淺埋軟巖隧道下穿既有公路的研究現(xiàn)狀

杜文敏

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

0 引言

淺埋軟巖隧道下穿既有工程施工會打破土體周圍初始的力學(xué)平衡狀態(tài)，新的力學(xué)平衡狀態(tài)在土體開挖后重新建立，其上覆地層不可避免地發(fā)生位移、變形及破壞，變形一直延伸發(fā)展至地表，造成隧道地表產(chǎn)生不同程度的沉降變形，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，從而導(dǎo)致既有公路工程的結(jié)構(gòu)變形破壞。鑒于此，本文旨在通過工程調(diào)研、文獻(xiàn)綜合手段研究淺埋軟巖隧道下穿既有公路施工影響及公路的安全控制問題，為今后隧道下穿工程的施工提供新的借鑒和參考。

1 軟巖隧道的研究現(xiàn)狀

軟巖隧道由于其特殊的圍巖特性，隧道開挖后往往會出現(xiàn)圍巖自穩(wěn)能力差、圍巖變形過大等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生塌方等事故。國內(nèi)外出現(xiàn)了大量軟巖隧道大變形的工程實(shí)例[1]，以上隧道出現(xiàn)的大變形問題，與當(dāng)時(shí)的隧道建設(shè)水平還不夠成熟有關(guān)，工程技術(shù)人員對圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理了解不深，未能及時(shí)采取合理有效的施工方法和加固措施。

國內(nèi)外學(xué)者先后分別通過理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等手段，開展了一系列關(guān)于軟弱圍巖的受力變形特性以及隧道開挖方法、支護(hù)手段和加固機(jī)理等研究，為后續(xù)的隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒。總體來說，目前軟巖隧道常見的施工方法主要為分部開挖，比如臺階分部開挖法、CD 法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，圍巖條件相對較好的一些隧道也可采用臺階法。對于圍巖地質(zhì)條件惡劣的隧道，在選定隧道施工工法以后，還需要配合采取一些隧道超前加固措施，才能保證隧道開挖的安全穩(wěn)定[2]。

軟巖隧道的超前加固措施主要包括：管棚法、超前小導(dǎo)管法、注漿法、超前錨桿法、機(jī)械預(yù)切糟法、預(yù)襯砌法、水平旋噴注漿法、凍結(jié)法、管幕法等等。超前加固法根據(jù)采取的加固措施對周圍地層特性和應(yīng)力分布的影響，可分為地層改良法和預(yù)支護(hù)法[3-5]。地層改良法的原理主要通過注漿、土壤加固、排水和地層凍結(jié)等手段，提高開挖面周圍地層土的特性；預(yù)支護(hù)法的原理是隧道施工之前，對掌子面前方巖土體進(jìn)行超前加固，提高圍巖的自穩(wěn)性，最大可能減小開挖對周邊圍巖的應(yīng)力擾動(dòng)。在軟巖隧道施工過程中，具體選用何種超前加固方法施工，可根據(jù)現(xiàn)場圍巖地質(zhì)條件和施工環(huán)境等因素確定，最好協(xié)調(diào)配合常見的隧道開挖方法，對比不同方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，選取綜合性能最優(yōu)的加固方法或組合。

2 淺埋軟巖隧道下穿既有公路的研究現(xiàn)狀

淺埋軟巖隧道下穿既有公路施工過程中，掌子面開挖對上覆圍巖造成擾動(dòng)，圍巖變形引起既有公路路基的沉降變形，最終導(dǎo)致公路路面的損壞；而沉降與破壞的大小和分布范圍不僅取決于圍巖地質(zhì)情況，還與隧道斷面尺寸、埋深和施工方法、支護(hù)方式有關(guān)[6]；一些國內(nèi)外學(xué)者通過采用數(shù)值仿真、室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測與理論分析等手段，對隧道下穿施工對既有路面沉降變形影響進(jìn)行了大量研究。

在現(xiàn)場實(shí)測與理論分析方面：孟慶明、楊林浩等[7]為摸清隧道通過高速公路后地面沉降影響范圍及大小對函谷關(guān)隧道下穿連霍高速公路段進(jìn)行了洞內(nèi)—地表監(jiān)測，結(jié)果表明隧道拱頂沉降和收斂變形主要發(fā)生在隧道開挖至初期支護(hù)封閉成環(huán)期間，距離隧道中線越近，地表沉降量越大。劉紀(jì)峰等提出適合淺埋隧道地表沉降預(yù)測的彈塑性計(jì)算式，并給出通過減少圍巖擾動(dòng)和提高圍巖性質(zhì)兩種控制盾構(gòu)隧道地表沉降的方法。齊震明和李鵬飛[8]結(jié)合北京地鐵地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用模糊聚類分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出了隧道地表沉降值的分布規(guī)律和地表沉降槽寬度參數(shù)的一般特征，提出較為合理可行的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，并提出預(yù)警、報(bào)警、極限3 級控制。

