淺埋大斷面黃土隧道下穿公路安全施工技術

吳高騰

(中鐵二十五局集團公司，廣東 廣州 510600)

隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，隧道工程的數量越來越多。在隧道的建設過程中，不可避免地會下穿建(構)筑物，其中，隧道下穿公路是常見的情況。特別是在隧道覆蓋層較薄的淺埋情況下，隧道開挖擾動地層，隧道產生的變形很容易傳導到地面，可能會引起路面沉降過大而影響公路正常使用。因而，必須采取合理的施工技術措施才能將隧道施工對公路路面產生的不利影響控制在允許范圍之內，以保證公路能夠正常運營[1]。

1 工程概況

周山隧道為保護周山森林公園環(huán)境而下穿周山。隧道地處黃土地區(qū)，采用分離式雙洞結構。隧道左洞長1 950 m，起訖里程為 ZK1+780～ZK3+730；右洞長1 931 m，起訖里程為 YK1+780～YK3+711。隧道設計為雙向六車道，最大埋深70 m，平均埋深40～45 m，最大開挖跨度及高度分別為16.02 m和11.44 m(不含預留變形量)。隧道兩次下穿孫辛路，右洞第2次下穿公路里程YK3+490，隧道中線與路面中線夾角約25°，下穿公路影響段隧道平均埋深20.2 m，施工風險高。

隧道右洞下穿公路影響區(qū)段地層情況自上而下主要為：雜填土層，厚0.6～1.8 m；第四系全新統坡洪積粉質粘土層，褐黃色，硬塑狀，層厚約17.8～22.4 m；鈣質膠結層，灰白色，堅硬，巖芯多呈塊狀，塊徑2～6 cm，局部呈短柱狀，層厚約8.9 m。隧道洞身主要位于第四系全新統坡洪積粉質粘土層之內，下部為鈣質膠結層。

孫辛路為市政道路，無填筑路基，路面高出自然地表約50 cm，路面結構為面層、基層和墊層。

2 隧道下穿施工方案選擇

2.1 隧道設計參數

由于周山隧道右洞第2次下穿公路段埋深較淺，開挖跨度大，隧道施工引起的變形很容易傳導至地表，出現過大沉降而影響公路運營，因此此段隧道斷面設計為強支護。初期支護參數：C25噴纖維混凝土厚度28 cm，鋼拱架采用I20b型鋼鋼架，縱向間距0.6 m；單層?8 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm；?22 mm水泥藥卷錨桿，環(huán)、縱向間距均為1.0 m，拱部及邊墻錨桿長分別為2.5 m和4.0 m，梅花形布置。二次襯砌為厚度60 cm的C30鋼筋混凝土。下穿公路段隧道復合式襯砌斷面如圖1所示。

圖1 下穿公路隧道斷面支護參數(單位：cm)

2.2 下穿施工方案比選

隧道下穿構筑物施工方法的選擇主要取決于地表構筑物對地表沉降的敏感程度、隧道埋深、圍巖的工程力學特性、隧道斷面幾何形狀及尺寸，以及隧道支護參數等。

對于淺埋隧道來說，超前支護是防止隧道出現過大變形、承擔部分早期圍巖壓力的重要措施[2]。大管棚超前支護剛度大，抵抗圍巖變形的能力也比較強。但如果在洞內采用大管棚超前支護，由于管棚鉆機的構造需要，要求在施工大管棚之前對隧道進行擴挖形成管棚鉆機工作室以保證管棚的安裝位置。這就額外增加了工程成本，而且在淺埋段進行斷面擴大也不利于隧道穩(wěn)定，考慮到下穿段地層為含水量很低的干硬狀態(tài)的粉質粘土，確定采用施工較為簡便的密排注漿小導管對隧道進行超前支護。

對于大跨黃土隧道，主要施工方法有三臺階法、中隔壁法(CD)、交叉中隔壁法(CRD)和雙側壁導坑法等[3]，其特點比較列于表1。

表1 4種工法對比

通過表1對4種工法特點的對比，確定采用CRD法下穿公路施工。

CRD法施工以“短開挖、強支護、勤量測、緊封閉”為原則進行施工，主要施工歩序(見圖2)為：利用已架立的鋼架施作注漿小導管超前支護，小導管采用?42 mm長5 m的無縫鋼管，環(huán)向間距4根/m；開挖斷面左上部①，架立初支鋼架(I20b)及臨時支護鋼架(I18)Ⅰ，間距0.6 m，噴層厚20 cm，打設兩側拱腳?42 mm鎖腳注漿錨管，每側2根，分次噴混凝土至設計厚度，實現斷面①部支護封閉；開挖斷面左下部②，接長支護鋼架及中隔壁鋼架Ⅱ，打設左側墻角鎖腳錨管，分次噴混凝土至設計厚度；依次開挖③及④部，施作支護Ⅲ及Ⅳ支護；分段拆除臨時支護施作仰拱Ⅴ和仰拱填充Ⅵ，最后按9 m分段拆除臨時支護，澆筑拱墻Ⅶ，完成隧道施工。在隧道下穿公路施工過程中加強洞內隧道變形及地表路面沉降觀測。

圖2 下穿公路段隧道施工順序

3 隧道下穿公路三維數值模擬

3.1 計算模型及計算參數

為減少邊界約束效應，計算范圍按左右邊界距隧道中心線距離3～5倍洞徑考慮。指定沿隧道軸線開挖方向為y軸正向，豎直向上為z軸正向，隧道掘進橫斷面向右方向為x軸正向，整個計算模型在x、y、z三個方向尺寸為100 m×60 m×58 m(隧道拱頂到模型上表面的距離為20.2 m)，模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界，公路路面施加交通荷載。

