下穿省道公路隧道施工變形與控制技術研究

盧超波,陀楚明,姜洪亮,楊庭偉,張 偉

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西壯族自治區公路隧道安全預警工程研究中心,廣西 南寧 530007;3.中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北 武漢 430071)

0 引言

對高速公路隧道穿越特殊結構物[1-3]、特殊地質[4-5]隧道開挖圍巖變形的問題,大量學者進行了系統細致的研究,隧道施工開挖造成圍巖變形,對周邊既有結構將會造成影響。本文通過對某高速公路下穿省道的隧道單洞進洞段施工開挖進行數值試驗分析,并結合施工過程監測數據對其變形機制進行研究,提出變形控制技術措施,為其他類似隧道工程設計與施工提供參考。

1 工程背景

某高速公路隧道設計為洞身分離式隧道,速度 100 km/h,路基寬度為 26 m,路面采用瀝青混凝土結構。隧道左線隧道起訖樁號2ZK44+285～2ZK49+075,右線隧道起訖樁號2K44+265～2K49+073,隧道進洞口位于山體斜坡上,上部約22 m為省道,與隧道成斜交60°穿越,省道路面為瀝青混凝土結構,進洞段圍巖表層主要為碎石土,局部為粉質黏土,厚度1～4 m,下伏圍巖主要為強-中風化砂巖,巖質較軟,節理裂隙極發育,巖體破碎。隧道開挖斷面凈寬13.76 m,斷面開挖面積約113 m2。如圖1所示。

2 數值試驗

2.1 數值試驗模型

為進一步分析進洞段施工開挖對地表變形影響的機制,根據隧址所處地形與巖性情況,建立圖2所示的數值試驗模型,模型Y軸走向為隧道走向,數值試驗模型為幾何階梯模型,模型長、寬、高(Y、X、Z軸方向)分別為103 m、120 m、70 m,模型網格數量為334 101。數值試驗模型的物理力學參數是根據室內試驗結果結合現場揭露圍巖破碎程度取值,模型計算本構模型采用M-C本構模型,初次支護采用實體單元,圍巖的初始地應力場為自重場,計算平衡后進行隧道開挖數值試驗,模型圍巖及初期支護參數如表1所示。

圖1 隧道進洞段地質平縱斷面圖

圖2 數值分析模型圖

表1 模型參數表

2.2 數值試驗結果

隧道采用上臺階預留核心土的兩臺階法進行開挖,上臺階開挖進尺每循環為0.5 m,圖3為開挖進尺0.5 m、10 m、20 m、30 m時的無支護地表變形與沉降變形云圖,對應實際隧道掌子面里程為分別為2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(a)進尺0.5 m地表位移

(b)進尺0.5 m地表沉降

(c)進尺10 m地表位移

(d)進尺10 m地表沉降

(e)進尺20 m地表位移

(f)進尺20 m地表沉降

下頁圖4為采取超期支護措施后,隧道上臺階預留核心土法按每榀鋼支架間距即開挖支護步距為0.5 m的循環開挖支護,開挖進尺0.5 m、10 m、20 m、30 m時地表變形與沉降變形云圖。在循環開挖支護后均進行模型平衡計算,并開挖支護下一循環,對應實際隧道掌子面里程為分別為2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(c)進尺10 m地表位移

(d)進尺10 m地表沉降

(e)進尺20 m地表位移

(f)進尺20 m地表沉降

(g)進尺30 m地表位移

(h)進尺30 m地表沉降

從數值試驗結果看,隨著隧道開挖,地表影響范圍逐漸增加,其地表變形、沉降累計值隨著開挖進尺增加而增加。隧道開挖進尺10 m后,有無支護情況下隧道開挖均會對省道基底產生影響,進尺20 m后,省道基底形成半沉降盤,省道外側路肩無支護時最大沉降值約10 mm,有支護時最大約5 mm;進尺30 m后,有無支護均將對隧道拱頂上方1.0倍路基區域范圍產生較大影響。此外,隧道進洞20 m后,省道的基底變形主要為沉降變形。

循環小步距開挖支護對變形的發展起到良好的控制,進尺20 m時,有支護時開挖對路肩的變形、沉降變形從無支護的8～14 mm、5～7.5 mm降至4～6 mm、2.5～5 mm;進尺30 m時,有支護時開挖對路肩的變形、沉降變形從無支護的12～17 mm、10～15 mm降至5～7.5 mm、5～7.5 mm,位移控制降幅50%左右,各區間內的變形、沉降變形影響范圍大幅降低。

洞內變形主要為拱頂沉降與地板鼓起,進一步分析支護結構錨桿受力情況,隧道拱部范圍系統錨桿受力較大,兩側邊墻系統錨桿受力較小,如圖5所示。

通過數值試驗,設計的支護體系滿足隧道施工開挖安全控制要求,但仍無法有效消除隧道施工對既有省道基底的影響。

(a)進尺0.5 m系統錨桿受力圖

(b)進尺10 m系統錨桿受力圖

(c)進尺20 m系統錨桿受力圖

(d)進尺30 m系統錨桿受力圖

3 變形控制方案

通過數值分析可知,提高支護剛度、減少開挖循環步距對路基變形有良好的控制效果,但仍未能絕對控制路基基底變形與沉降變形。在隧道進尺20 m時,路肩的變形、沉降變形為4～6 mm、2.5～5 mm;進尺30 m時,路肩的變形、沉降變形約5～7.5 mm、5～7.5 mm,基底最大沉降變形約7.5 mm,可能對省道路面結構基底造成脫空。為有效控制隧道進洞下穿開挖支護變形,對開挖變形控制主要采用洞口邊仰坡穩定控制、洞內隧道開挖變形控制等措施;洞內隧道開挖變形控制主要采取循環施作超前支護、開挖方法與及時初期封閉成環進行控制等措施。進洞里程為2K44+273,2K44+273～2K44+295段采用超前長管棚27 m+超前小導管,2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚。開挖方法采用上臺階法預留核心土開挖,開挖方式采用機械鑿除法,每循環進尺為1榀鋼拱架間距,即≤50 cm,支護緊跟開挖面。

