水措施，以減輕地下水對施工過程的干擾和影響。其次，針對可能出現(xiàn)的淋雨或涌泉狀出水情況，應(yīng)采取加強支護措施，確保施工現(xiàn)場的安全。此外，對于土層的復(fù)ehAe3MiXbzSuUhdHxBCL04QEQhRY53ZzHKgq0+Uw8wE=雜性和易坍塌性，應(yīng)進行嚴(yán)密的監(jiān)測和預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，保障施工的順利進行和人員的安全。

2.2 周邊環(huán)境條件

周邊環(huán)境條件對隧道施工具有顯著影響，需要采取一系列措施確保施工的順利進行和對周邊環(huán)境的保護。

（1）淺埋段地表存在多處墳?zāi)?，距離隧道拱頂較近，隧道開挖爆破可能會對墳?zāi)巩a(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致墳?zāi)蛊茡p或開裂。因此，在施工時需要對周圍邊坡進行防護，采取措施保護墳?zāi)沟姆€(wěn)定性，并且對墳?zāi)怪苓叢扇∨潘胧?，避免水流對墳?zāi)沟倪M一步影響，確保施工過程中墳?zāi)沟恼w穩(wěn)定和安全。

（2）現(xiàn)狀沖溝范圍內(nèi)為永久基本農(nóng)田，面積約2 000 m2，受永久基本農(nóng)田等因素的限制，無法避開隧道整體線位，只能采用下穿方案。隧道施工完成后，需要對現(xiàn)狀沖溝進行改建，以恢復(fù)其原有的農(nóng)田功能。在改建過程中需要注意保護農(nóng)田資源，避免對農(nóng)田土壤和作物造成影響，同時確保沖溝的排水功能不受影響，維護農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)功能。

3 方案比選分析

3.1 方案比選

由于淺埋段覆土厚度特別薄，根據(jù)新奧法的設(shè)計理念，該淺埋段不滿足覆土要求，因此針對該淺埋段需要進行特殊設(shè)計。從該項目超淺埋、深厚軟土地層等特點出發(fā)，考慮不同施工方法的適用情況，將從以下三種方案進行比選分析論證，如表1所示：

從技術(shù)難度、施工工期、造價及施工對周邊環(huán)境影響程度等因素綜合考慮，推薦采用蓋挖逆筑法方案，可保證下穿淺埋段施工安全。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

3.2.1 覆土荷載取值

對于填土隧道和淺埋隧道，因其上方無法形成承載拱，豎向壓力一般按照計算截面以上的全部土柱重力進行計算[4]。該文取最不利埋深的情況，進行荷載計算說明，拱頂覆土深度為4 m，拱頂垂直土壓力按照全部土柱為72 kPa進行計算，考慮施工荷載取值為20 kPa。

3.2.2 蓋挖護拱結(jié)構(gòu)計算

護拱在反壓回填后，結(jié)構(gòu)彎矩圖比較平滑，拱腳部位彎矩為134 kN·m，拱頂最大彎矩為74.1 kN·m，拱肩最大彎矩為78.4 kN·m。從計算結(jié)果可知，拱腳范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)受力最不利，在拱腳處進行擴大斷面的設(shè)計，同時增加18號工字鋼以提高結(jié)構(gòu)剛度。護拱結(jié)構(gòu)變形量較小，整體呈現(xiàn)下沉趨勢，最大下沉量為0.919 mm，暗洞施工期間應(yīng)嚴(yán)格按照CD法進行開挖及支護，確保施工安全。

3.2.3 施工過程模擬計算

為了預(yù)測在施工期間因地層損失所帶來的地層沉降，了解各工況下地層的變形情況，采用Midas Gts Nx有限元軟件進行二維施工階段的仿真模擬。數(shù)值模擬分析采用M-C本構(gòu)模型，計算模型的邊界范圍取左右線隧道外20 m，豎直方向從現(xiàn)狀地面取至隧道底板下的50 m范圍內(nèi)。

（1）隧道變形與地表沉降情況

如表2所示，左線隧道拱頂沉降和地表沉降的最大值分別為16.89 mm和18.23 mm，右線隧道拱頂沉降和地表沉降的最大值分別為16.62 mm和11.34 mm。由表2可以看出，在護拱保護下，左線隧道拱頂沉降比右線小，但右線的地表沉降比左線大，這是因為基坑回填了部分耕植土而造成的局部沉降。

（2）周邊圍巖塑性區(qū)分布

在開挖輪廓線徑向錨桿范圍內(nèi)，周邊圍巖發(fā)生小范圍的塑性屈服和破壞，施工時應(yīng)采取必要措施以保證中空注漿錨桿的施工質(zhì)量，施工過程中應(yīng)加強沉降觀測，重點關(guān)注拱頂沉降變形情況。

（3）支護結(jié)構(gòu)受力特性

依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）[5]，按破損階段法驗算鋼筋混凝土襯砌的正截面強度，同時計算最大裂縫寬度。二襯結(jié)構(gòu)最大彎矩為224 kN·m，最大軸力為506 kN，截面按照對稱配筋各設(shè)置5根φ25螺紋鋼筋，經(jīng)計算為大偏心受壓，具體計算方法見參考文獻4。

4 蓋挖法施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 蓋挖護拱施工

在蓋挖護拱施工中，針對拱形斷面的特點，土胎膜的使用至關(guān)重要。在施工過程中應(yīng)注重土胎膜的鋪設(shè)和固定，確保其與土體的緊密結(jié)合，以提高護拱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力。同時，在開挖過程中，應(yīng)采用人工修理的方式，通過邊開挖邊架立拱架的方法，可以有效控制拱頂?shù)男螒B(tài)和位置，保證工字鋼與土拱的貼合度，從而提高護拱的整體質(zhì)量和安全性。

