淺埋暗挖工法在三孔矩形結構穿越公路中的應用

王 慧 夏友軍

(1.湖北交通職業技術學院，湖北 武漢 430079； 2.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074)

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淺埋暗挖工法在三孔矩形結構穿越公路中的應用

王 慧1夏友軍2

(1.湖北交通職業技術學院，湖北 武漢 430079； 2.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074)

以南水北調工程穿越112國道為背景，針對總跨18.5 m的三孔矩形箱涵結構在覆跨比小于0.2的工況，提出采用淺埋暗挖工法穿越既有道路的設計方案，并從結構承載能力、控制地表沉降、確保施工安全的角度，簡要介紹了大跨矩形斷面采用淺埋暗挖工法的設計特點以及設計過程，為類似工程施工積累了經驗。

淺埋暗挖工法，三孔矩形箱涵，超前支護，初期支護，地表沉降

0 引言

淺埋暗挖工法是在距離地表較近的地下進行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法，該工法以改造地質條件為前提，控制地表沉降為重點，突出時空效應對防塌的重要作用。施工中，采用多種輔助措施加固圍巖，開挖后及時支護，通過圍巖、初期支護和二次襯砌形成聯合支護體系，來共同承擔荷載作用，有效地控制圍巖的過大變形。該工法一般按照施工準備、超前小導管布設、注漿、土方開挖、格柵架立、鋼筋網片、連接筋、噴射混凝土、防水施工、二次襯砌的順序進行施工。該工法具有拆遷少、污染少，靈活多變、無需太多專業設備且不干擾地面交通和周圍環境的特點，在我國地下工程領域廣泛應用。

南水北調工程穿越112國道采用三孔矩形斷面箱涵結構，開挖跨度18.4 m，最小覆跨比0.12，由于埋深太淺，采用頂進施工困難較大，針對上述問題經經濟技術分析比較，確定采用淺埋暗挖方案進行穿越，以下進行簡要介紹。結構橫斷面圖見圖1。

1 工程概況

112國道為雙向兩車道二級公路，涵址處路基全寬12.0 m。路基(路肩)高程11.61 m，最大覆土厚度3.7 m，設計荷載為公路—Ⅰ級。淺埋暗挖段全長75 m，箱涵與112國道斜交角度為28°。

涵址處地層為素填土、砂壤土、粘土、壤土、砂壤土，砂壤土為強透水性，壤土為弱透水性，粘土為極弱透水性。地下水位0.2 m左右，箱涵穿過砂壤土和粘土層，坐落于壤土上。

2 設計思路

2.1 結構設計

淺埋暗挖法的設計思想，很重要的一點就是初期支護結構按承擔全部基本荷載進行設計，二次襯砌作為安全儲備，初期支護和二次襯砌共同承擔特殊荷載。

箱涵主體結構計算根據《水工混凝土結構設計規范》規定，鋼筋混凝土箱涵需要進行結構構件的強度計算和構件裂縫寬度計算。鋼筋混凝土箱涵結構構件的強度計算包括荷載計算、結構內力計算和配筋計算三部分。箱涵不同荷載組合下的所有的計算工況均需進行結構構件的強度計算。根據箱涵使用上的要求對基本組合的計算工況需進行結構構件裂縫寬度驗算。箱涵結構構件裂縫寬度驗算根據結構構件強度計算的結果進行。

2.1.1 荷載計算

作用在箱涵上的荷載主要包括結構自重、豎向土壓力、側向土壓力、箱涵外水壓力、箱涵內水壓力、浮力、地面活載、地基反力及地震荷載等。地震波使結構產生慣性力，從而發生剪切變形和彎曲變形，為簡化計算，采用靜力法計算地震波對結構的影響。

結構極限狀態設計分別采用上述荷載的基本組合和偶然組合進行計算。

2.1.2 內力計算

設計采用有限框架單元進行了各種工況條件下的內力計算，計算時取單位箱涵長度，應用桿件系統有限單元法，箱涵底板地基反力近似按直線分布進行計算。設計采用了SAP84微機結構分析通用程序進行計算。由于計算結果中彎矩及剪力均未進行支座折減消峰，計算配筋及裂縫寬度時均采用折減消峰后的彎矩及剪力值。計算包絡圖見圖2。

