淺埋地鐵隧道下穿公路路堤邊坡施工技術(shù)研究

摘要：為解決隧道下穿構(gòu)筑物施工安全穩(wěn)定性的難題，以貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線下麥西隧道下穿某公路路堤邊坡為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬軟件分析方法建立三維數(shù)值計(jì)算模型，通過圍巖豎向位移、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及復(fù)雜施工環(huán)境等多方面對(duì)比分析，擬定了兩種施工技術(shù)方案，分別為隧道內(nèi)管棚加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和公路路堤邊坡加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，通過結(jié)合工程實(shí)際并對(duì)比施工難易程度、安全風(fēng)險(xiǎn)和施工技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)，最終選取施工安全系數(shù)高和穩(wěn)定性好的施工技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；下穿公路路堤邊坡；淺埋地鐵隧道

0" "引言

喀斯特地形地貌地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在該類地區(qū)開展城市軌道交通建設(shè)，大大提高了隧道工程建設(shè)難度，尤其是新建隧道工程下穿各種結(jié)構(gòu)物對(duì)安全穩(wěn)定性影響較大[1]。

為解決隧道下穿構(gòu)筑物施工時(shí)的安全穩(wěn)定性難題，本文以貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線下麥西隧道下穿某公路路堤邊坡為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬軟件分析方法建立三維數(shù)值計(jì)算模型，通過圍巖豎向位移、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及復(fù)雜施工環(huán)境等多方面對(duì)比分析，為制定隧道下穿公路路堤邊坡施工方案提供理論支撐。

1" "工程概況

貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線于YD1K1+327～855段設(shè)下麥西隧道，隧道總長(zhǎng)528m，軌面埋深7.7～33m，屬典型淺埋暗挖地鐵隧道。其中YD1K1+430～475段以50°角斜交下穿某公路路堤邊坡。

該段地層巖性為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，拱頂多位于強(qiáng)風(fēng)化附近，局部洞段穿行于殘破積紅黏土之中，圍巖破碎、軟弱，地下水位較高。圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，施工對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，圍巖自穩(wěn)能力較差。基于此施工時(shí)應(yīng)減小開挖長(zhǎng)度，提高施工質(zhì)量和速度，確保初期支護(hù)應(yīng)盡早封閉成環(huán)。

2" "數(shù)值模擬計(jì)算模型

基于數(shù)值模擬分析方法，建立與實(shí)際地形地貌一致的計(jì)算模型圖，計(jì)算模型如圖1所示。將圖1數(shù)值模擬計(jì)算模型圖的模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析，從而驗(yàn)證數(shù)值模型圖建立的合理性[2]。

3" "公路路堤地表沉降影響分析

3.1" "圍巖豎向位移模擬分析

本研究在隧道埋深25m下，探究了不同開挖長(zhǎng)度（1m、3m、6m、9m）對(duì)洞身周圍巖石結(jié)構(gòu)以及地表沉降效應(yīng)的影響。針對(duì)隧道穿越公路路堤邊坡的情景，選取模型中X=85.5的橫斷面進(jìn)行深入分析與研究，確定隧道圍巖豎向位移云圖。圍巖豎向位移云圖如圖2所示，從圖2可以看出，4種開挖施工對(duì)洞身圍巖豎向位移的影響規(guī)律相同，隨著開挖施工長(zhǎng)度增加，洞身圍巖受到擾動(dòng)影響區(qū)域逐漸增大[3]。

3.2" "公路路堤邊坡沉降分析

公路路堤邊坡沉降分析曲線如圖3所示，由圖3可知，隨著開挖長(zhǎng)度增大，公路路堤邊坡地表沉降增大。

4種開挖長(zhǎng)度路堤邊坡與拱頂最大沉降值如表1所示。由表1可知，當(dāng)開挖長(zhǎng)度為9m時(shí)，路堤邊坡觀測(cè)點(diǎn)、拱頂觀測(cè)點(diǎn)最大沉降值分別為1.645cm、5.556cm。

