摘要 結(jié)合小凈距隧道穿越超淺埋覆土段的特點(diǎn)，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(jià)等因素對(duì)比分析了三種施工方案，論證了蓋挖逆筑護(hù)拱法在施工時(shí)的優(yōu)勢(shì)及適用性；然后通過(guò)對(duì)護(hù)拱、支護(hù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算；最后通過(guò)有限元施工仿真模擬，對(duì)施工中可能存在的圍巖擾動(dòng)情況進(jìn)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(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0107-03

0 引言

隨著國(guó)家國(guó)土空間規(guī)劃的出臺(tái)，一大批基建項(xiàng)目如雨后春筍般出現(xiàn)，交通行業(yè)迎來(lái)蓬勃發(fā)展，但是在實(shí)際項(xiàng)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(shí)出現(xiàn)很多淺埋、偏壓隧道。宋之勇[1]依托實(shí)際隧道項(xiàng)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(jì)及施工的具體實(shí)施應(yīng)用；郭福[3]通過(guò)蓋挖逆筑法在洞口設(shè)計(jì)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(jià)及施工對(duì)周邊環(huán)境影響程度等因素進(jìn)行了綜合分析論證，通過(guò)有限元仿真模擬，對(duì)蓋挖逆筑法施工進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（兼顧城市道路功能）進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，暗洞采用復(fù)合式襯砌支護(hù)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(chǎng)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(duì)隧道施工的影響至關(guān)重要?，F(xiàn)場(chǎng)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(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)淋雨或涌泉狀出水，增加冒頂或坍塌風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)開(kāi)挖4個(gè)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(jìn)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(guò)程中需要采取一系列應(yīng)對(duì)措施。首先，應(yīng)對(duì)地下水豐富的情況采取有效排水措施，以減輕地下水對(duì)施工過(guò)程的干擾和影響。其次，針對(duì)可能出現(xiàn)的淋雨或涌泉狀出水情況，應(yīng)采取加強(qiáng)支護(hù)措施，確保施工現(xiàn)場(chǎng)的安全。此外，對(duì)于土層的復(fù)ehAe3MiXbzSuUhdHxBCL04QEQhRY53ZzHKgq0+Uw8wE=雜性和易坍塌性，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，保障施工的順利進(jìn)行和人員的安全。

2.2 周邊環(huán)境條件

周邊環(huán)境條件對(duì)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(jìn)行和對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)。

（1）淺埋段地表存在多處墳?zāi)?，距離隧道拱頂較近，隧道開(kāi)挖爆破可能會(huì)對(duì)墳?zāi)巩a(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致墳?zāi)蛊茡p或開(kāi)裂。因此，在施工時(shí)需要對(duì)周圍邊坡進(jìn)行防護(hù)，采取措施保護(hù)墳?zāi)沟姆€(wěn)定性，并且對(duì)墳?zāi)怪苓叢扇∨潘胧?，避免水流?duì)墳?zāi)沟倪M(jìn)一步影響，確保施工過(guò)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(wú)法避開(kāi)隧道整體線位，只能采用下穿方案。隧道施工完成后，需要對(duì)現(xiàn)狀沖溝進(jìn)行改建，以恢復(fù)其原有的農(nóng)田功能。在改建過(guò)程中需要注意保護(hù)農(nóng)田資源，避免對(duì)農(nóng)田土壤和作物造成影響，同時(shí)確保沖溝的排水功能不受影響，維護(hù)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(jì)理念，該淺埋段不滿足覆土要求，因此針對(duì)該淺埋段需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。從該項(xiàng)目超淺埋、深厚軟土地層等特點(diǎn)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(jìn)行比選分析論證，如表1所示：

從技術(shù)難度、施工工期、造價(jià)及施工對(duì)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(jì)算

3.2.1 覆土荷載取值

對(duì)于填土隧道和淺埋隧道，因其上方無(wú)法形成承載拱，豎向壓力一般按照計(jì)算截面以上的全部土柱重力進(jìn)行計(jì)算[4]。該文取最不利埋深的情況，進(jìn)行荷載計(jì)算說(shuō)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(jìn)行計(jì)算，考慮施工荷載取值為20 kPa。

3.2.2 蓋挖護(hù)拱結(jié)構(gòu)計(jì)算

護(hù)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(jì)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(jìn)行擴(kuò)大斷面的設(shè)計(jì)，同時(shí)增加18號(hào)工字鋼以提高結(jié)構(gòu)剛度。護(hù)拱結(jié)構(gòu)變形量較小，整體呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)，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(jìn)行開(kāi)挖及支護(hù)，確保施工安全。

