鉆爆法隧道下穿既有雙連拱隧道施工技術研究*

段 偉,韓 通,龍 葳

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063;2.水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心,湖北 武漢 430063)

0 引言

近年來,隨著地下工程的大量修建,新建隧道下穿既有隧道的問題逐漸增多,引起既有隧道變形和結構破壞不容忽視[1-3],對新建隧道施工技術提出更高要求[4]。如何確保地下隧道工程主體結構的穩定和安全運營,成為目前面臨的挑戰。

鉆爆法施工的大跨徑隧道穿越新建既有雙連拱隧道,隧道處于強風化炭質板巖, 采用雙向擴挖洞室的管棚法施工。目前,在國內外也有相關的研究,取得了一定成果。任高峰等[5]通過新管幕法下穿鐵路線,得出其引起地表沉降呈漏斗狀,中間大兩頭小。賴金星等[6]采用有限元方法,研究了軟弱圍巖地區隧道開挖采用管棚加固支護的效果,發現地表沉降和隧道內部收斂值都大幅度減小。Yang等[7]對沈陽地鐵新的單拱大跨頂管預加固隧道在開挖過程中的地表沉降進行了監測,提出了改進的預測隧道開挖地表沉降的Peck公式,發現其監測值和預測值吻合較好。張向東等[8]采用ADINA對某引水隧洞采用管棚支護開挖引起的非線性地表沉降進行數值模擬,結果表明,地層管棚注漿支護可靠性較好。胡朝赟等[9]對西安地鐵1號線下穿及有雙連拱隧道進行現場監測及數值模擬,結果表明,隧道下穿引起的雙連拱隧道變形主要以豎向沉降為主。

施工期間要保證既有雙連拱隧道的正常安全運營,需對隧道間的地層進行加固, 預防既有雙連拱隧道在開挖期間的沉降和受力不均。本文采用有限元軟件Midas GTS NX對鉆爆法隧道的開挖過程進行了三維數值仿真模擬, 并針對隧道間地層是否采用管棚加固進行了深入分析,為以后同類工程提供參考。

1 工程概況

荷坳隧道為惠鹽高速公路深圳段改擴建工程立體層的重要節點工程,沿現狀惠鹽—機荷高速附近布置,東起嶂背村,西至龍口水庫南側,全長約5.98km。隧道中間段采用雙洞盾構法,兩端采用鉆爆法+明挖法,主線隧道Z線全長6 178m,Y線全長5 797m,Z線盾構段長3 608.975m,Y線盾構段長3 640m。其中荷坳隧道惠鹽段起點位于龍崗區嶂背村北側、地鐵14號線風井附近,終點位于荷坳立交東側,路線全長約1.83km。

鉆爆法隧道設超高段,路面橫坡由1.5%向3%轉換,Z線隧道設置變形縫兼防震縫,如圖1所示。鉆爆法隧道Y線段為2.7%的單面下坡,隧道埋深34.58～36.05m,路面標高37.141 8～37.953 1m。鉆爆法隧道主要位于強風化炭質板巖,既有雙連拱隧道位于強風化泥質砂巖,圍巖等級為Ⅴ級,間距為6.12m,兩個擴挖洞室長度為20m,下穿既有隧道段長度為50m。

圖1 鉆爆法隧道Y線

鉆爆法隧道及盾構隧道疊層斷面中行駛小車為主、順接洞外快車道行車空間限界寬度為隧道凈寬(標準兩車道+2.5m硬路肩),長25.91m,高22.31m。既有雙連拱總長約1.9km,紅線寬度40m,雙向6車道,設計速度為50km/h,為城市Ⅰ級主干路,荷載等級為公路Ⅰ級,峭背隧道段工程全長361m。

沿線場地內主要分布有:人工填土、第四系上更新統坡積層、第四系中更新統殘積層、不明成因地層、石炭系下統測水組,局部分布有斷裂構造巖及巖脈。荷坳隧道惠鹽段不良地質主要為巖溶,主要存在于大里程方向的灰巖層中。特殊性巖土主要為人工填土、風化巖和殘積土層等。

地表水均為常年性水系,補給來源為大氣降水與人工引水。地下水的補給、徑流及排泄條件受巖溶發育形態及程度控制,接受大氣降雨補給。按Ⅰ類環境類型考慮,地下水水質對混凝土結構具微腐蝕性;按地層滲透性考慮,地下水水質對混凝土結構具弱腐蝕性;對混凝土結構中的鋼筋在干濕交替環境下具微腐蝕性,在長期浸水環境下具微腐蝕性。