與開挖9m路堤邊坡和拱頂最大沉降值對(duì)比，開挖為6m時(shí)路堤邊坡和拱頂沉降分別降低13.3%、9.6%；開挖3m時(shí)路堤邊坡和拱頂沉降分別降低32.9%、22.5%；開挖1m時(shí)路堤邊坡和拱頂沉降分別降低60.1%、39.6%。相比于開挖長(zhǎng)度1m最大沉降值，開挖長(zhǎng)度6m和3m路堤邊坡沉降分別降低56.3%、43.5%，拱頂沉降分別降低33.2%、22.1%。

3.3" "拱頂沉降與地表沉降影響趨勢(shì)分析

拱頂沉降與地表沉降影響趨勢(shì)線如圖4所示。由圖4可知，拱頂沉降和地表沉降隨著開挖施工長(zhǎng)度明顯成線性關(guān)系，拱頂沉降斜率變化較大[4]。隧道開挖施工長(zhǎng)度3～9m過程中，拱頂沉降和地表沉降的斜率最大。

綜上所述，在淺埋、軟弱圍巖條件下，隧道施工采用短開挖可降低洞身周邊地層圍巖的擾動(dòng)。并且及時(shí)施作初期支護(hù)，有助于縮短圍巖在無(wú)支護(hù)工況下變形時(shí)間，約束地層圍巖發(fā)生破壞性變形，從而降低隧道拱頂和地表沉降量。結(jié)合工程實(shí)際，建議開挖施工時(shí)選取小于1m開挖長(zhǎng)度為宜。

4nbsp; "現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)分析

4.1" "拱頂沉降分析

隧道施工至斷面里程YD1K1+450處拱頂沉降隨時(shí)間變化如圖5所示。從圖5可知，拱頂累計(jì)最大沉降值為42.57mm，當(dāng)開挖距離監(jiān)測(cè)斷面30m時(shí)，拱頂出現(xiàn)沉降變形，開挖通過監(jiān)測(cè)斷面后，拱頂沉降數(shù)值基本保持在10～15mm穩(wěn)定范圍內(nèi)。

4.2" "交通涵翼墻監(jiān)測(cè)位移分析

交通涵翼墻監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)與模擬位移數(shù)據(jù)變化如圖6所示。分析圖6可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大差異。這是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)期間發(fā)生強(qiáng)降雨，導(dǎo)致路堤邊坡土體含水率速度飽和，土體抗剪能力下降，使路堤邊坡和交通涵翼墻發(fā)生位移，數(shù)值模擬分析時(shí)未考慮降雨影響因素所致。因此，建議在制定下穿公路路堤邊坡施工方案時(shí)，對(duì)公路路堤邊坡采取加固措施和增加防雨措施。

隧道開挖施工距離交通涵翼墻處監(jiān)測(cè)點(diǎn)越近，受到水平位移影響就越大。隧道未開挖施工期間位移變化趨勢(shì)基本相同，當(dāng)開挖施工距離監(jiān)測(cè)斷面12m時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)值逐漸增大，而模擬數(shù)據(jù)分析結(jié)果則出現(xiàn)緩慢下降[5]。

4.3" "交通涵翼墻及路堤邊坡水平位移分析

交通涵翼墻及路堤邊坡水平位移如圖7所示。由圖7可知，隨著隧道開挖施工，拱頂、公路路堤邊坡沉降和交通涵翼墻、路堤邊坡水平位移變化規(guī)律趨勢(shì)基本相同[6]。

綜上所述，拱頂、公路路堤邊坡沉降和交通涵翼墻、路堤邊坡水平位移變化，隨著隧道開挖施工變化規(guī)律趨勢(shì)基本相同[6]。但是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比仍存在差異，主要因數(shù)值模擬中，工程水文地質(zhì)及施工環(huán)境有所簡(jiǎn)化，參數(shù)選取不完全與施工現(xiàn)場(chǎng)情況一致。隧道未施工至路堤邊坡區(qū)域時(shí)，兩者總體變化趨勢(shì)基本相同，因此數(shù)值模擬計(jì)算模型是合理的。