在護拱基礎(chǔ)的施工中，掏槽工藝的運用至關(guān)重要。通過人工掏槽出護拱基礎(chǔ)，并及時打設(shè)鎖腳錨桿，可以確保基礎(chǔ)的牢固和穩(wěn)定。尤其是鎖腳錨桿與工字鋼的焊接，不僅可以提高護拱的整體受力性能，還能增強結(jié)構(gòu)的耐久性和抗變形能力，為后續(xù)施工階段提供可靠的支撐和保障。

此外，在工字鋼的施工過程中，采用冷彎工藝，可以有效控制工字鋼的變形和形態(tài)，確保其滿足設(shè)計要求。同時，考慮反壓回填和后期施工可能帶來的沉降影響，將工字鋼鋼架外放10～15 cm，可以有效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的變形和沉降，確保護拱的穩(wěn)定性和安全性，如圖1所示。因此，在蓋挖護拱施工中，綜合運用上述工藝和措施，可以有效提高施工質(zhì)量，確保工程的順利進行和安全運營。

4.2 回填反壓及水溝改建

在進行回填反壓施工時，需要綜合考慮沖溝的雨水沖刷情況和暗洞襯砌背后防水層的安全性。為此，可以采取在拱頂以上依據(jù)地形回填1～2 m C20素混凝土的措施。同時，在拱腰部位，為保證回填的密實度，可以采用回填C20素混凝土至拱頂標(biāo)高的方式。這樣的做法不僅可以有效減輕回填反壓對結(jié)構(gòu)的影響，還可以增加結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，從而保障工程的安全性和持久性。

另外，在進行基坑開挖前，需要對淺埋段沖溝進行臨時改遷，以保障基坑開挖的安全性。首先，可以在沖溝上游施作攔水壩進行集水，以防止水流過大對基坑開挖的干擾。然后，沿著山體方向設(shè)置排水溝，將上游的來水導(dǎo)引至下游，從而有效控制沖溝水流的方向和流量。通過這些臨時改遷措施，可以最大限度地減少沖溝對基坑開挖過程的干擾，確保施工的順利進行和工程的安全實施。

4.3 監(jiān)控量測及動態(tài)設(shè)計

在隧道施工過程中，監(jiān)控量測扮演著至關(guān)重要的角色。它通過對圍巖和支護系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進行實時監(jiān)測，為噴錨支護和二次襯砌的設(shè)計參數(shù)調(diào)整提供準(zhǔn)確依據(jù)。監(jiān)控量測不僅是施工管理中不可或缺的一環(huán)，更是確保施工及結(jié)構(gòu)運營安全的重要保障。通過對施工過程中各項監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析和評估，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，指導(dǎo)施工過程的合理進行，并為后續(xù)的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)整提供重要參考，以確保隧道施工的安全性和持續(xù)穩(wěn)定性。

在采用動態(tài)設(shè)計理念的同時，根據(jù)隧道暗洞開挖情況對洞內(nèi)、洞外進行監(jiān)控量測尤為重要。通過動態(tài)監(jiān)測，可以實時了解施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變化情況，及時評估結(jié)構(gòu)的安全等級。一旦發(fā)現(xiàn)問題，就能夠迅速對支護結(jié)構(gòu)進行動態(tài)調(diào)整，采取相應(yīng)的措施確保施工的順利進行和工程安全。因此，在隧道施工中，結(jié)合監(jiān)控量測進行動態(tài)設(shè)計理念的應(yīng)用，可以有效提高工程施工的安全性和穩(wěn)定性，確保工程的順利進行和長期運營。

5 結(jié)語

（1）綜合比選明挖法、地表注漿預(yù)加固法、蓋挖逆筑法等三種施工工藝，考慮技術(shù)難度、施工工期、造價及施工對周邊環(huán)境的影響程度等因素，蓋挖逆筑法特別適用于該項目。

（2）根據(jù)有限元仿真模擬計算，護拱在暗挖期間對減小地表及拱頂?shù)某两底饔妹黠@，由此說明設(shè)計方案比較合理，可以推廣到類似工程中實施。

（3）需要說明的是，在實際施工條件下應(yīng)根據(jù)開挖具體揭露的地質(zhì)條件進行動態(tài)設(shè)計、動態(tài)調(diào)整，以優(yōu)化開挖工法，從而達(dá)到縮短工期以及節(jié)省造價的目的。

參考文獻

[1]宋之勇.蓋挖法施工在單線隧道淺埋段的應(yīng)用[C]//2023年智慧城市建設(shè)論壇西安分論壇論文集.中國智慧城市經(jīng)濟專家委員會.2023：162-164.

[2]吳文博.城市快速路隧道蓋挖法施工關(guān)鍵技術(shù)[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2021（24）：44-45.

[3]郭福.蓋挖法在隧道設(shè)計施工中應(yīng)用探討[J].山西交通科技，2017（6）：74-76+88.

[4]趙曉勇，王飛，劉建紅.隧道及地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法與應(yīng)用.北京：人民交通出版社，2023.

[5]公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程：JTG 3370.1—2018[S].北京：人民交通出版社，2019.

收稿日期：2024-04-08

作者簡介：李春華（1990—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：隧道與地下空間及巖土工程。