復雜環境下大斷面淺埋隧道下穿高速公路施工工法及工藝探討

張雨昊

(中鐵上海工程局集團華海工程有限公司，上海 201101)

隨著經濟發展，交通建設事業迅猛發展，高速公路、高速鐵路建設規模不斷擴大，但這樣也導致了鐵路與公路的相互影響變得越來越嚴重。為了減小兩者之間的相互影響，往往會采用隧道上跨或下穿的方式進行過渡[1]。通過大量的工程實踐可知，高速鐵路下穿隧道一般埋深較淺，上覆土的工程地質條件較差，在隧道的施工中容易對圍巖的平衡造成破壞，導致地表沉降較大從而影響高速公路的運營安全以及周邊建(構)筑物的安全。

史勝利[2]依托牛嶺界隧道工程，研究不同的施工工法對隧道圍巖力學效應的影響，將理論與實際監控量測數據相結合，最后發現雙側壁導坑法相比臺階法時更安全。李強[3]以某高速鐵路下穿高速公路為背景，在不影響上方高速公路通車的前提下，提出了超淺埋隧道下穿高速公路的蓋挖法修建技術。昝永奇[4]以深圳求水山隧道下穿機荷高速公路收費站工程為研究背景，提出了雙側壁導坑微臺階施工工法，成果解決了該工程變形沉降大的問題。趙琳[5]以重慶新白楊灣下穿高速公路隧道工程為依托，采用數值模擬的方法對臺階法、CD法及CRD法這3種施工工法做對比，研究發現在控制圍巖變形、圍巖塑性區分布區域以及路面沉降方面來看，臺階法都比其他2種施工工法好。趙紀平[6]則以溫福鐵路上筆架山隧道工程為研究背景，該隧道既下穿國道又下穿高速鐵路，埋深極淺，圍巖也較為軟弱，通過對施工工法以及施工方案的不斷比選，最終采用了優化后的CRD法進行開挖以及支護。

通過以上調研可以發現，已有很多學者對淺埋隧道下穿高速公路的施工工法做了大量的研究，也得出了相對應的經驗與結論，但每個工程的特點不同，應當因地制宜地根據工程的具體特點采取不用的施工工法。本文依托霞美村隧道下穿泉州繞城高速公路工程，通過對3種不同施工工法進行比選，得到合適的施工工法，再對不同的機械開挖工藝進行比選分析，得到適用于現場施工的施工工藝，最后得到相關的工程結論以及施工經驗，為以后類似的工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

霞美村隧道里程DK145+511～DK146+483，全長972 m，出口終點里程為DK146+483；出口隧線明暗分界里程為DK146+464，隧道于DK146+405.8～DK146+447.3里程范圍內下穿泉州繞城高速公路。交叉夾角為51°，高速公路與霞美村隧道交點軌面高程為35.06 m，交叉段位于霞美村隧道出口附近，該段高速公路路面中心標高為49.97～50.97 m，隧道埋深為4.7～5.75 m(圖1)。

圖1 霞美村隧道出口下穿既有高速公路平面關系

1.2 工程地質水文地質條件

隧道出口段為出露燕山晚期第3次侵入花崗巖{γ53b}，全～弱風化，埋深較淺，巖體較破碎，節理裂隙較發育，自穩性差，工程地質條件差，其圍巖級別為V級，洞口穩定性差。出口坡面分布有風化殘余孤石，塊徑2～5 m，自穩能力較差，地層施工工程等級及力學參數如表1所示。

表1 巖土層施工工程等級及力學參數建議值

2 數值模擬

2.1 計算模型

根據霞美村隧道的實際情況，擬采用臺階法進行開挖，主要對兩臺階法、三臺階法、中隔墻臺階法這3種施工工法進行研究。數值計算采用大型有限元通用軟件FLAC3D進行建模計算，計算模型及施工工法如圖2所示。

圖2 計算模型及施工工法示意

計算模型選取范圍：根據隧道開挖圍巖受影響范圍，設定隧道左右邊界距離隧道外邊墻3～5倍洞徑(取150 m)，隧道下邊界距離隧道底部3～5倍洞徑(取50 m)，隧道縱向取100 m；約束情況為前、后、左、右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面。

2.2 計算參數

在計算中，假設圍巖為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準則，初期支護為彈性材料。模型均采用實體單元模擬。本文模型參數如表2所示，雙層初期支護中鋼架按照等效剛度的原則進行折減，折減到混凝土的彈性模量中。

表2 計算參數

2.3 結果分析

2.3.1 不同施工工法下路基沉降分析

圖3為兩臺階法、三臺階法及中隔墻臺階法3種開挖工法下路基沉降的云圖。由圖3可知，這3種施工方法下路基沉降的數量級并不大，但從沉降規律分析，中隔墻臺階法施工工法下的路基沉降最小，三臺階法次之，兩臺階法最差，三臺階法與中隔墻臺階法對路基沉降的影響相差不大。

圖3 不同施工工法下的路基沉降云圖(單位:m)

2.3.2 不同施工工法下圍巖位移分析

圖4為兩臺階法、三臺階法及中隔墻臺階法施工下的圍巖位移云圖。由圖4可知，3種施工工法下圍巖的變形規律相同，圍巖的仰拱隆起大于拱頂沉降，因此應當著重關注隧道的仰拱隆起。其中，兩臺階法開挖下的最大仰拱隆起為1.92 mm，三臺階法開挖下的最大仰拱隆起為1.25 mm，中隔墻臺階法開挖下的最大仰拱隆起為1.23 mm，從控制圍巖變形方面來看，中隔墻臺階法在控制圍巖變形方面最好，三臺階法次之，兩臺階法最差。

