隧道超淺埋段下穿既有公路

趙修旺 陳濤

摘要：涼山州中（所）冕（山）公路小相嶺隧道出口下穿既有公路，下穿段覆土小，圍巖較破碎，而且公路上有較多重型貨車通過，為保證隧道施工安全，采用地表預注漿加固措施，并通過有限元數值模擬分析地表預注漿加固效果。得出結論如下：下穿段通過地表注漿加固，有效的提高了圍巖強度，控制了隧道拱頂沉降值，最終沉降值較小，較大的改善了隧道初支及二襯的受力情況，注漿效果顯著，該措施是安全可行的。

關鍵詞：小相嶺隧道;地表預注漿;下穿;數值分析;結構受力

1 引言

我國是一個多山的國家，75%左右國土都是山地，進入21世紀10年來，我國公路網交通逐漸向崇山峻嶺穿越，向離岸深水延伸，公路隧道在交通基礎設施的建設中，起到越來越重要的作用，截止2010年底，全國公路隧道為7384處、512.26萬米，其中，特長隧道265處、113.80萬米，長隧道1218處、202.08萬米。在公路隧道迅速發展的同時，公路隧道建設尚存在許多技術瓶頸亟待解決[1]。

隨著國民生產力及公路隧道技術的發展，考慮行車條件及后期可能存在的改造升級，公路隧道在線形上要求盡量采用較好的線形設計，因此不可避免的隧道下穿既有公路的情況也越來越多。如何保證既滿足隧道施工安全，又不影響上部公路通行，就成了一個普遍擺在設計者面前的問題。本文針對涼山州中（所）冕（山）公路小相嶺隧道出口處下穿既有公路段采取的地表預注漿加固措施，結構工程經驗并通過數值分析模擬，研究地表預注漿加固技術在隧道下穿既有公路上的加固效果。

2 工程背景

小相嶺隧道地處四川省西南部的涼山彝族自治州北部喜德、越西兩縣交界的小山一帶。隧道附近聚集了登相營古驛站風景名勝區、小相嶺風光風景名勝區等一系列的旅游資源。現有公路翻越小山路段，累計翻山里程達到25余公里，由于現有公路（縣道XW07線）技術等級低、海拔高、地勢陡峭、地質穩定性差、路基沉降現象突出，滑坡、雪災、冰凍、水毀等自然災害與地質病害嚴重，抗災害能力弱，經常造成交通阻塞，甚至斷道，致使車輛行駛速度慢、服務水平低、交通事故時有發生。該路段已成為制約縣道XW07線保持常年暢通的瓶頸，也是阻礙該區域經濟發展的瓶頸。因此小相嶺隧道的建設迫在眉睫。

小相嶺隧道兩端與縣道相接，隧道為單洞雙向兩車道，隧道主洞全長3424m;為滿足運營期間的通風救援需要，同時加快施工進度，在隧道右側設一貫通的平行導洞，主洞和平行導洞的中線間距為29～32m，平導全長3373m。隧道主洞內輪廓凈空寬度10.6m，高度6.83m，平導內輪廓凈空寬度6.28m，高度6.15m。隧道采用平導壓入式通風，在平導洞口段局部采用和主洞大小一樣的斷面，既滿足緊急情況下過車，又滿足通風需要。隧道出口下穿既有公路，最小覆土厚約4.25m。隧道出口處和既有縣道的位置關系如圖1和圖2所示。

圖1 隧道出口平面圖

圖2 隧道主洞出口縱斷面圖

出口處地下水豐富，基巖為白果灣群砂巖夾泥巖，中厚～厚層狀，強風化，在剛剛完成的縣道改造升級中經過開挖擾動，節理裂隙較發育，巖體較破碎，且公路上常有重型貨車通過，超載現象嚴重。在隧道頂部覆土如此小的情況下，施工時宜發生拱頂塌方、路面沉降過大、初支失穩等風險。

3 工程保護措施

針對隧道出口處下穿縣道段的情況，既有縣道在改造升級時，已經進行了較大挖方，邊坡較高，為了保證縣道的正常通行，同時避免對已開挖邊坡的再次擾動，采用暗挖下穿縣道。參考《公路隧道設計規范》[2]和《地下工程淺埋暗挖技術通論》[3]，結合工程經驗，下穿縣道段采用單側壁導坑法開挖，并輔以超前大管棚和地表預注漿加固措施。