模型試驗(yàn)方面，國內(nèi)外學(xué)者先后采用了不同的模型試驗(yàn)方法，對隧道施工引起的地表位移與沉降變形規(guī)律等進(jìn)行了大量的研究工作，如野外現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)相似比模型試驗(yàn)和土工離心模型試驗(yàn)等。通過模型試驗(yàn)得出不同的預(yù)加固強(qiáng)度、開挖進(jìn)尺對隧道的地表沉降、圍巖壓力、洞周位移都有很大影響。中鐵隧道局在暗挖隧道下穿密集建筑物、地下管線、既有地鐵線等施工時(shí)，采用動(dòng)態(tài)跟蹤注漿技術(shù)控制鄰近建筑物沉降，為在城市復(fù)雜的環(huán)境下淺埋暗挖法施工保護(hù)周邊環(huán)境開發(fā)出一個(gè)有效方法。中鐵十六局采取超前小導(dǎo)管注漿、強(qiáng)化初期支護(hù)、在初期支護(hù)后背注漿回填等控制地表沉降的技術(shù)措施。英國學(xué)者Kimura 和Mai 等[9]針對倫敦市區(qū)不同地層中城市地鐵施工情況進(jìn)行了多次離心機(jī)模型試驗(yàn)研究，模擬研究了不同土層條件，不同埋深情況下隧道施工所引起的地表沉降規(guī)律，得出了地表水平變形的計(jì)算公式。周順華[10]結(jié)合上海地鐵項(xiàng)目進(jìn)行了一系列離心模型試驗(yàn)，對地表沉降及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

數(shù)值模擬方面，王抒[11]分別對隧道下穿段施工過程中所采用的常用工法進(jìn)行三維數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明雙側(cè)壁法施工引起的地表沉降最小，CD 法施工時(shí)，開挖結(jié)束后引起的滯后變形量較大，而臺階法施工，由于開挖斷面較大，使得隧道圍巖穩(wěn)定性難以控制，必須輔以相應(yīng)的輔助措施。胡玉林等依托洺水隧道下穿邢汾高速公路具體工程，借助數(shù)值分析，從爆破安全距離、交叉穩(wěn)定性分析、爆破分析等方面，分析了隧道施工對高速公路的影響，得出：（1）土體應(yīng)力受擾動(dòng)十分明顯的只有隧道開挖外約0.3～0.5 倍洞徑區(qū)域，而在一倍洞徑以外的位置，影響非常小；（2）隧道下穿公路段采用三臺階臨時(shí)仰拱法施工，采用預(yù)裂爆破技術(shù)，能滿足相關(guān)安全要求。朱正國等通過FLAC 數(shù)值計(jì)算軟件對單雙線鐵路隧道下穿公路的數(shù)值模擬，分析路面沉降規(guī)律，得到了沉降槽寬度系數(shù)和最大沉降量的預(yù)測模型，通過大量工程實(shí)例來驗(yàn)證了提出的沉降控制基準(zhǔn)的合理性，其結(jié)果可為鐵路隧道下穿其他建筑物引起的地表沉降控制基準(zhǔn)的制定提供參考。劉庭金[12]運(yùn)用數(shù)值模擬分析手段，結(jié)合某倒吸虹隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案，對下穿隧道施工進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了隧道建設(shè)對上方高速公路路面沉降的影響，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案的可行性進(jìn)行了評估。胡獻(xiàn)竹在現(xiàn)有隧道工程施工過程數(shù)值模擬的基本理論和分析方法的基礎(chǔ)上，研究了淺埋隧道施工過程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為變化過程，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程，取得良好效果。

3 進(jìn)一步研究的建議

綜上所述，目前國內(nèi)外對于隧道下穿公路的研究主要集中在隧道施工所造成的公路路基沉降規(guī)律及其控制標(biāo)準(zhǔn)、淺埋隧道下穿公路不同施工方法及預(yù)加固措施對地表沉降、拱頂下沉及應(yīng)力分布的影響等等，取得了一定的研究成果。在我國的淺埋軟巖隧道下穿施工過程中，為控制圍巖變形和確保施工安全，多采用分部開挖法，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD 法等。這些工法施工工序較多且具有一定施工難度，施工作業(yè)空間往往受限，很難滿足快速施工、控制變形的目的。對于淺埋軟巖隧道下穿既有工程，隧道開挖與周圍的環(huán)境存在著非常復(fù)雜的關(guān)系，以往的研究還不夠充分和深入，設(shè)計(jì)和施工無具體規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)，采取的處理措施要么偏于保守，造成很大的浪費(fèi)，要么采取冒險(xiǎn)或者盲目的對策，造成安全隱患甚至安全事故。如何根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件和工程環(huán)境，選擇有效可行的施工和支護(hù)方案，有效減小淺埋軟巖隧道下穿施工對周圍既有工程的影響，使隧道安全地穿越復(fù)雜地質(zhì)段，已成為我國隧道工程建設(shè)中亟需解決的難題。

4 結(jié)束語

本文對淺埋軟巖隧道下穿既有公路的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）目前國內(nèi)外對于隧道下穿公路的研究主要集中在隧道施工所造成的公路路基沉降規(guī)律及其控制標(biāo)準(zhǔn)、下穿施工方法及預(yù)加固措施等。

（2）淺埋軟巖隧道下穿既有工程，隧道開挖與周圍的環(huán)境存在著非常復(fù)雜的關(guān)系，以往的研究還不夠充分和深入，設(shè)計(jì)和施工無具體規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)，采取的處理措施要么偏于保守，造成很大的浪費(fèi)，要么采取冒險(xiǎn)或者盲目的對策，造成安全隱患甚至安全事故。