2.1.3 配筋計算

設計根據程序計算成果，分別對箱涵各部分構件進行了強度、斜截面抗剪計算，同時根據規范要求對箱涵構件基本荷載組合進行了裂縫驗算，并最終確定了每延米配筋量。

2.2 地表沉降控制

地表沉降是本次隧道設計的重點和難點之一，設計中從地層加固、開挖方法、支護措施、跟蹤注漿四方面對地表沉降進行了針對性設計。

2.2.1 地層加固

地層加固的方法有很多，常用的有地表注漿加固、超前管棚、超前錨桿、凍結法等，由于本項目為穿越既有道路，采用地表注漿很難實現，而采用超前錨桿剛度較小，采用凍結法施工組織較為復雜，綜合考慮項目特點設計最終采用超前管棚方案進行地層加固。洞口設置108大管棚，洞內設置雙層小導管。

2.2.2 開挖方法

保持開挖面穩定，減少對地層的擾動，對于控制地表沉降是極其重要的，本項目屬軟土大斷面地下工程，即使采用了地表預加固措施，仍不宜采用全斷面開挖。為有效控制地表沉降，設計采用先開挖中間孔，再開挖兩側邊孔的開挖順序，每單孔分四個斷面進行開挖，同時孔內設置臨時支撐。開挖進尺嚴格控制在0.6 m以內。開挖方法見圖3。

2.2.3 支護措施設計

大斷面淺埋軟土暗挖地下結構要求支護必須及時、密貼，且需要大剛度、早封閉。由于噴射混凝土的早期強度發展是控制地表變形、減小地表沉降的重要因素，設計中初期支護采用了型鋼拱架加鋼纖維混凝土的組合方案。每立方米噴射混凝土中鋼纖維摻量為60 kg～70 kg。

2.2.4 跟蹤注漿設計

跟蹤注漿是在開挖過程中，在頂部預埋補償注漿管，視實施超挖及地表沉降情況，通過預留的注漿管向地層注漿，而且通過控制注漿壓力及注漿量，有效填充頂板空隙，以減小地表沉降量。本工程在頂板設置了跟蹤注漿管，根據施工過程中開挖情況及時對頂板上方進行注漿回填，實際施工顯示，跟蹤注漿對控制地表沉降非常有效，經實測公路路面最大沉降量不足4 cm，表示很好地控制了地表沉降量。施工現場圖見圖4。

3 結語

淺埋暗挖工法是我國隧道設計施工的一大法寶，該工法的創立為我國淺埋軟弱地層地下工程修建提供了廣闊的空間，該方法施工靈活、應變能力強。南水北調三孔矩形斷面箱涵工程采用淺埋暗挖法穿越112國道的成功又一次證明了淺埋暗挖工法在地下工程建設中的合理性及可靠性，也為我國今后類似工程的設計施工提供了寶貴經驗，值得大力借鑒與推廣。

[1] JTG D70—2004，公路隧道設計規范[S].

[2] SL 191—2008，水工混凝土結構設計規范[S].

[3] DL 5077—1997，水工建筑物荷載設計規范[S].

[4] SL 203—97，水工建筑物抗震設計規范[S].

The application of shallow excavation method in three-hole rectangular structure through the highway

Wang Hui1Xia Youjun2

(1.HubeiTransportationVocationalTechnicalCollege,Wuhan430079,China; 2.HubeiTransportationInvestmentGroupLimitedCompany,Wuhan430074,China)

Taking the South-North water transfer project through 112 National Road as the background, according to the working conditions of three-hole rectangular box culvert structure with total cross 18.5 m cover span ratio less than 0.2, put forward the design scheme using shallow excavation construction method through existing roads, and from the structure bearing capacity, surface control, ensuring the construction safety angle, briefly introduced the design features and design process of big span rectangular section using shallow excavation method, accumulated experience for similar engineering construction.

shallow excavation method, three-hole rectangular box culvert, advance support, initial support, ground settlement

1009-6825(2016)31-0164-02

2016-08-25

王 慧(1985- )，女，工程碩士，講師； 夏友軍(1985- )，男，工程師

U415.11

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