超淺埋隧道下穿高速路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)

杜曉峰

(山西路橋第一工程有限公司一分公司，山西 太原 030000)

某隧道工程起迄樁號(hào)為DK5+095～DK13+294，是一條單洞雙線(xiàn)隧道。該隧道進(jìn)口段需從某既有公路下部穿過(guò)，和既有公路之間夾49°角，相交段總長(zhǎng)130 m左右，且為淺埋段，覆土厚度只有4.1～4.9 m。結(jié)合地勘報(bào)告，既有公路路基以人工填土為主；山坡表面主要為粉質(zhì)黏土，層厚在0.5～4.0 m范圍內(nèi)；隧道進(jìn)口以全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖為主，其巖性相對(duì)較差。相交段處在隧道的進(jìn)口，不僅范圍不大，而且基本沒(méi)有節(jié)理裂隙和地下水發(fā)育，但所處環(huán)境條件比較復(fù)雜，是整條隧道的重點(diǎn)控制項(xiàng)目。

1 模型建立與材料參數(shù)確定

1.1 荷載模擬

交通荷載一般借助半波正弦荷載進(jìn)行模擬，考慮到交通荷載具有的特性并充分參考前人經(jīng)驗(yàn)，此次將交通荷載全部簡(jiǎn)化成易于分析的半波正弦荷載。

1.2 三維建模

通過(guò)數(shù)值模擬確定隧道、地層和公路三者形成的體系在受到隧道開(kāi)挖作用影響后導(dǎo)致既有公路產(chǎn)生的變形。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行三維建模，并為模型施加和集體工程一一對(duì)應(yīng)的各種邊界條件及初始條件。參考該隧道具體情況建立一個(gè)三維模型，將覆土深度取4.1 m，其中，土層和路基均選擇摩爾-庫(kù)倫模型來(lái)模擬，隧道襯砌支護(hù)體系選擇彈性本構(gòu)模型來(lái)模擬，而隧道開(kāi)挖則選擇空模型來(lái)模擬。若未考慮交通荷載，則只借助摩爾-庫(kù)倫模型來(lái)模擬，但需要對(duì)初始自重應(yīng)力予以考慮，除了上部屬于自由邊界，其它面均為固定邊界。而考慮交通荷載的情況下，需進(jìn)行靜態(tài)邊界的合理設(shè)置，對(duì)于靜態(tài)邊界，實(shí)際上就是黏性邊界，它你能為模型創(chuàng)造類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)場(chǎng)的效果，避免波產(chǎn)生扭曲，進(jìn)而防止反射[1]。

1.3 參數(shù)確定

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)地勘成果將各類(lèi)材料的基本參數(shù)確定如表1所示。

表1 材料參數(shù)確定

1.4 路基沉降控制基本標(biāo)準(zhǔn)

如前所述，相交段隧道的最小埋深確定為4.1 m，因既有公路的路面存在一定不平整性，所以將不平整度確定為20%，同時(shí)由于公路自身使用年限有限且地質(zhì)條件復(fù)雜，故將安全系數(shù)確定為1.5。目前對(duì)于路基沉降控制，主要采用三種基準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算可得不同基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的值為79.18 mm、32.8 mm和66.02 mm，相應(yīng)的修正值分別為44 mm、18 mm和36 mm。綜合上述結(jié)果，為切實(shí)保證隧道的施工安全，將修正值確定為36 mm。為便于管控，基于該基準(zhǔn)進(jìn)一步劃分得到預(yù)警值和報(bào)警值，分別為21.6 mm、28.8 mm。

2 結(jié)果分析

2.1 開(kāi)挖方法和路基沉降控制

目前常用的隧道開(kāi)挖方法主要有三種，即雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺(tái)階法與CD法。通過(guò)模擬可知，這三種方法對(duì)應(yīng)的路基沉降無(wú)顯著差別。在隧道從路基段穿過(guò)后，既有公路的路基產(chǎn)生不均勻沉降，最大沉降產(chǎn)生在隧道軸線(xiàn)上，與隧道軸線(xiàn)相距越遠(yuǎn)沉降值越小。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，路基沉降的最大值為27.3 mm；采用臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，路基沉降的最大值為44.2 mm；采用CD法進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，路基沉降的最大值為35.5 mm。相較于臺(tái)階法，采用CD法進(jìn)行開(kāi)挖能減少約19.7%的沉降，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能減少約38.2%的沉降，可見(jiàn)，三種方法中以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖導(dǎo)致路基產(chǎn)生的沉降最小[2]。

