鄔 澤，朱 愷

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

莞惠城際惠環(huán)站—新客運(yùn)南站區(qū)間于GDK91+340～GDK91+615段以雙連拱隧道下穿惠鹽高速公路，該段隧道埋深約 10～17 m，開挖寬度 16.7～19.19 m，開挖高度9.9 m，開挖面積為145～167 m2，是典型的淺埋暗挖大斷面隧道。隧道沿途地質(zhì)條件較差，地下水位埋深淺，隧道主要穿越全、強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖層，部分段落隧道全斷面位于全風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖層中。全風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖呈土狀，工程力學(xué)性質(zhì)較差;強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖石強(qiáng)烈破碎。隧道開挖后，圍巖易坍塌，易出現(xiàn)地表下沉(陷)或坍塌冒頂現(xiàn)象。

惠鹽高速公路于1993年12月30日全線貫通，是連接惠州市和深圳市鹽田區(qū)的高速干道?；蓰}高速公路目前主線為雙向4車道，路面寬度約24 m，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km，是廣東省境內(nèi)建成較早、車流量大、設(shè)計(jì)時(shí)速較高的高速公路，隧道施工若造成高速公路沉降將對(duì)地面交通安全產(chǎn)生很大影響。

在地質(zhì)條件較差，隧道埋深較淺的條件下施工大斷面雙連拱隧道，既要保證隧道結(jié)構(gòu)自身的安全，又要保證高速公路的運(yùn)營安全。因此，采取何種措施在保證高速公路運(yùn)營安全的前提下，順利完成該段雙連拱隧道的施工是本工程的關(guān)鍵。經(jīng)工程類比，制定了隧道下穿高速公路的地層變形控制措施，擬定了隧道的施工方法，通過數(shù)值模擬分析，對(duì)所采取措施和施工方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，以期指導(dǎo)類似工程的設(shè)計(jì)和施工。

2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖1)

圖1 雙連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位:mm)

隧道設(shè)計(jì)遵守相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，結(jié)合實(shí)際情況，按“預(yù)堵水、管超前、強(qiáng)支護(hù)、弱爆破、短進(jìn)尺、早封閉、勤監(jiān)測、備預(yù)案”的原則，制定下穿段的設(shè)計(jì)和施工方案。

隧道按新奧法原理，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。隧道采取以下支護(hù)及輔助措施控制地表沉降和保證隧道在無水條件下開挖，確保施工過程的安全。

(1)隧道半、全斷面注漿

隧道采用半、全斷面注漿加固止水措施，保證隧道的安全開挖。

(2)長管棚支護(hù)

隧道拱部120°范圍設(shè)φ108 mm長管棚進(jìn)行超前支護(hù)，保證隧道開挖安全。

(3)超前注漿小導(dǎo)管

隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)φ42 mm超前注漿小導(dǎo)管對(duì)地層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿。

(4)初期支護(hù)

初期支護(hù)厚350 mm，采用C25、抗?jié)B等級(jí)P6噴射混凝土，全環(huán)設(shè)置I25a鋼架，鋼架間距0.5 m。邊墻設(shè)置砂漿錨桿，梅花形布置。

(5)二次襯砌

二襯拱頂和邊墻厚500 mm，仰拱厚550 mm，根據(jù)地下水的侵蝕性和隧道的埋置深度，二次襯砌采用C45，抗?jié)B等級(jí)P10鋼筋混凝土。

3 隧道施工方案

隧道按噴錨構(gòu)筑法和淺埋暗挖法原理進(jìn)行施工，以合理地利用圍巖自承能力，盡量減少隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)為原則，采用人工或機(jī)械開挖技術(shù)，結(jié)合爆破開挖，以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土及鋼架作為主要施工支護(hù)手段，模筑鋼筋混凝土為二次襯砌，并通過現(xiàn)場監(jiān)控量測指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