3.2.3 施工過(guò)程模擬計(jì)算

為了預(yù)測(cè)在施工期間因地層損失所帶來(lái)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(jìn)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(jì)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(hù)拱保護(hù)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?yàn)榛踊靥盍瞬糠指餐炼斐傻木植砍两怠?/p>

（2）周邊圍巖塑性區(qū)分布

在開(kāi)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(shí)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(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)沉降觀測(cè)，重點(diǎn)關(guān)注拱頂沉降變形情況。

（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性

依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 3370.1—2018）[5]，按破損階段法驗(yàn)算鋼筋混凝土襯砌的正截面強(qiáng)度，同時(shí)計(jì)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(duì)稱配筋各設(shè)置5根φ25螺紋鋼筋，經(jīng)計(jì)算為大偏心受壓，具體計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)4。

4 蓋挖法施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 蓋挖護(hù)拱施工

在蓋挖護(hù)拱施工中，針對(duì)拱形斷面的特點(diǎn)，土胎膜的使用至關(guān)重要。在施工過(guò)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(hù)拱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力。同時(shí)，在開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)采用人工修理的方式，通過(guò)邊開(kāi)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(hù)拱的整體質(zhì)量和安全性。

在護(hù)拱基礎(chǔ)的施工中，掏槽工藝的運(yùn)用至關(guān)重要。通過(guò)人工掏槽出護(hù)拱基礎(chǔ)，并及時(shí)打設(shè)鎖腳錨桿，可以確?；A(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(hù)拱的整體受力性能，還能增強(qiáng)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(guò)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(jì)要求。同時(shí)，考慮反壓回填和后期施工可能帶來(lái)的沉降影響，將工字鋼鋼架外放10～15 cm，可以有效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和沉降，確保護(hù)拱的穩(wěn)定性和安全性，如圖1所示。因此，在蓋挖護(hù)拱施工中，綜合運(yùn)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(jìn)行和安全運(yùn)營(yíng)。

4.2 回填反壓及水溝改建

在進(jìn)行回填反壓施工時(shí)，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(shí)，在拱腰部位，為保證回填的密實(shí)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(duì)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(jìn)行基坑開(kāi)挖前，需要對(duì)淺埋段沖溝進(jìn)行臨時(shí)改遷，以保障基坑開(kāi)挖的安全性。首先，可以在沖溝上游施作攔水壩進(jìn)行集水，以防止水流過(guò)大對(duì)基坑開(kāi)挖的干擾。然后，沿著山體方向設(shè)置排水溝，將上游的來(lái)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(guò)這些臨時(shí)改遷措施，可以最大限度地減少?zèng)_溝對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程的干擾，確保施工的順利進(jìn)行和工程的安全實(shí)施。

4.3 監(jiān)控量測(cè)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在隧道施工過(guò)程中，監(jiān)控量測(cè)扮演著至關(guān)重要的角色。它通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為噴錨支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整提供準(zhǔn)確依據(jù)。監(jiān)控量測(cè)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(yùn)營(yíng)安全的重要保障。通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析和評(píng)估，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，指導(dǎo)施工過(guò)程的合理進(jìn)行，并為后續(xù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，根據(jù)隧道暗洞開(kāi)挖情況對(duì)洞內(nèi)、洞外進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)尤為重要。通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)了解施工過(guò)程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況，及時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)。一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就能夠迅速對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，采取相應(yīng)的措施確保施工的順利進(jìn)行和工程安全。因此，在隧道施工中，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(jìn)行和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。

5 結(jié)語(yǔ)

（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(jià)及施工對(duì)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(xiàng)目。

（2）根據(jù)有限元仿真模擬計(jì)算，護(hù)拱在暗挖期間對(duì)減小地表及拱頂?shù)某两底饔妹黠@，由此說(shuō)明設(shè)計(jì)方案比較合理，可以推廣到類似工程中實(shí)施。

（3）需要說(shuō)明的是，在實(shí)際施工條件下應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖具體揭露的地質(zhì)條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)調(diào)整，以優(yōu)化開(kāi)挖工法，從而達(dá)到縮短工期以及節(jié)省造價(jià)的目的。

參考文獻(xiàn)

[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(guó)智慧城市經(jīng)濟(jì)專家委員會(huì).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(kāi)發(fā)，2021（24）：44-45.

[3]郭福.蓋挖法在隧道設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 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(jiǎn)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。