2.2 開(kāi)挖進(jìn)尺和路基沉降控制

將開(kāi)挖方法確定為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，對(duì)不同開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)應(yīng)的路基沉降進(jìn)行模擬和數(shù)值計(jì)算，根據(jù)結(jié)果可知，不同開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)應(yīng)的路基沉降有明顯差異。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為0.5 m時(shí)，路基沉降的最大值為44.2 mm；當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為1 m時(shí)，路基沉降的最大值為47.5 mm；當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m時(shí)，路基沉降的最大值為50.3 mm；當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為3m時(shí)，路基沉降的最大值為53.4 mm。可見(jiàn)，路基沉降和開(kāi)挖進(jìn)尺之間為正相關(guān)，即當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺較大時(shí)，路基沉降也較大。相較于0.5 m的開(kāi)挖進(jìn)尺，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺增加至3 m時(shí)，路基產(chǎn)生的沉降增加約20.8%，直接說(shuō)明開(kāi)挖進(jìn)尺會(huì)給路基沉降造成很大影響。

2.3 支護(hù)方法和路基沉降控制

根據(jù)上述結(jié)果可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)控制既有公路的路基沉降更有利，能減少開(kāi)挖導(dǎo)致的路基沉降；同時(shí)采用最小的開(kāi)挖進(jìn)尺也能起到對(duì)路基沉降予以有效控制的作用。然而，不論開(kāi)挖方法還是開(kāi)挖進(jìn)尺，均為施工要素方面的優(yōu)化，要想更有效的控制沉降，還應(yīng)采取有效預(yù)加固方法[3]。初步編制的預(yù)加固方案為：方案一：無(wú)預(yù)支護(hù)；方案二：?jiǎn)螌哟蠊芘锍邦A(yù)支護(hù)；方案三：?jiǎn)螌哟蠊芘锍邦A(yù)支護(hù)+小導(dǎo)管；方案四：雙層大管棚超前預(yù)支護(hù)。通過(guò)模擬與數(shù)值計(jì)算可得，相較于方案一，采用方案二能減少16%的路基沉降，采用方案三能減少36%的路基沉降，采用方案四能減少50.9%的路基沉降。可見(jiàn)，以方案四的支護(hù)效果最好[4]。若隧道與既有公路之間相交段施工中能采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖，同時(shí)采用0.5 m的開(kāi)挖進(jìn)尺，并輔以方案四的支護(hù)，則能將既有公路路基產(chǎn)生的沉降限制在20 mm之內(nèi)，這與標(biāo)準(zhǔn)要求的不超過(guò)38 mm完全相符，能將隧道施工對(duì)既有公路路基造成的影響降至最低[5]。