2 地層加固措施

2.1 案例匯總

管幕法[10]是利用水平鉆進和頂管技術在擬建的地下結構周圍頂入支護鋼管或其他材質的預制件,形成超前支護結構,鋼管之間通常采用鎖口連接并注入密封材料,達到防水效果,然后在管幕支護作用下對內部巖土體進行暗挖施工,再澆筑地下結構體。通過收集國內外相關資料,得到國內外典型管幕法案例匯總如表1所示。國內外管棚頂進工法已經較為成熟,管棚直徑和長度都不一致,大多數集中在0.9m和40m左右,不同工程需要根據實際情況取值。

表1 國內外管幕法案例匯總

管幕法實施需要一定的作業空間,通常利用工作井在洞口進行施工打設,考慮到頂管始發需求,始發洞室長度取20m,且工期緊張,暗挖隧道頂管機轉運困難,頂管施工區域兩側擴挖洞室均應具備頂管始發條件,實現對向施工。管幕直徑的選取應綜合考慮對既有雙連拱隧道沉降的影響、人員在鋼管內切割、焊接的操作空間、鋼管受力等方面,選取鋼管直徑2m,壁厚30mm。

2.2 大管棚

進行洞身管幕施作需對既有斷面進行擴挖,擴挖斷面開挖面積為463.95m2,采用兩道HW200型鋼作為初支結構,初支厚50cm,擴挖工作室斷面二襯采用80cm厚鋼筋混凝土。隧道施工時采用井字支撐開挖法,臨時鋼架為垂直支撐形式。隧道分9步開挖,采用φ180mm洞身管棚。

鋼管外徑2.0m,壁厚30mm,澆筑C45自密實混凝土形成環形封閉的預支護結構管幕段施工時,先頂進鋼管,然后逐步分區分段切割并用弧形鋼板連接相鄰鋼管,內外側鋼管之間采用鋼管支撐,鋼管成環后綁扎鋼筋,然后澆筑鋼管內混凝土,管幕結構成型后分區開挖內部土體,切割內側鋼管并澆筑內部襯砌,形成疊合支護結構。

3 數值模擬計算分析

3.1 計算模型

計算模型采用Midas/GTS NX,計算范圍取隧道水平方向兩側3倍洞徑,取120m,頂面以上取至地表并考慮地表地形起伏,底部邊界為隧道底部下3D位置,最終模型高度取80～122m,縱向計算長度按90m建立計算模型。隧道模型尺寸為寬×高×長=120m×114×90m(見圖2),按照隧道間地層是否采用管棚加固對其進行相應研究。

圖2 三維計算模型

網格劃分單元197 921個,假定隧道周圍土體為彈塑性材料,破壞準則采用莫爾-庫倫準則,采用默認混合網格單元。模型中新舊隧道襯砌結構采用實體單元,大管棚鋼管采用1D線單元,錨桿及混凝土加固區采用實體單元。具體模型網格分布情況如圖3所示。

圖3 地層分布及管棚加固區域

在模擬過程中,地層、加固層、鋼管以及隧道襯砌結構的物理力學參數如表2所示。

表2 地層及結構模型物理力學計算參數

3.2 施工步驟

本文三維數值計算分為2種工況進行模擬。

1)工況1(未采取加固措施) 不考慮管棚及錨桿加固,鉆爆法隧道直接下穿既有雙連拱隧道。

2)工況2(采取加固措施) 采用管棚及錨桿加固措施,在加固措施施工完成后,鉆爆法隧道下穿既有雙連拱隧道。

首先模擬既有雙連拱隧道開挖全過程。隨后對鉆爆法隧道采用施工工序(井字支撐開挖法)進行施工模擬,以工況1為例介紹計算過程,選取隧道開挖過程6個典型施工步進行分析,分別為:①開挖20m(右側擴挖段);②開挖10m至既有雙連拱隧道側邊緣;③開挖到既有雙連拱隧道正下部;④開挖到既有如意路隧道另一側邊緣;⑤繼續開挖10m到左側擴挖段;⑥開挖完成(左側擴挖段)。通過分析6個典型施工步結果,可以從整體上評估隧道施工過程中對上部隧道結構安全性的影響。