3.1 下穿段支護參數

超前支護采用φ159×8大管棚，拱部140°范圍設置，環向間距0.4m;初期支護采用26cm厚C25網噴砼，鋼架采用工20a型鋼，間距0.5m，邊墻設直徑為22mm的砂漿錨桿，L=3.5m，間距1.2×0.5m;二次襯砌采用55cm厚C30鋼筋砼。

3.2 地表預注漿加固措施

縣道上方常有重型貨車通過，且超載嚴重現象較多，在頂部覆土只有4.25～5.66m的情況下，容易發生塌方、初支失穩等風險，因此采用地表預注漿加固措施，保證隧道開挖安全，同時控制地表沉降。隧道主洞加固長度為洞口向洞身19m，即K22+411～K22+430。水平加固范圍為隧道洞身兩側各3m范圍，豎向加固范圍為地面至隧道大距線以上2m;注漿管采用?80×4（mm）鋼管，漿液選用水泥漿，水灰比為0.6：1～1.5：1，并根據現場實驗預以調整，注漿管間距1.0m×1.0m，梅花形布置。隧道平導加固長度為洞口向洞身21m，即PDK22+395～PDK22+416，其它參數與主洞相同。隧道主洞地表預注漿平面和剖面圖如圖3和圖4所示。

圖3 主洞地表預注漿平面圖

圖4? 主洞地表預注漿加固剖面圖

為了減少洞口超前大管棚施工和地表預注漿施工的相互干擾，施工時建議先進行洞口管棚施工，再進行地表預注漿。在大管棚范圍內地表注漿深度僅施工至管棚頂，以便于地表預注漿施工及后續開挖。

3.3 其它保護措施

隧道出口段下穿縣道，上方有重車通行，施工時應做好控制爆破，并控制開挖進尺、加強監測，及時施做初支、二襯，在二襯施工完成并達到設計強度前（尤其在拆除臨時豎撐后、二襯施工前），地面應采取限行、繞行減速等措施，保證隧道結構安全。

3.4 施工方法

施工工序如圖5所示，圖中各步驟為：

步驟1：拱部超前支護施作;

步驟2：左側導洞開挖;

步驟3：左側導洞初期支護;

步驟4：右側洞上部開挖;

步驟5：右側洞上部初期支護;

步驟6：右上部核心土開挖;

步驟7：右側洞下部開挖;

步驟8：右側洞下部初期支護;

步驟9：防水層施做;

步驟10：分段施做仰拱模筑襯砌

步驟11：分段施做拱、墻模筑襯砌;

步驟12：隧底填充、中央排水溝施做;

步驟13：溝槽、路面施做。

圖5 隧道主洞出口施工方法斷面圖

4 隧道結構安全計算

4.1 建立有限元數值分析模型

由于隧道開挖僅對一定的有限范圍內的圍巖產生較明顯的影響，在距開挖部位較遠一些的地方，其應力及位移變化很小，在3倍跨度處的應力變化一般在10%以下，在5倍跨度處一般在3%以下[4]。所以有限元分析的區域可確定在這個范圍內（3～5倍洞跨），在這個范圍的邊界上可認為因開挖引起的位移為零，或者開挖不引起應力的變化。為減小有限元模型中邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，計算模型的邊界范圍在各個方向上均取大于三倍的洞跨。

采用MIDAS GTS大型有限元計算軟件，計算模型尺寸水平方向取100m，豎直方向自隧底以下取40m，向上取至地面。縣道上方重型貨車荷載，根據《公路橋涵設計通用規范》[5]4.3.1條取值，考慮0.45的沖擊系數及1.4的超載系數后，近似轉換成均布荷載為59.89kN/m，有限元模型如圖6所示。

