下穿高速公路隧道施工工法及穩(wěn)定性影響分析

(中交第二航務(wù)工程局第三工程有限公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

一、引言

馬來西亞東海岸鐵路項目文東2#隧道工程的建設(shè)是將在現(xiàn)有的E8高速公路進(jìn)行下穿施工的一條隧道，下穿E8高速公路最小垂直間距為11m，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)查，建造隧道的位置該處沒有可見的裂縫，由于開挖后周圍的應(yīng)力變化，極易造成在軟土地層內(nèi)進(jìn)行開挖時的土表沉降，最后導(dǎo)致地面朝著挖掘面移動，造成地面位移、挖掘面的位移和地面支撐系統(tǒng)的位移，導(dǎo)致原有公路沉降，同時E8高速車流量大，所以下穿E8高速公路施工安全風(fēng)險高。

二、工程概況

文東2#隧道總長為1430.19m,隧道最大埋深為141m，最小埋深為11m，圍巖Q值等級主要為1

三、水文地質(zhì)條件

(一)地質(zhì)條件

在隧道區(qū)，地層主要由第四紀(jì)全新世中砂組成，粉質(zhì)粘土，細(xì)沙礫土，上更新世粉質(zhì)粘土，以及底層地層是泥盆紀(jì)砂巖，主要地質(zhì)如下：

粉質(zhì)粘土：黃棕色，硬塑，不均勻土壤質(zhì)地，富含礫石。

中粗砂：棕黃色，中等密度。

細(xì)沙礫土：灰棕色，密實，飽和。

砂巖：灰棕色，完全中等風(fēng)化，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，分層結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育較發(fā)達(dá)——非常發(fā)達(dá)，巖體極其破碎——較完整。

(二)水文條件

地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。隧道圍巖成型的裂縫，將會影響或可能增加雨季時的水面滲水量。正常情況下，隧道主干正常入水量4721.26立方米/日，最大進(jìn)水量16031.35立方米/天。

四、下穿高速段施工交通組織計劃

文東2#隧道下穿E8高速公路施工期間不封閉交通，實行高速公路臨時交通管制，設(shè)置警示標(biāo)志、標(biāo)牌等，以高速公路左右幅通行轉(zhuǎn)換，采用交錯封閉半幅車道等，根據(jù)隧道洞身掘進(jìn)進(jìn)尺長度分區(qū)間進(jìn)行施工組織，以確保隧道洞身施工期間E8高速公路的通車安全(如下圖4-1)。

圖4-1 下穿高速段施工交通管理階段計劃

圖5-1 路面通行實時監(jiān)控測點布置圖

五、路面通行實時監(jiān)控

隧道下穿高速公路段期間，通行車道布置路面監(jiān)控點，采用全站儀與光學(xué)棱鏡實時智能自動化監(jiān)測路面位移、沉降變化情況，通過監(jiān)測的收集數(shù)據(jù)分析，在監(jiān)控量測結(jié)果分析能夠保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下確保隧道下穿E8高速施工期間路面通行的安全(如上圖5-1)。

六、下穿高速段隧道施工技術(shù)

隧道下穿E8高速公路過程中的洞身開挖、支護(hù)施工工藝采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，各部工序間隔距離可根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析能夠保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下適當(dāng)調(diào)整(如下圖6-1)。

圖6-1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝流程圖

開挖前施做拱部Ф89管棚及超前小導(dǎo)管完成后，按照開挖順序施工：

(1)開挖上臺階兩側(cè)臺階，及時施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)，拱墻處鋼架底部打設(shè)鎖腳錨管打設(shè)鎖腳錨管并架設(shè)橫撐，然后施做該處二次支護(hù)。

(2)繼續(xù)向下開挖下臺階兩側(cè)土體施做初期支護(hù)及臨時支護(hù)，拱腳處鋼架底部打設(shè)墻腳鎖腳錨管并架設(shè)橫撐，然后施做邊墻二次支護(hù)。

(3)繼續(xù)向下開挖中部的上臺階土體，保留核心土，及時施做拱部初期支護(hù)及二次支護(hù)。

(4)繼續(xù)向下開挖中部的中上臺階土體，及時施做邊墻初期支護(hù)及臨時支護(hù)，然后及時在開挖土體底部架設(shè)橫撐。

(5)繼續(xù)向下開挖中部的中臺階土體，及時施做初期支護(hù)及臨時支護(hù)。

(6)拆除下部橫撐，開挖左右兩側(cè)仰拱土體及時施做初期支護(hù)及臨時支護(hù)，然后施做二次支護(hù)。

(7)開挖中部仰拱土體，及時施做初期支護(hù)，隨即施做二次支護(hù)。

(8)拆除部分臨時支護(hù)，先施做仰拱，然后施工隧底填充。

(9)拆除剩余臨時支護(hù)及橫撐，施做拱墻二襯，封閉結(jié)構(gòu)，最后施工洞內(nèi)剩余附屬結(jié)構(gòu)。

七、與隧道施工有關(guān)的影響分析

通過對現(xiàn)有的地面及地下水信息和在隧道開挖中采用的施工方法進(jìn)行審查，軟土地基內(nèi)開挖過程中，由于變形而產(chǎn)生地表沉降在開挖周圍的應(yīng)力作用下，導(dǎo)致地面朝著挖掘面移動，總地面位移包括地面位移、挖掘面的位移和地面支撐系統(tǒng)的位移，可能造成沉降的程度和范圍主要取決于地面的承受力強度和剛度特性，施工方法采用的各部開挖的深度和大小以及類型。