雙連拱隧道采用中洞法施工，中導(dǎo)洞先行，并施作中墻，探明圍巖條件后再進(jìn)行兩側(cè)隧道的開挖，具體施工步驟如圖2所示。

圖2 雙連拱隧道中洞法施工步驟

4 數(shù)值模擬分析

4.1 分析內(nèi)容

(1)選取隧道埋深最淺、風(fēng)險(xiǎn)最大的斷面進(jìn)行數(shù)值分析。

(2)分析隧道橫斷面上地面沉降規(guī)律，確定地面沉降最大點(diǎn)的位置和沉降值。

(3)分析路面上較大沉降點(diǎn)處隧道通過前后的沉降規(guī)律，驗(yàn)證隧道開挖步驟及措施的可靠性。

4.2 計(jì)算軟件

本文采用目前國際上較通用的巖土工程軟件FLAC－3D對(duì)隧道開挖后路面沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

4.3 計(jì)算假定

(1)隧道施工期間，既有公路結(jié)構(gòu)僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況。

(2)高速公路路面車輛荷載采用20 kPa的均布荷載替代。

(3)土體是連續(xù)的、非線性材料，隧道結(jié)構(gòu)及路基結(jié)構(gòu)是線彈性材料。

(4)假定區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)與高速公路路基結(jié)構(gòu)間土體符合變形協(xié)調(diào)原則。

(5)本分析的前提是施工處于正常良好控制條件下。

(6)土體變形為小變形。

4.4 三維分析模型

模擬區(qū)域沿隧道線路方向取45 m長，深度取隧道底部下50 m深，橫向取結(jié)構(gòu)外兩側(cè)45 m，結(jié)構(gòu)埋深約10 m，隧道正上方高速公路路基寬取24 m。建立的計(jì)算模型如圖3所示，模型上邊界為自由邊界，底部約束豎向位移，各側(cè)邊限制橫向位移。模型共計(jì)85 815個(gè)單元，90 022個(gè)節(jié)點(diǎn)，全部采用實(shí)體單元建模。

圖3 雙連拱隧道三維分析模型

土體和注漿加固區(qū)采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，隧道初期支護(hù)、二次襯砌及公路路基采用彈性本構(gòu)模型。

雙連拱隧道開挖前長管棚及小導(dǎo)管注漿加固通過增強(qiáng)該區(qū)域內(nèi)土體參數(shù)方法進(jìn)行模擬。

4.5 計(jì)算參數(shù)

隧道所處地層從上往下依次為素填土、全風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖，其具體圍巖計(jì)算參數(shù)及土體加固區(qū)計(jì)算參數(shù)見表1。

雙連拱隧道初支、二襯混凝土及路基混凝土材料參數(shù)如表2所示。

4.6 計(jì)算工況

本次數(shù)值模擬的計(jì)算工況根據(jù)實(shí)際施工工序進(jìn)行簡化，模型的開挖支護(hù)共分為5個(gè)工況進(jìn)行模擬，見表3。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

表2 隧道初支、二襯及路基材料力學(xué)參數(shù)

表3 雙連拱隧道施工計(jì)算工況

在施工模擬過程中，每一個(gè)工況的開挖長度均為3 m，并以此確定每15 m范圍內(nèi)為一個(gè)開挖循環(huán)。從工況二起，都在前一工況再繼續(xù)向前開挖3 m的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步的模擬，直至完成全部開挖。如圖4所示。

4.7 計(jì)算結(jié)果分析

為減少模型邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，選取縱向15～30 m范圍內(nèi)的開挖循環(huán)進(jìn)行分析。圖5為不同計(jì)算工況下15～30 m范圍內(nèi)土體豎向變形云圖。

從圖5中可以看出，由于開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，隧道拱部出現(xiàn)向下的沉降，下部土體(核心土)處會(huì)有部分的隆起。隨著隧道不斷向前開挖，隧道拱頂?shù)某两狄苍诓粩嘣黾?，?dāng)完成工況五時(shí)，隧道拱部土體沉降達(dá)到9.5 mm，此時(shí)模型15 m處的地表沉降曲線如圖6所示。從沉降曲線可以看出，隧道施工引起的地面位移以下沉為主，最大沉降量出現(xiàn)在中隔墻上方土體，沉降槽為以中隔墻上方為最低點(diǎn)呈正態(tài)分布，隧道開挖主要影響為中線左右兩側(cè)20 m。