5" "施工方案比選

初步擬定兩種施工方案[7]：一是隧道內(nèi)管棚加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，二是公路路堤邊坡加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

5.1" "隧道內(nèi)管棚加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分析

隧道內(nèi)管棚加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是加固隧道周邊圍巖，以強(qiáng)化隧道初期支護(hù)剛度。該施工方案優(yōu)點(diǎn)是隧道拱頂圍巖加固后較穩(wěn)定，初期支護(hù)剛度較大，隧道內(nèi)開挖施工時(shí)安全系數(shù)高，穩(wěn)定性好。

其缺點(diǎn)主要有兩方面：一是隧道空間小，施作管棚施工機(jī)械操作較困難，埋深較淺鉆設(shè)管棚易出現(xiàn)鉆穿地層危害交通涵道路通行安全；二是降雨天氣和路堤邊坡沉降對(duì)隧道開挖施工影響較大。

5.2" "公路路堤邊坡加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分析

公路路堤邊坡加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，主要應(yīng)用于隧道穿越公路路堤邊坡區(qū)域的加固，提升隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

該施工方案有兩大優(yōu)勢(shì)：一是能夠有效地穩(wěn)固公路路堤的一、二級(jí)邊坡，增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定性，為隧道開挖提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)平臺(tái)；二是采用相同雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，可以進(jìn)一步加強(qiáng)隧道開挖后的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有效抑制隧道拱頂?shù)某两狄约八椒较虻氖諗浚瑥亩黾庸仿返贪踩€(wěn)定性。然而，其也存在一定的局限性，即在進(jìn)行公路路堤邊坡加固施工的過程中，可能會(huì)對(duì)交通涵內(nèi)的行人及車輛通行造成一定的阻礙。

5.3" "方案確定

綜上所述兩種施工方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析得出，公路路堤邊坡加固和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案優(yōu)點(diǎn)顯著，施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響小、安全穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，最終確定采用該施工方案。

6" "具體施工方案分析

6.1" "公路路堤邊坡加固

隧道開挖施工前優(yōu)先施作公路路堤邊坡加固，加固完成后達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度再進(jìn)行隧道開挖施工。

6.1.1" "右側(cè)路堤一級(jí)平臺(tái)與結(jié)構(gòu)輪廓外鋼管樁施工

在隧道右側(cè)路堤一級(jí)平臺(tái)與隧道結(jié)構(gòu)輪廓外各施作一排鋼管樁，共計(jì)32根。間距1m，鋼管樁長(zhǎng)25m，鋼管外徑Ф159mm，壁厚4.5mm，鉆孔直徑為174mm。鋼管必須采用螺紋絲扣連接，絲扣加工工藝應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范。鋼管樁內(nèi)插入一根鋼筋籠，鋼筋籠采用4根長(zhǎng)25mФ18mm螺紋鋼筋。

采用無(wú)水干鉆孔施工工藝，鉆孔施工機(jī)械采用潛孔鉆機(jī)，成孔結(jié)束后將制作完成的鋼管放入鉆孔內(nèi)，并將鋼管孔注入標(biāo)號(hào)32.5純水泥漿，以管樁外壁側(cè)自然溢出水泥漿即可終止注漿。

6.1.2" "隧道頂部二級(jí)邊坡處注漿鋼花管施工

對(duì)隧道頂部二級(jí)邊坡處注漿鋼花管進(jìn)行施工，鋼花管每排16根，共計(jì)6排，呈梅花狀布置，間距1.5m。Ф76mm注漿鋼花管采用壁厚4mm的熱軋無(wú)縫鋼管，鉆孔機(jī)械采用小型鉆孔機(jī)械，垂直水平面鉆入至隧道開挖輪廓線拱頂外0.5m處。

鋼管上鉆注漿孔，孔徑Ф15mm，孔間距20cm，呈梅花狀布置。注漿采用標(biāo)號(hào)為32.5的水泥漿，注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)酌情調(diào)整，以保證注漿效果。