圖6 隧道有限元數值分析模型

模型中假設場地內無構造活動的影響，原巖應力為大地靜力場型，各巖層之間為整合接觸，巖層內部為連續介質[6]。初期支護和臨時支護只考慮彎矩和軸力，采用梁單元來模擬;二次襯砌、超前大管棚加固地層、地表預注漿加固地層及圍巖采用平面四邊形單元來模擬;錨桿采用植入式桁架單元模擬。其中初期支護和臨時支護的變形模量考慮鋼架的加強作用。圍巖及支護結構物理力學參數見表1。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數表

材料

容重

γ（kN/m3）

變形模量E/GPa

泊松比μ

內聚力

C/kPa

內摩擦角φ/°

V級圍巖

19

1.2

0.38

60

22

大導管和地表預注漿加固地層

20

1.8

0.35

200

25

初期支護、臨時支護

23

29

0.2

-

-

C30鋼筋混凝土

25

31

0.2

-

-

錨桿

-

210

0.3

-

-

4.2 數值模擬計算結果

a.注漿前????????????????????????????????????????????? b.注漿后

圖7 地表預注漿前后豎向位移云

a.注漿前??? ??????????????????????????????????b.注漿后

圖8 地表預注漿前后初支彎矩圖

a.注漿前???????????????????????????? b.注漿后

圖9 地表預注漿前后二襯第一主應力云圖

4.3 對數值模擬結果的分析

對隧道下穿既有縣道采取地表預注漿前后豎向位移、初支彎矩、二襯應力結果分析如下：

1）在未采取地表預注漿加固前，最大拱頂沉降為6.63mm，地表預注漿后，最大拱頂沉降為3.72mm。由此可知，在進行地表預注漿漿加固措施后，拱頂沉降有明顯減小，在二次襯砌不能及時跟進且上部有重型車輛通過的情況下，對于隧道開挖安全起到較大保障作用。

2）由于采用單側壁導坑法施工，初支最大正彎矩均發生位置在左側仰拱和邊墻交接處，注漿前為67.59kN.m，注漿后降低至52.60 kN.m。初支最大負彎矩均發生位置在仰拱處，注漿前為50.23kN.m，注漿后降低至37.84 kN.m。由此可見，通過地表預注漿，使初支變矩明顯減小，有利于洞室穩定。

3）地表預注漿前后，二次襯砌拉應力均出現在拱頂內側和仰拱處，其中仰拱處拉應力很小，最大拉應力在注漿前為10.43kPa，注漿后為4.01kPa，均遠小于襯砌砼的容許拉應力。二次砌襯最大壓應力均出現在拱腳內側，注漿前為319.80kPa，注漿后為109.61kPa。由此可見，通過地表預注漿，二次襯砌的拉壓應力均明顯減小，較大程度上改善了二次襯砌的受力情況，注漿效果顯著。

5 結論與建議

1）小相嶺隧道出口處下穿既有縣道，覆土較小，在縣道升級改造時經過一定擾動，圍巖較破碎，并且上方常有重型貨車通行，在這種不利情況下，在超前大管棚保護下采用單側壁導坑法施工，并通過地表預注漿來保證結構安全是有必要的。

2）通過地表預注漿加固措施，有效的減小了地表沉降，隧道初支和二襯結構受力有較大改善，說明注漿措施是可行的，注漿效果是明顯的。

3）本文通過有限元數值模擬分析在地表預注漿前后工況下地層沉降值、初支受力、二襯受力，由于計算理論中的基本設定條件與地層的實際狀況不完全一致，采用平面有限元計算時沒有考慮工作面巖體的三維約束效應，可能會導致計算結果與實際受力情況有一定的偏差，因此在隧道施工中，應根據現場監測結果，將數值模擬分析結果和現場情況相結合，得到更加準確的結果，以給后續相似工程提供參考借鑒的經驗。

參考文獻：

[1]霍孫濤.隧道病害診治處理思路探討[J].中國科技博覽，2013（30）：110-110.

[2]JTG D70-2004 公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].安徽，合肥：安徽教育出版社，2004.

[4]李輝，炊鵬飛，楊小紅，等.隧道下穿采空區的監測及結果分析[J].地下空間與工程學報，2011，7（4）：753-758.

[5]JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6]趙丹，朱向前，彭立敏.偏壓連拱隧道施工順序分析[J].西部探礦工程，2006（3）：141-144.