3.3 計算結果與分析

3.3.1既有隧道沉降分析

由于鉆爆法隧道下穿既有雙連拱隧道,為防止隧道開挖過程中隧道沉降變形過大,保證隧道的正常運營,重點分析區間隧道開挖過程中,既有隧道的豎向位移變形和應力分布規律。

既有隧道最大位移為16.47mm,最大位移出現在下穿既有雙連拱隧道正下方,距離下穿隧道越遠,既有隧道位移越小,剛開始既有隧道沉降出現在右側,之后逐漸向左側隧道轉移,表現為右側沉降大于左側。

隨著隧道施工的進行,既有隧道沉降逐漸增大,且最大沉降值發生在第6步(見圖4),可見鉆爆法隧道下穿通過后,其對上方既有隧道會持續產生影響,其沉降值增大趨勢逐漸減緩并最終趨于穩定狀態。在第2,3,4步施工造成的既有隧道沉降較大,已對地層產生了較大的擾動,在施工步4完成后,既有隧道沉降已達到總體沉降的98.65%。

圖4 各施工步下既有隧道沉降變化曲線

各工況下既有隧道沉降云圖如圖5所示,管棚加固作用下隧道施工引起的既有隧道最大沉降為8.99mm,對比未采用加固措施時大幅度減小,表明隧道施工對既有隧道結構的位移影響較大,進一步說明采用的加固措施效果顯著。

圖5 各工況下既有隧道沉降云圖(單位:m)

隨著鉆爆法隧道施工靠近既有隧道,總體表現為左側隧道結構的沉降要大于右側隧道結構沉降(見圖6),既有雙連拱隧道中間墻的沉降相對要小一些,呈現出“一峰二谷”變形形狀,表明實際施工時,應重點注意下穿位置上方既有隧道的變形。

圖6 下穿位置隧道截面沉降曲線

隨著隧道施工進行,既有隧道沉降逐漸增大,但是管棚加固效率逐漸變低(見圖7),是由于大管棚施工是一次性打穿的,控制效果主要體現在第1,2步。通過管棚及錨桿聯合支護,顯著降低了既有雙連拱隧道結構的沉降,管棚支護后可使隧道開挖引起的既有雙連拱隧道沉降減小50%,并將雙連拱隧道沉降控制在10mm內,保證了隧道施工過程中既有如意路雙連拱隧道的正常運營。

圖7 既有隧道沉降對比曲線

3.3.2既有隧道應力分析

地層未加固進行鉆爆法隧道開挖之后,其結構最大剪應力位于邊墻位置,其中隔墻相對較穩定,如圖8所示。然而,最大壓應力出現在既有隧道上部,最大拉應力出現在既有隧道底部,實際施工時應對其底部地層進行加固處理,防止結構發生破壞。

圖8 各工況下既有隧道結構應力云圖(單位:kN/m2)

采用管棚及錨桿聯合加固之后,最大拉應力仍然出現在既有隧道底部,但是最大壓應力發生在中隔墻底部,其作用位置發生了轉移,實際施工時應重點關注中隔墻應力變化。

工況1下既有隧道截面應力云圖如圖9所示,既有隧道最大剪切應力發生在其邊墻位置,最小剪應力發生在雙連拱中隔墻底部,且分別為7 929kPa和905kPa。由于鉆爆法隧道下穿既有隧道,導致其下穿位置底部存在很大的拉應力,頂部存在較大的壓應力,分別為3 637kPa和5 295kPa,極易發生既有隧道結構的破壞,影響其正常地使用。

圖9 工況1下既有隧道截面應力云圖(單位:kN/m2)

各工況下既有結構最大應力如圖10所示。當鉆爆法隧道施工完成之后,發現既有隧道結構剪應力減小幅度最大,最大剪應力減小了2.13%,最小剪應力減小了22.8%;而最大拉壓應力減小幅度相對較小,分別為6.4%和19.3%,總體表現為加固措施有效地降低了既有隧道結構的應力,減小了結構發生破壞的風險。

圖10 各工況下既有結構最大應力對比

4 保護措施及應急預案

4.1 施工控制措施

1)施工前應認真核對隧道地形、地貌、地質情況及地形復測工作,校核路面設計標高、曲線要素、超高、地面高程等,防止施工中產生位置、標高差錯,核實無誤并經設計人員確認后方可施工。