6.1.3" "噴射混凝土及防水層施工

公路路堤邊坡鋼管樁和注漿鋼花管施工完成后，將隧道右側(cè)一級(jí)邊坡、平臺(tái)及二級(jí)邊坡噴射一層厚10cm、強(qiáng)度為C25混凝土防水層。

6.2" "隧道開挖施工方案

6.2.1" "開挖施工前準(zhǔn)備

依據(jù)實(shí)際情況，施工前將二次襯砌仰拱施工至掌子面附近，并施作一段二次襯砌。

6.2.2" "雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法采取自上至下循環(huán)開挖及初期支護(hù)進(jìn)行施工，如圖8所示。利用上一循環(huán)架立的鋼架施作①部側(cè)壁Ф42mm超前小導(dǎo)管，采用人工開挖①部進(jìn)尺一榀鋼架間距。開挖完成后噴5cm混凝土封閉掌子面，施作初期支護(hù)鋼架和臨時(shí)支護(hù)鋼架，并鉆設(shè)初期支護(hù)鋼架φ42鎖腳錨管。鎖腳錨管斜向下20°和40°角布設(shè)，再噴射混凝土封閉鋼架。

滯后于①部5～10m后，采用小型挖掘機(jī)開挖②部導(dǎo)坑進(jìn)尺兩榀鋼架間距。開挖完成后噴5cm混凝土封閉掌子面，施作初期支護(hù)鋼架和臨時(shí)支護(hù)鋼架，并鉆設(shè)初期支護(hù)鋼架φ42鎖腳錨管。鎖腳錨管斜向下40°和60°角布設(shè)，噴射混凝土封閉鋼架。

②部開挖進(jìn)尺20～30m后開挖③部，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，施工方法同①部。③部開挖5～10m后開挖④部，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，施工方法同②部。

6.2.3" "拱頂及仰拱施工

利用上一循環(huán)架立的鋼架施作⑤部導(dǎo)坑Φ42超前小導(dǎo)管，開挖進(jìn)尺一品鋼架間距。開挖完成后及時(shí)施作初期支護(hù)鋼架及型鋼橫撐，噴射混凝土封閉鋼架。⑤部開挖進(jìn)尺5～10m后采用小型挖掘機(jī)開挖⑥和⑦部，及時(shí)施作⑥、⑦部下方仰拱初期支護(hù)。

6.2.4" "仰拱施工

⑧、⑨部采用小型挖掘機(jī)進(jìn)行開挖施工，每次開挖進(jìn)尺不大于2m，開挖完成后將初期支護(hù)鋼架接左、右側(cè)壁至仰拱⑦部，使整個(gè)初期支護(hù)鋼架封閉成環(huán)。

6.2.5" "臨時(shí)支護(hù)鋼架拆除及二次襯砌施工

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，待整體初期支護(hù)穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支護(hù)鋼架。拆除時(shí)一次拆除長(zhǎng)度不大于8m，同時(shí)需滿足施工安全步距要求。拆除主要采用人工拆除和機(jī)械輔助方式。臨時(shí)支護(hù)鋼架拆除后應(yīng)盡早施作仰拱填充和二次襯砌。

7" "結(jié)束語(yǔ)

本文以貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線下麥西隧道下穿某公路路堤邊坡為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬軟件分析方法建立三維數(shù)值計(jì)算模型，通過圍巖豎向位移、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及復(fù)雜施工環(huán)境等多方面對(duì)比分析，選取了施工安全系數(shù)高和穩(wěn)定性好的施工技術(shù)方案，并對(duì)具體施工要點(diǎn)進(jìn)行論述。

隧道施工中，采用短開挖（建議長(zhǎng)度小于1m）與及時(shí)初期支護(hù)策略，能有效降低圍巖擾動(dòng)，縮短變形時(shí)間，提高圍巖穩(wěn)定性，減少拱頂及地表沉降。雖然數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在具體數(shù)值上存在差異，但兩者反映的總體變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的合理性。此外，結(jié)合公路路堤邊坡加固與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，可有效控制地表沉降、隧道變形，增強(qiáng)洞身圍巖穩(wěn)定性，確保隧道下穿公路路堤邊坡施工的安全與穩(wěn)定。

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