新建淺埋供熱隧道下穿公路沉降預測及控制技術研究

王 楓

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

供熱隧道工程如何安全下穿公路，如何減少公路的整體沉降和不均勻沉降，如何減輕下穿工程導致的公路平整度下降，是下穿隧道設計階段和施工階段需解決的關鍵技術問題。本文以山西省晉城市城鎮(zhèn)集中供熱隧道下穿省道S332的K118+735處路基工程為例，通過建立地層結構模型，對該工程下穿公路的全過程進行數值模擬計算分析，分析得到下穿處路面地表沉降、圍巖變形位移規(guī)律[3]，由計算結果確定設計方案，并結合施工實測路面沉降最大值驗證了數值模擬的合理性。

1 工程概況

山西省晉城市城鎮(zhèn)集中供熱項目位于晉城市陽城縣境內，該項目起點為陽城熱電廠，終點為陽城城區(qū)。供熱管線需下穿省道S332，下穿處位于陽城縣勞動就業(yè)和社會保障中心大門口，供熱管線采用隧道的方式穿越省道S332至陽城縣消防中隊西側。

供熱隧道全長179 m。其中敞開段為14 m、明挖段為8 m、暗挖段為157 m，省道S332側施工1個豎井與隧道連通，豎井深約17 m。該供熱隧道斜穿省道S332，由于隧道北側為社會保障中心，隧道南側為陽城縣消防隊，社會保障中心西側地塊已有產權單位，隧道南側和消防隊北側的夾角范圍內為當地居民墳地。受地塊限制，只有省道S332東北角和西南角兩個地塊可用，故供熱管道采用隧道形式下穿省道S332。供熱隧道起點至過省道S332處縱坡采用1%，過省道S332后坡度調整為2%，減小豎井深度。鑒于豎井較深，初期支護采用拱形支護。

供熱隧道下穿段省道S332為雙向兩車道二級公路，路基寬度12 m，瀝青混凝土路面，穿越處公路為曲線段。下穿處省道S332交叉樁號為K118+735，隧道下穿里程為K0+000—K0+179，隧道頂距離路面最小埋深為10.6 m，平面交叉角度為60°，下穿處平面位置見圖1。下穿段范圍內場地地基土自上而下分為5層，素填土、粉質黏土、卵石、砂巖、石灰?guī)r，項目區(qū)內地震動峰值加速度值0.05g，地震動反應譜特征周期值0.45 s，地震基本烈度為Ⅵ度。

圖1 下穿處平面位置圖

2 供熱隧道結構設計

供熱隧道采用明挖法和暗挖法兩種工法，其中K0+000—K0+022段采用坡率1∶1明挖放坡開挖，坡面采用噴錨護坡，隧道結構外側設置柔性全包水層。敞開段側墻、底板厚度均為0.4 m，出地面部分厚度為0.25 m，采用C35 P8級防水混凝土；頂部為拱形結構，厚度為0.4 m，采用C35 P8級防水混凝土；墊層為0.2 m厚C20混凝土。K0+022—K0+179段隧道采用鋼格柵架[4]+噴射混凝土初期支護及模筑混凝土結構的二襯構成，初支與二襯間設置柔性防水層。開挖時，采用雙排Ф42×3.25小導管，L=3.5 m超前預注漿加固。

表1 暗挖段隧道結構參數表

3 供熱隧道下穿公路的沉降控制標準及施工方案制定

3.1 路面平整度

路面平整度指標[5]是針對路面平整情況做出定量評價或作為公路施工完驗收時的重要評價指標。路面平整度是通過測量路面沿縱向的高差，當測量高差數據相差大時平整度差，測量高差數據小時則平整度好。

供熱隧道下穿公路施工時，其路面平整度的大小應滿足其上部車輛安全運營的要求。公路路面平整度測試有以下兩種方法較為常用：響應式檢測，是通過力學響應計算平整度；直接式檢測，是通過3 m直尺法和平整度儀法測量平整度。

表2 瀝青路面平整度標準

3.2 制定沉降控制標準

對于類似淺埋隧道下穿公路時沉降控制標準的制定，國內外學者已做了大量的理論計算、數值模擬、監(jiān)測、統(tǒng)計工作[6]，經研究其現(xiàn)有研究成果，可知此類下穿工程施工階段引起的路面沉降較大，且需采用較合理的超前支護和相應輔助工法方可降低并控制路面沉降。

經查閱相關文獻[7]可知，金雞嶺隧道臺階法施工并采用管棚超前支護下穿G205國道工程，路面沉降實測值為13.2 mm；觀音堂鐵路隧道CRD法施工并采用管棚超前支護下穿連霍高速工程，路面沉降實測值為9.0 mm；函谷關公路隧道CRD法施工并采用管棚超前支護下穿連霍高速工程，路面沉降實測值為52.9 mm；寶蘭鐵路隧道雙側壁導坑法下穿G310工程，路面沉降實測值為16.0 mm；石太鐵路隧道CRD法施工并采用管棚超前支護下穿連霍高速工程，路面沉降實測值為10.5 mm。