2)隧道施工前,應開展地質調查,包括對地表不良體、地質構造、地層界線等方面施工地質復查工作。如發現與設計不符,應及時向監理、建設、設計單位通報和辦理變更手續。

3)在隧道開挖過程中,應隨時核對圍巖級別與地下水狀態,如發現與設計不符,應及時提出,以便修正設計。

4)隧道施工前,應根據隧道長度、地形、地質條件、施工方法、支護類型等,制定監控量測專項方案,并應貫穿施工全過程,確保數據采集的及時性、準確性、系統性、連貫性,有效應用于施工風險管控和優化設計,以確保施工安全。

5)隧道施工必須進行超前地質預報,特別是巖溶發育段、斷層構造帶、不同巖性接觸帶,根據超前地質預報資料,結合開挖揭示的地質情況,綜合核查圍巖級別,如有變化,應及時調整設計參數,嚴禁盲目按圖施工。

6)隧道施工應重視塌方、下穿建(構)筑物等應急預案的重要性,及時反饋現場相關情況,以便動態設計。

7)隧道施工要重視保護生態環境,實行文明施工,提高機械化水平、標準化施工,盡量減少對隧道附近環境的破壞。

8)鉆爆法隧道進行反坡施工時,應采用機械抽水,施工單位根據實際水量制定切實可靠的抽排水方案,準備充足的抽排水設備。

4.2 施工監測

1)制定詳細的監測計劃,對監測數據進行分析處理,預測鉆爆法隧道穿越既有雙連拱隧道的沉降值,為以后是否啟動應急預案提供參考。

2)加強施工監測

監測是施工效果的直接反映,是隧道施工中對重要建筑物進行保護的重要手段。所謂信息化施工是指通過監測數據的反饋分析,判斷當前的施工狀況是否科學合理,及時發現工程中存在的問題,為采取有效的防范措施提供基礎信息,指導施工安全順利進行。監測內容包括:①拱頂和地面沉降;②公路路面沉降;③既有雙連拱隧道的結構沉降。雙連拱隧道內監控量測布置如圖11所示。

圖11 雙連拱隧道內監控量測布置(單位:cm)

為了能快速獲取沉降監測數據,及時反饋指導區間隧道的掘進穿越,可以考慮采用自動監測系統不間斷采集數據。在施工過程中,可采用多種通信工具,將既有連拱隧道的監測數據和隧道的施工參數快速傳遞給分析中心,分析中心通過科學的分析判斷,將隧道施工參數的調整信息傳遞給施工工作面,指導隧道施工。

4.3 保護措施

1)雙連拱隧道施工時仰拱加厚,下部采用門架樁,并在樁基處增設橫梁,改善節點處受力。并在與慧鹽隧道交叉處取消結構變形縫,加強橫、縱向配筋。同時在隧道下部預留洞內注漿孔,必要時進行跟蹤注漿。

2)惠鹽立體層隧道Y線施工時,在雙連拱隧道洞內增設井字支撐,如圖12所示。

圖12 雙連拱隧道內井字支撐臨時鋼架

5 結語

本文運用Midas GTS NX進行了鉆爆法隧道下穿既有雙連拱隧道施工可行性的數值模擬研究,并將大管棚及錨桿聯合加固作為唯一變量進行了兩組模擬,分析了加固措施對既有隧道的變形控制效果,并得出以下結論。

1)引起既有雙連拱隧道沉降的主要原因是大跨度隧道的開挖, 其沉降值增大趨勢逐漸減緩并最終趨于穩定。在既有雙連拱隧道10m范圍內施工造成的既有雙連拱隧道沉降較大,在施工步4完成后,既有隧道沉降已達到總體沉降的98.65%。

2)未采用加固措施時,鉆爆法隧道開挖過程中,既有雙連拱隧道中隔墻應力相對較小;既有雙連拱隧道最大剪切應力發生在其邊墻位置;最大壓應力出現在既有隧道上部,最大拉應力出現在既有隧道底部,容易導致其結構發生破壞,影響其正常運營。

3)通過大管棚及錨桿聯合加固能夠顯著地降低鉆爆法隧道開挖過程中對既有雙連拱隧道的影響,可將既有雙連拱隧道的結構變形控制在10mm以內。同時,管棚和錨桿聯合加固可以最大限度地改善既有雙連拱隧道內應力分布情況,減少隧道結構應力集中現象,降低其結構破壞的風險。

4)因現場施工時多使用爆破,圍巖條件差, 對地層擾動很大, 其損失量較多,其沉降在短時間內變形會比理論分析要大, 但對最終變形量影響不大。應盡量減小短時間內對地層的擾動, 并隨時做好監測, 必要時要采用臨時加固措施。