在新建隧道開(kāi)挖施工中，超前管棚支護(hù)基本原理為將上覆地層荷載均勻傳遞至管棚，再由管棚將荷載傳遞至鋼支撐，最后由鋼支撐將荷載傳遞至基座，以此有效控制或避免圍巖拱頂發(fā)生變形。在荷載不斷傳遞時(shí)，管棚除了能為上部地層荷載提供可靠支承，還能起到與梁結(jié)構(gòu)類(lèi)似的作用，使彎矩與剪力均傳遞到鋼支撐處。在超前管棚基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿是指在開(kāi)挖輪廓以上以適當(dāng)?shù)拈g隔距離和與開(kāi)挖方向保持1°～3°的角度設(shè)置鋼管，并使其成環(huán)，然后通過(guò)為鋼管壓力注漿得到一種與鋼管砼結(jié)構(gòu)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)形式。采用這一工法后，鋼管可起到以下兩方面作用：其一，起到和超前管棚支護(hù)完全一致的作用；其二，為漿液進(jìn)入到地層中提供通道，使地層得以有效加固。采用該方法進(jìn)行加固后，上部圍巖會(huì)在漿液滲入作用下形成結(jié)晶體，進(jìn)而使上覆地層得到有效改善，同時(shí)鋼管還能為上覆地層荷載提供一定支承。管棚結(jié)構(gòu)主要作用機(jī)理為將其上部圍巖荷載分散至掌子面之前土體與格柵拱架處，以此減小掌子面之前土體承受的壓力，大幅提高掌子面土體安全穩(wěn)定系數(shù)。在松散地層中，將隧道開(kāi)挖完成后，圍巖可能出現(xiàn)片幫冒頂，產(chǎn)生一定松動(dòng)壓力，以巖柱與普氏理論為代表性理論。

2.4 輔助加固工法

除超前管棚支護(hù)外，還有很多類(lèi)似工程開(kāi)始采用MJS法與CFG樁板聯(lián)合加固法。MJS法是指全方位高壓噴射，最初用于解決水平旋噴存在的排漿缺陷和環(huán)境污染問(wèn)題，后期由于該方法優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，所以開(kāi)始在傾斜與垂直施工中使用。該方法以傳統(tǒng)高壓噴射為基礎(chǔ)，使用一種全新的多孔管與前端造成裝置，通過(guò)多孔進(jìn)行強(qiáng)制排漿，并能對(duì)地內(nèi)壓力予以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)強(qiáng)制排漿量的適當(dāng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)地內(nèi)壓力的有效控制，從而減小對(duì)環(huán)境造成的不利影響。另外，地內(nèi)壓力降低還能起到保證成樁直徑的作用。該方法理論上能在任意角度和方向進(jìn)行噴射，加以排漿方式特殊，所以能使富水土層和需要對(duì)孔口進(jìn)行密封處理等復(fù)雜情況下的水平施工成為可能。在過(guò)去的高壓噴射施工中，多余泥漿主要由土體和鉆桿形成的間隙排出。該排漿方式會(huì)使地層內(nèi)壓力變大，導(dǎo)致周?chē)貙映霈F(xiàn)明顯的變形。而在深度較大的部位進(jìn)行排漿還有很大難度，使鉆桿與噴槍周?chē)艿捷^大壓力，降低噴漿效率，最終對(duì)地層加固效果造成影響。采用該方法后，由于能對(duì)地內(nèi)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采取強(qiáng)制排漿方法，所以能實(shí)現(xiàn)對(duì)地內(nèi)壓力的有效調(diào)控，將施工給周?chē)h(huán)境造成的影響和擾動(dòng)將至最低，最終保證超深條件下的加固效果。

CFG樁板是一種常用軟弱地基加固方式，由CFG樁、鋼混樁與鋼筋砼承載板三部分構(gòu)成，其具體工作機(jī)理為：由承臺(tái)板將上部荷載傳遞至樁體，再由樁體將荷載傳遞至樁間土、下臥層等處，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)路基沉降的有效控制，并防止變形破壞產(chǎn)生。CFG樁和混凝土筏板相結(jié)合的加固形式，其作用機(jī)理為：采用CFG樁具有的置換作用對(duì)地層進(jìn)行擠密，同時(shí)由筏板為上覆地層荷載提供支承。上覆地層荷載不斷傳遞時(shí)，在筏板結(jié)構(gòu)承載作用下，增大樁間土自身壓縮模量，進(jìn)而最大限度發(fā)揮出土體自身承載力。CFG樁成樁時(shí)，粉煤灰與水泥粉等樁體材料會(huì)在發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)與周?chē)馏w之間產(chǎn)生一系列反應(yīng)，如吸水、發(fā)熱與膨脹，在這些反應(yīng)的作用下，使土體達(dá)到擠密或壓密。與此同時(shí)，采用CFG樁不僅能提高地基自身承載力，而且還能增加抗剪強(qiáng)度，使路基保持穩(wěn)定。當(dāng)?shù)貙虞^為軟弱和破碎時(shí)，因隧道開(kāi)挖施工可能引起地層變形或路基沉降，所以可能導(dǎo)致穿越工程失敗。對(duì)此，有必要采取適當(dāng)?shù)妮o助工法加固地層與路基，以此對(duì)上覆路基和隧道底板產(chǎn)生的變形進(jìn)行有效控制，確保隧道安全運(yùn)營(yíng)。