參考類似工程的路面沉降值，確定本項目下穿時省道S332路面沉降值不超過20 mm的控制標準，并應采取相應措施確保省道S332安全運營。

3.3 制定隧道開挖及支護方案

通過分析上述不同工程實例，在隧道下穿施工時超前支護及隧道開挖工法的選擇對控制路面沉降起著至關重要的作用，晉城市供熱隧道下穿省道S332，下穿處為單線隧道，隧道頂距離路面最小埋深為10.6 m，為淺埋隧道。本次下穿采用預留核心法開挖施工，具體施工步驟為：a）施工拱部小導管注漿超前支護。b）環(huán)狀開挖上半斷面，預留核心土，初噴混凝土，安裝鎖腳錨桿，復噴混凝土。c）環(huán)狀開挖下半斷面，初噴混凝土，架立鋼格柵架，復噴混凝土；待初期支護收斂穩(wěn)定后，在初期支護背后注漿，使初期支護與地層密貼。

4 供熱隧道下穿公路有限元數值分析

4.1 有限元模型概況

有限元計算模型共有33 019個節(jié)點，160 512個單元。模型平行于隧道軸線方向寬度為50 m，模型垂直于隧道軸線方向長度為50 m，模型高度為40 m。有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型及網格劃分

模型邊界條件[8]：沿隧道軸線X軸方向，對X軸向兩邊界面結點施加X向水平約束；對Y軸向兩邊界面施加Y向水平約束，模型底面結點施加Z向豎向約束，以考慮周圍土體的約束作用。

4.2 荷載的確定及本構模型

數值分析時采用地層－結構模型，通過荷載釋放系數將地應力按隧道施工步序分步釋放，達到初支和二襯能按比例共同承受釋放荷載的作用[9]。公路車輛荷載作為靜載處理，轉換成面荷載施加于結構，作用于公路路面的荷載取20 kPa[10]。計算時不考慮構造應力及地下水的影響，超前小導管注漿通過提高圍巖強度參數進行等效模擬。巖土和構件的有限元參數見表3。

表3 物理力學計算參數

4.3 圍巖豎向位移分析

經數值分析計算，供熱隧道下穿省道S332后圍巖最大沉降發(fā)生在隧道拱頂處，其值約為1.41 cm，最大隆起值發(fā)生在隧道仰拱處，其值約為1.33 cm，滿足相關規(guī)范要求。圍巖最終豎向位移云圖見圖3所示。

圖3 圍巖最終豎向位移云圖

4.4 路面位移沉降分析

供熱隧道下穿省道S332后，路面豎向沉降成正態(tài)分布，符合Peck公式[11]計算沉降時的規(guī)律，路面沉降呈現(xiàn)出沉降槽形狀，沉降槽寬度為供熱隧道中心線兩側各約18 m，沉降槽長度約為29 m，路面最大沉降點位于隧道拱頂正上方，在中心處沉降值達到最大，沉降值從隧道中心線向兩側逐漸減小，路面最大沉降值約為8.3 mm，最大沉降滿足沉降控制標準20 mm，且差異沉降較小，可以保證行車的舒適性。路面最終豎向位移云圖見圖4所示。

圖4 路面最終豎向位移云圖

5 路面沉降控制技術措施

a）通過超前探孔、地質素描等超前地質預報手段，進一步核實地質資料，完善施工方案，為施工提供可靠的技術保證。

b）超前支護輔助措施有縱向支撐梁、橫向拱形支護的作用，故可有效控制掌子面前方圍巖變形位移，及時合理的超前支護輔助措施大大提高掌子面穩(wěn)定性，有效控制圍巖變位，減少了對被穿越公路的擾動及影響。

c）鎖腳錨桿與鋼格柵拱架共同形成受力體系，可較好地控制鋼格柵拱架下沉位移，故下穿時要保證鎖腳錨桿施工質量及其受力性能的充分發(fā)揮。

d）優(yōu)化隧道施工工法，及時施作初期支護，并增強支護結構剛度，且每開挖一步盡早封閉成環(huán)，盡快施工二襯以實現(xiàn)圍巖變形控制。

e）下穿施工時實行交通管制，對省道車輛限速，距跨越處200 m限速50 km/h，距跨越處100 m限速30 km/h，減小隧道下穿時動荷載對路面沉降的影響。

f）加強施工監(jiān)控量測，應將施工階段路面沉降實測值與控制值進行對比分析，當路面沉降臨近、超過控制值或沉降速率過大時，立即增加監(jiān)測頻率，立即如實告知業(yè)主及公路管理部門，并采取應急措施控制路面沉降。

6 結論

a）分析研究類似淺埋隧道下穿公路時路面沉降實測值，確定本項目下穿工程路面沉降控制標準為20 mm，合理預測路面沉降，經數值分析，路面最大沉降點位于隧道拱頂正上方，路面最大沉降值約8.3 mm，施工現(xiàn)場實測路面沉降最大值約11.5 mm，與數值模擬結果較接近，最大沉降滿足沉降控制標準，下穿施工對公路路面沉降影響較小。

b）下穿過程中隧道施工引起的路面沉降與隧道超前支護、施工工法、隧道施工輔助措施等均有關，還與工程地質條件、水文地質條件的不確定性有關，鑒于隧道施工的復雜性，應加強施工監(jiān)測，收集分析隧道施工信息，及時調整設計參數進行動態(tài)設計，以保障下穿施工安全性。