圍巖、初期支護及臨時支護結構均采用8節(jié)點六面體單元來模擬。注漿超前小導管預支護簡化為拱部150°加固圈，厚度為0.5 m。數值模型共劃分了139 178個節(jié)點和12 330個單元。路面車輛荷載按照均布考慮，取20 kPa[4]，荷載按道路走向布滿整個路面，路面寬度17 m。

圍巖及加固圈視為摩爾—庫侖理想彈塑性材料，支護及臨時支護結構均視為彈性材料。鋼架采用I20b全環(huán)設置，間距為0.6 m，初期支護為28 cm厚的C25噴射混凝土，鋼架在計算模擬時根據抗彎剛度等效原理來提高初期支護的彈性模量。圍巖物理力學參數參照地質資料及《公路隧道設計規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)選取，隧道超前支護采用超前管棚加固，地層和支護的物理力學指標見表2。

3.2 模擬施工步驟

隧道注漿小導管超前支護每次施工4.8 m，開挖3.0 m，開始施工下一循環(huán)的超前支護，相鄰兩次超前支護搭接1.8 m。

CRD法施工具體施工分部及施工順序見圖2。模型模擬計算每開挖進尺0.6 m，初期支護滯后一個開挖循環(huán)，即每一循環(huán)開挖時同時施作上一循環(huán)的支護；分部②滯后分部①3.6 m，分部③滯后分部②3.6 m，分部④滯后分部③3.6 m。為最大限度減少邊界約束對計算結果的影響，數值模擬分析的目標面設在模型的中間位置(y=30 m處)。模擬分析中沒有考慮二襯施工。在每一計算步中記錄目標斷面地表及拱頂沉降位移。

表2 地層和支護的物理力學性能指標

3.3 計算結果分析

3.3.1 變形分析

模擬隧道施工過程中，模型目標斷面處地表沉降及拱頂沉降隨計算步的變化曲線如圖3所示。

圖3 拱頂及地表點沉降曲線

從圖3可以看出，在CRD第一部尚未開挖到目標斷面時，拱頂及地表均已經出現沉降，在開挖面經過目標斷面時沉降速率顯著增大，而且拱頂沉降速率顯著大于地表沉降速率。隨著開挖面逐漸離開目標斷面，拱頂沉降速率顯著減小并趨于穩(wěn)定，拱頂沉降最大值為47.4 mm，地表沉降為31.5 mm。

姚宣德等[4]通過對城市地鐵區(qū)間隧道施工引起路面沉降的統計分析認為，路面沉降35 mm不會影響路面的正常使用。王文勝依據路面破損指數PCI(pavement condition index)和隧道下穿公路施工引起路面最大沉降位移之間的關系得到，在路面最大沉降位移小于33.6 mm[5]時，路面可以保持良好狀態(tài)，因此可以認為CRD施工引起的路面沉降不會影響公路正常使用。

3.3.2 支護受力

模型模擬隧道開挖支護完成后，目標斷面處初期支護及臨時支護的第一主應力和第三主應力分布如圖4所示。

圖4 初期支護及臨時支護主應力分布

從圖4可以看出，隧道模擬開挖及支護后，目標斷面支護結構最大拉應力主要出現在拱部與中隔壁交叉位置左下側及右側拱肩靠上位置外側，最大拉應力為2.99 MPa。由于初期支護中鋼架采用I20b型鋼縱向間距0.6 m及臨時支護采用I18工字鋼，剛度遠大于噴混凝土層，鋼架必將先于噴混凝土層開始受力，因此初期支護中的拉應力首先由鋼架承擔。支護結構中的最大壓應力主要由中隔墻承擔，最大壓應力為6.46 MPa；而初期支護中最大壓應力為5.35 MPa，在側邊墻內側。由此可見，CRD工法中的中隔墻對于限制拱頂及地表下沉具有重要作用，因而在隧道下穿構筑物時，CRD法是經常被采用的可以有效控制隧道變形的工法之一。

3.3.3 圍巖塑性區(qū)

圖5為模型完成施工及支護計算模擬后，目標斷面上隧道斷面周邊地層的塑性區(qū)分布特征。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布

由于地表交通荷載分布、隧道開挖及支護均非對稱，因而塑性區(qū)的分布也顯著不對稱，尤其在隧道兩側拱肩處更為顯著：右側拱肩處圍巖塑性區(qū)范圍遠大于左側塑性區(qū)，因而導致右側支護內側出現較大拉應力，但仍在安全范圍之內。

4 隧道下穿施工效果

周山隧道在第2次下穿孫辛路時采用注漿小導管(4根/m)對開挖面前方地層進行超前支護后再采用CRD工法進行隧道開挖和支護。在隧道下穿施工過程中對隧道拱頂及地表路面進行沉降位移監(jiān)測，測得隧道上方孫辛路路面的最大沉降量為27.6mm，隧道拱頂的最終沉降位移為43.8mm，實測結果略小于數值計算結果。路面最終沉降值小于一般城市道路路面沉降控制值35mm或33.6mm，這說明采用交叉中隔壁(CRD)工法下穿孫辛路的施工方案是合理的，保證了隧道施工安全和地表公路的正常使用。

5 結論

周山隧道淺埋段下穿市政道路。由于隧道工程區(qū)地處黃土地區(qū)，為典型的松散地層，且埋深淺，斷面開挖跨度大，隧道下穿施工極易引起道路路面過大沉降，從而影響正常行車。隧道下穿施工完成后的路面最大沉降僅有27.6 mm，小于已有的城市道路沉降控制值，保證了隧道施工安全和道路的正常通行。