(1)洞口邊仰坡穩定控制:采用3.5 m長、φ42 mm×4 mm注漿小導管,間距1.0 m×1.0 m,梅花形布置,掛設φ8 mm@20 cm×20 cm鋼筋網,噴射10 cm厚C25早強噴射混凝土防護。

(2)洞內隧道開挖變形控制:2K44+273～2K44+295段主要采用27 m長管棚+超前小導管,長管棚套拱導向墻混凝土為C30,厚度60 cm,長1.5～5 m,管棚鋼管采用熱軋無縫鋼管φ108 mm×6 mm,方向與路線中線平行,長管棚布設于隧道上半拱130°范圍內,管棚環向間距為50 cm,管棚鋼管外插角0.5°～1°(不包括路線縱坡),管棚鋼管內插4根φ16 mm二級鋼筋籠,滿注強度等級不低于M20水泥砂漿。小導管采用φ42 mm×4 mm雙環注漿小導管,環向間距40 cm,長4.5 m,縱向間距2.0 m,外插角10°～15°,導管從工字鋼腹部開孔穿過,尾部焊接于鋼架上,導管搭接≥1.5 m,小導管注漿材料為42.5水泥凈漿,水灰比0.6～0.8,注漿壓力初壓為0.5～1.0 MPa,終壓為2.0 MPa。初期支護采用50 cm間距Ⅰ20b工字鋼,φ8 mm@15 cm×15 cm鋼筋網,C25噴射混凝土26 cm。系統錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿,長度4 m,環縱向間距120 cm×50 cm。

(3)2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚,鋼管采用φ89 mm×6 mm超前鋼管,布設于隧道上半拱120°范圍內,環向間距40 cm,長9.0 m,縱向間距4.5 m,外插角10°～15°,鋼管從工字鋼腹部開孔穿過,尾部焊接于鋼架上。初期支護采用50 cm間距的Ⅰ22b工字鋼,φ8 mm@15 cm×15 cm鋼筋網,C25噴射混凝土28 cm。系統錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿,長度4 m,環縱向間距120 cm×50 cm。

(4)由于上跨隧道的省道為主要交通要道,重載車輛較多,為了確保隧道開挖過程中省道運營安全,施工過程中加強對省道路基沉降監測后,對重載車輛動態加壓可能引起路面結構變形開裂,后期可根據路面結構出現的病害進行注漿與裂縫堵水動態處理。

4 開挖變形監測分析

開挖前在地表布置了17個地表沉降監測點,如圖6所示,D1～D7位于隧道仰坡中部,D8～D13位于省道路肩外側,D14～D18位于省道路面中心;對洞內圍巖變形監測斷面如圖7所示,里程分別為2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295,測點在初期支護后埋設并開始監測。

如圖8所示,地表測點沉降變形隨著開挖進尺在不同時間內逐步增加,結合施工開挖進尺,在掌子面距離測點約1倍洞徑時,地表沉降變形開始顯現,并隨著開挖進程而增加。由于開挖進尺中斷于2K44+295,位于省道路面中心,D14～D18在掌子面停止開挖后,仍隨著時間緩慢變形,詳見圖9。掌子面開挖至距離測點約1.0倍洞徑時,掌子面停止開挖后,地表沉降在3 d內急速增加,3 d后減緩并緩慢增長。

各斷面里程的拱頂沉降與收斂變形監測點曲線如圖10所示,從監測的結果看,各斷面穩定累計變形值均較小,2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295最大拱頂沉降穩定值分別為20.2 mm、30.5 mm、19.1 mm、19.3 mm,收斂穩定值分別為16.2 mm、24.3 mm、14.1 mm、15.2 mm,采取變形控制方案對地表變形進行控制能取得良好的效果,可安全穿越省道。

圖6 地表測點布置示意圖

圖7 洞內上臺階核心土開挖測點布置示意圖

圖8 地表測點監測曲線圖

圖9 掌子面中斷于2K44+295測點時D14～D18沉降隨時間增長曲線圖

圖10 測點監測曲線圖

5 結語

本文針對下穿省道公路隧道施工變形與控制技術研究,提出了經濟科學處治方案,取得良好效果,結論如下:

(1)隨著隧道進洞開挖,對地表影響范圍逐漸增加,其表面變形、地表沉降隨著開挖進尺增加而增加。地表變形主要以沉降變形為主,有無支護均將對隧道拱頂上方1.0倍路基區域范圍產生較大影響。

(2)采取對下穿隧道地表變形控制、提高超前支護以及初期支護剛度、減少開挖循環步距等措施對路基變形控制能夠取得良好效果,但絕對控制路基基底變形與沉降變形存在較大難度。

(3)對埋深不大的隧道,掌子面開挖至距離測點約1.0倍洞徑時開始出現地表變形,掌子面停止開挖后,地表沉降約3 d內急速增加,3 d后減緩并緩慢增長。