圖4 雙連拱隧道開挖工序示意

圖5 15～30 m開挖循環(huán)土體豎向位移

圖6 完成工況五時(shí)隧道15 m處地表沉降曲線

模型15 m處隧道斷面上部地表在隧道開挖全過程中的沉降值變化如圖7所示。從圖7中可以看出，土體在15～30 m范圍內(nèi)(即一個(gè)開挖循環(huán))沉降變化最大，30 m以后(15 m處已完成二襯施作)變化趨于平緩，最終沉降達(dá)到9.5 mm左右。

圖7 模型15 m處隧道斷面上部地表沉降曲線

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

(1)在雙連拱隧道段埋深最淺處(約10 m)，隧道采用中洞法施工引起的惠鹽高速公路的路面最大沉降為9.5 mm，滿足高速公路的運(yùn)營安全。

(2)隧道施工引起的地面位移以下沉為主，最大沉降量出現(xiàn)在中隔墻上方土體，沉降槽為以中隔墻上方為最低點(diǎn)呈正態(tài)曲線分布，根據(jù)沉降曲線，隧道開挖主要影響范圍為隧道中線兩側(cè)20 m。

(3)從掌子面的開挖對(duì)地表沉降的影響看，在土體開挖到隧道二襯澆筑完畢這一個(gè)循環(huán)內(nèi)，地表沉降速率最快，二襯澆筑完畢后，地面沉降將趨于穩(wěn)定。因此應(yīng)遵循“少擾動(dòng)、快加固、勤量測、早封閉”的原則，盡早封閉初支和二襯緊跟的做法可以較好地控制地表沉降。

5.2 建議

為實(shí)現(xiàn)隧道施工對(duì)上方高速公路影響盡量最小的目標(biāo)，控制隧道暗挖法施工引起的變形，提出以下建議。

(1)施工應(yīng)按“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、早支護(hù)、快封閉、勤量測、速反饋”的原則進(jìn)行。開挖前應(yīng)先進(jìn)行加固及護(hù)頂，施工過程中加強(qiáng)對(duì)隧道開挖支護(hù)和路面監(jiān)控量測。根據(jù)監(jiān)測反饋信息，必要時(shí)增加臨時(shí)支撐或調(diào)整開挖支護(hù)順序，或提前施作二次襯砌。

(2)采用合理的開挖方式，變大跨為中跨或小跨，邊開挖邊支護(hù)，步步為營，當(dāng)采用留核心土環(huán)形開挖時(shí)，核心土斷面應(yīng)大于開挖斷面的50%。

(3)施工中應(yīng)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，盡量采用人工或機(jī)械開挖，當(dāng)不得不爆破開挖時(shí)，應(yīng)采用光面或預(yù)裂等控制爆破技術(shù)，采取短進(jìn)尺，弱爆破施工。

(4)鋼架拱腳需認(rèn)真處理，拱腳未落腳處需設(shè)置鎖腳錨桿，在軟弱圍巖加墊槽鋼。

(5)對(duì)于軟弱圍巖隧道，在開挖超前15～30 m后，應(yīng)及時(shí)施作該段的二次襯砌，以使隧道盡快形成完整的受力結(jié)構(gòu)。隧道二襯拱部應(yīng)進(jìn)行充填注漿，以防止隧道拱部二襯與防水層之間形成空隙。

(6)施工中加強(qiáng)管理，嚴(yán)格按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝、細(xì)則進(jìn)行施工，保證施工質(zhì)量。

(7)應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案，確保出現(xiàn)險(xiǎn)情后有足夠的應(yīng)對(duì)措施及人員。

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