根據(jù)地質(zhì)剖面和從鉆孔記錄獲得的地質(zhì)剖面圖和數(shù)據(jù)，用于分析和確定施工沉降期間的巖土參數(shù)。

表7-1 土壤參數(shù)及滲透性概述表

(一)開挖引起的地面移動分析

參照分析和確定施工沉降期間的巖土參數(shù)并結(jié)合設(shè)計拱架、錨桿的材料性能采用土工軟件PLAXIS 8.5版來模擬說明地面由于路面下隧道開挖支護(hù)在土壤中發(fā)生的三維拱效應(yīng)和變形發(fā)生在無支撐的隧道表面周圍，而引起的移動，基于PLAXIS 結(jié)果，最大沉降量為18.11mm，地面總沉降值的允許值應(yīng)小于30mm。

圖7-1 支撐系統(tǒng)的位移

圖7-2 最大沉降量18.11mm

(二)地下水下降相關(guān)的地面沉降

采用一款專門用于地下水滲流分析的軟件GEO-SLOPE program SEEP/W Version 2007來模擬計算地質(zhì)鉆孔原始地下水位+131.84mPD，新地下水位+131.59mPD，地下水位下降+0.25米，土壤在開挖前先注漿，滲透率為1.0007m/s在不同孔隙水耗散，如土壤和巖石介質(zhì)中水位下降引起的地面沉降進(jìn)行典型沉降預(yù)測分析。此外，分析得到的水壓降是確定與地下水下降相關(guān)的地面沉降主要因素的解決方案。

圖7-3 SEEP/W分析圖

根據(jù)滲流結(jié)果，在隧道開挖期間地下水下降1.0m，入滲率5.2324E-5 m3/s=0.229L/min < 9L/min。

地下水下降地面沉降：

水位下降1.0m，dv=0.25x10=2.5kPa，

地基應(yīng)力和變形固結(jié)沉降Sc:

Sc=mv*dv*z，其中:

mv為體積壓縮性系數(shù)；

dv為降水引起的孔隙水壓力耗散；

z為各土層厚度；

土壤表層(mPD)土壤底面(mPD)土壤類型mv(mpa-1)dv(kPa)z(m)sc(mm)132.84129.99泥沙0.072.502.850.47129.99127.14泥沙0.072.502.850.47127.14124.29泥沙0.072.502.850.47124.29121.44泥沙0.072.502.850.47121.44118.59細(xì)沙礫石0.032.502.850.24118.59115.74細(xì)沙礫石0.032.502.850.24115.74112.89細(xì)沙礫石0.032.502.850.24112.89110.04細(xì)沙礫石0.032.502.850.24110.04107.19細(xì)沙礫石0.032.502.850.24107.19104.34砂巖0.032.502.850.24104.34101.49砂巖0.022.502.850.14地面總沉降3.47

(三)地面總沉降

考慮到上述影響，預(yù)計開挖引起的地面移動沉降18.11mm，地下水下降相關(guān)的地面沉降3.47mm，確定了最大總地面沉降量為21.58mm。

八、施工過程中技術(shù)要點

(1)臺階各部每循環(huán)開挖支護(hù)長度控制在0.5m，二次支護(hù)一個循環(huán)為2～3m，開挖、二次支護(hù)達(dá)到一個襯砌循環(huán)后，停止掘進(jìn)，待施做完二次襯砌后再開始下一個循環(huán)的施工。(2)拱墻部位超前支護(hù)采用Φ42超前注漿小導(dǎo)管，拱腳及墻腳處鋼架底部打設(shè)鎖腳錨管，每處4根，確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定，以限制拱頂變形。(3)根據(jù)監(jiān)控量測信息，初期支護(hù)穩(wěn)定后拆除臨時支護(hù)，并加強監(jiān)控量測，仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨管，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于0.5m，二次支護(hù)一個循環(huán)為2.5m。(4)不得超步序施工，隧道開挖后初期支護(hù)應(yīng)及時施做并封閉，二次襯砌及時施做。(5)由于汽車通過時的振動大，隧道開挖應(yīng)在車流較小時或者封閉半幅道路交通進(jìn)行，在重車通過前對未開挖完的段落采用圓木或鋼管進(jìn)行臨時支護(hù)。根據(jù)施工時的實際情況，必要時對掌子面進(jìn)行噴混凝土封閉。(6)加強儀器和監(jiān)測，包括沉降標(biāo)志和振動監(jiān)測，及早提供警告設(shè)計的開挖工法對周圍環(huán)境、地面結(jié)構(gòu)的影響，如果出現(xiàn)下列任何一項標(biāo)準(zhǔn)，工地將停止工程，并立即通知工程師。①在任何交收點連續(xù)兩天的讀數(shù)之間增加5毫米的移動；②總運動超過30毫米或任何沉降點的不當(dāng)運動；③觀察到財產(chǎn)或?qū)嵱眯缘娜魏尾划?dāng)損害。

九、結(jié)論

根據(jù)設(shè)計的鐵路隧道施工方法，通過下穿高速公路隧道施工工法及穩(wěn)定性影響評價，由于文東2#隧道工程建設(shè)對現(xiàn)有E8高速公路表面產(chǎn)生的影響預(yù)計總共沉降21.58毫米(<30毫米)，下穿隧道施工對現(xiàn)有的高速公路的影響是很小的。