圖4 不同施工工法下圍巖位移云圖(單位:m)

2.3.3 不同施工工法下初期支護應力分析

圖5～圖10分別為兩臺階法、三臺階法以及中隔墻臺階法施工下雙層初期支護的最小主應力、最大主應力云圖。由圖5、圖6可知，兩臺階法施工下初期支護的最小主應力最大值為-0.943 MPa，最大主應力最大值為-0.152 MPa；由圖7、圖8可知，三臺階法施工下初期支護的最小主應力最大值為-0.929 MPa，最大主應力最大值為-0.153 MPa；由圖9、圖10可知，中隔墻臺階法施工下初期支護的最小主應力最大值為-0.89 MPa，最大主應力最大值為-0.133 MPa，由此可知，在3種施工工法下初期支護的最大最小主應力均在材料的允許應力范圍內，3種施工工法下初期支護的最大最小主應力相差不大。

圖5 兩臺階法開挖后初期支護的最小主應力(單位:Pa)

圖6 兩臺階法開挖后初期支護的最大主應力(單位:Pa)

圖7 三臺階法開挖后初期支護的最小主應力(單位:Pa)

圖8 三臺階法開挖后初期支護的最大主應力(單位:Pa)

圖9 中隔墻臺階法開挖后初期支護的最小主應力(單位:Pa)

圖10 中隔墻臺階法開挖后初期支護的最大主應力(單位:Pa)

2.3.4 不同施工工法下初期支護位移分析

圖11～圖16分別為兩臺階法、三臺階法以及中隔墻臺階法施工下雙層初期支護的位移云圖，由圖11、圖12可知，兩臺階施工法下初期支護的最大豎向位移位于仰拱處，仰拱隆起最大值為1.92 mm，最大水平位移位于拱腰處，水平收斂的最大值為0.78 mm；由圖13、圖14可知，三臺階施工法下初期支護的最大豎向位移位于仰拱處，仰拱隆起最大值為1.25 mm，最大水平位移位于拱腰處，水平收斂的最大值為0.46 mm；由圖15、圖16可知，中隔墻臺階施工法下初期支護的最大豎向位移位于仰拱處，仰拱隆起最大值為1.23 mm，最大水平位移位于拱腰處，水平收斂的最大值為0.41 mm，從初期支護變形方面來看，可以發現中隔墻臺階法施工下初期支護的變形最小，三臺階法次之，兩臺階法最差。

圖11 兩臺階法開挖后初期支護的豎向位移(單位:m)

圖12 兩臺階法開挖后初期支護的水平位移(單位:m)

圖13 三臺階法開挖后初期支護的豎向位移(單位:m)

圖14 三臺階法開挖后初期支護的水平位移(單位:m)

圖15 中隔墻臺階法開挖后初期支護的豎向位移(單位:m)

圖16 中隔墻臺階法開挖后初期支護的水平位移(單位:m)

3 機械開挖工藝研究

霞美村隧道DK146+380～DK146+ 464范圍為下穿高速公路段，采用三臺階法施工，隧道出口處臨近村莊，大部分為毛石結構民宅，東南面最近處距離毛石結構民宅55 m，西面最近處距離毛石結構民宅30 m，當地政府要求禁止爆破開挖，經參建四方對現場踏勘和研究，現采用靜態開挖替代爆破方案挖除石方(圖17)。

圖17 民房位置

目前對于靜態開挖的方法有幾種：潛孔鉆+PC200破碎錘組合、三臂鑿巖臺車+PC370破碎錘組合、巖石膨脹劑施工、火燒法施工、劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機+水磨鉆等機械組合施工。通過現場試驗進行初步分析，巖石膨脹劑施工、火燒法施工基本無法滿足施工需求，潛孔鉆+PC200破碎錘組合方式施工，工效不滿足要求。

現場通過使用三臂鑿巖臺車+PC370破碎錘組合方式施工，施工計劃工效為6.4 m/月，但結合現場施工條件等，施工的實際工效約4 m/月。如果使用劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機+水磨鉆等機械組合施工，施工計劃工效約10.7 m/月，結合現場實際情況，最終的實際工效最大約6 m/月。結合施工成本、經濟效益以及施工工效等方面，最終選用劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機+水磨鉆等機械組合施工的靜態施工方法，現場施工如圖18所示。

4 結束語

以霞美村隧道淺埋下穿高速公路工程為依托，從路基沉降、圍巖變形、初期支護受力、初期支護變形這4個方面分別對比分析了兩臺階法、三臺階法以及中隔墻臺階法這3種施工工法的異同，通過分析發現，兩臺階法這一施工工法對圍巖擾動較大，因此不予考慮。中隔墻臺階法和三臺階法在控制路基變形、控制圍巖變形以及初期支護受力等方面相差不大，但三臺階法施工比中隔墻臺階法更為便捷快速，而且能夠使用大型開挖運輸機械，綜上所述，三臺階法是較為適用于霞美村隧道的施工工法。

圖18 劈裂棒劈裂施工

針對潛孔鉆+PC200破碎錘組合、三臂鑿巖臺車+PC370破碎錘組合、巖石膨脹劑施工、火燒法施工、劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機+水磨鉆等機械開挖工藝，從工效、成本、經濟效益等方面并結合現場應用試驗，發現劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機+水磨鉆這種機械開挖方法能夠滿足要求，因此選擇該施工工藝。