2.5 其它控制措施

在隧道穿越路基段施工中，除了可以采取以上工程措施，還可通過(guò)對(duì)下列控制措施的應(yīng)用將隧道開(kāi)挖給路基造成的擾動(dòng)降至最低。

(1)減慢行車(chē)速度。隧道下穿路基期間，因隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降使路基產(chǎn)生變形，導(dǎo)致公路運(yùn)行受到影響。根據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，如果減慢行車(chē)速度，則可起到減小路基沉降可能造成的影響的作用，同時(shí)也能減小對(duì)已經(jīng)沉降的路基造成的沖擊。

(2)采取合理可行的聯(lián)合加固措施。在實(shí)際工程中如果地層條件較差，則可同時(shí)采用兩種方法進(jìn)行加固，比如在CFG樁基礎(chǔ)上聯(lián)合使用注漿加固的方法。結(jié)合工程具體情況與特點(diǎn)，采取至少兩種輔助工法進(jìn)行加固能有效減小或避免穿越施工中路基發(fā)生的沉降變形。

(3)注漿補(bǔ)償和路基抬升。當(dāng)隧道施工需要從路基段下部穿越時(shí)，應(yīng)采取措施嚴(yán)格控制路基沉降與變形，如果施工中因控制不到位導(dǎo)致既有路基產(chǎn)生明顯的沉降與變形，則應(yīng)立即采取措施進(jìn)行恢復(fù)，目前最常用的恢復(fù)方法為注漿抬升。該方法的作用機(jī)理可分為以下四個(gè)階段：第一階段為將土體初步填充密實(shí)；第二階段為通過(guò)注入漿液和土體之間達(dá)到固結(jié)；第三階段為通過(guò)對(duì)土體進(jìn)行加密注漿或劈裂注漿產(chǎn)生一定頂升力；第四階段為使目標(biāo)上覆土體得到明顯的抬升。如果隧道穿越的路基出現(xiàn)過(guò)量沉降，則可采用注漿的方法使路基向上抬升，這樣能有效補(bǔ)償因隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的路基沉陷，防止路面結(jié)構(gòu)破壞，保證行車(chē)安全與質(zhì)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)相關(guān)調(diào)查與研究資料可知，覆土只有4.1 m左右的隧道從既有公路下部穿過(guò)的情況在國(guó)內(nèi)十分少見(jiàn)，要想將既有公路路基產(chǎn)生的沉降控制在允許范圍內(nèi)有很大的困難。對(duì)此，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析確定不同因素和既有公路路基沉降之間的關(guān)系：

(1)臺(tái)階法、CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種常用開(kāi)挖方法相比，以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的既有路基沉降最小，其次為CD法，最后為臺(tái)階法。

(2)當(dāng)開(kāi)挖方法選定為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)，如果開(kāi)挖進(jìn)尺增加，則既有公路路基產(chǎn)生的沉降增大，即采用最小開(kāi)挖進(jìn)尺能減少對(duì)既有路基造成的擾動(dòng)，減小沉降。

(3)相較于無(wú)預(yù)支護(hù)方案，采用雙層大管棚超前預(yù)支護(hù)方案時(shí)，既有路基產(chǎn)生的沉降最小。

(4)隧道與既有公路之間相交段施工中若能采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖，同時(shí)采用0.5 m的開(kāi)挖進(jìn)尺，并輔以方案四的支護(hù)，則能將既有公路路基產(chǎn)生的沉降限制在20 mm之內(nèi)，這與標(biāo)準(zhǔn)要求的不超過(guò)38 mm完全相符。