大跨隧道超淺埋段護拱反吊暗挖法設計及作用分析

呂勇剛，秦輝輝

(1.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088;2.北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

0 引言

在高速公路、鐵路修建中，單座隧道同時下穿數座山嶺的情況時有發生。受地形條件及平縱線型指標等因素的影響，隧道中部兩山間的溝谷部位往往出現超淺埋甚至部分露頭的情況，而溝谷部位往往是地質條件極差、斷層破碎帶發育、地表匯水集中的地帶。在以往工程案例中多采用明(蓋)挖方式［1-3］或者半明半暗開挖技術［4］通過淺埋沖溝地段。但明(蓋)挖施工及半明半暗開挖往往因受地形條件限制、交通不便、征地量大、環境破壞嚴重等因素的影響而難以實施，亟需一種安全高效的暗挖技術來解決此類工程難題。

以往關于大跨隧道暗挖穿越溝谷地段的研究和工程實踐，取得了一定的工程經驗。單士軍等［5］結合羊臺山隧道，介紹客運專線隧道采用地表加固與洞內控制爆破施工相結合的方法順利通過暗挖淺埋段;張英才［6］以函谷關隧道下穿新黃土沖溝為例，介紹了采用水泥回填及混凝土咬合樁打設加固沖溝，洞內小導管注漿加固洞周的方法成功穿越沖溝的施工方法。但這些案例僅采用對地表及土層的普通加固方案，且論述大多局限于對施工方案的描述，未對工程方案進行進一步的理論分析，揭示作用機制。本文結合二廣高速大崛坑1號隧道超淺埋沖溝段復雜地質條件，提出護拱反吊法加固地層，采用暗挖法通過沖溝段的方案，并結合數值分析揭示其作用機制。

1 工程概況

大崛坑1號隧道位于二廣高速懷集至三水段，按設計速度80 km/h，雙向六車道高速公路標準設計［7］，為上下行分離式長隧道。隧道最大埋深126.5m，左線隧道長約955 m，右線隧道長1 052 m，單洞最大開挖跨度為16.61m，最大開挖高度為11.51m，屬大跨扁平隧道。隧道地質條件非常差，95%長度為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，為全線工期控制性工程之一。

該隧道在樁號ZK45+560處橫穿一大型山間溝谷(如圖1所示)，該處左線隧道最小埋深僅1.8 m。溝谷兩側地形較陡，植被發育;溝谷地表有常年溪流，雨季短時匯水量非常大。該淺埋段圍巖為全-強風化變質粉砂巖和千枚巖夾薄層煤層，受區域地質構造硅化帶(震旦紀與三疊紀的接觸帶F3)影響，巖石破碎，裂隙發育，巖石呈角礫狀松散結構，且由于地表水下滲呈飽和狀態，圍巖自承能力非常差，為Ⅴ級圍巖。

圖1 大崛坑1號隧道中部超淺埋段平面布置圖Fig.1 Plan layout of super-shallow-covered middle section of Dajuekeng No.1 tunnel

2 超淺埋段設計思路

根據該超淺埋沖溝段地質及埋深情況，不考慮外部條件，采用明挖法安全且經濟，是不二的選擇。但由于該溝谷距離既有道路達2 km，如采用明挖法需修建進場便道，工程代價及社會影響非常大，故最終選用暗挖方案，并采用護拱反吊、里外兼治的綜合加固方法。主要思路如下:

1)地表水處治。溝谷地表有常年溪流，通過設置混凝土梯形溝，避免地表水漫流及下滲，為暗挖創造有利的施工條件。

2)創造進場條件。由于外部施工便道難以解決，通過在左線隧道設置臨時導坑及豎井連通沖溝地表，利用該臨時通道實現地表作業所需小型機具、材料的輸送及人員的進出。

3)地表預加固。針對沖溝段斷層破碎帶圍巖松散破碎、注漿固結效果較理想的特點，采用地表小導管注漿措施改善圍巖力學性能，提高圍巖自成拱能力，同時起到止水防滲的作用。

4)護拱反吊。在沖溝地表施作鋼筋網混凝土護拱。一方面，將鋼筋網片與地表注漿小導管預留桿體焊接，使護拱與注漿小導管及固結改良圍巖一起形成反吊體系;另一方面護拱作為地表注漿預加固的止漿盤，阻止地表水下滲。

5)加強支護。洞內采用強有力的襯砌形式及超前預支護手段，確保結構安全。

6)施工控制。洞內采用雙側壁導坑法進行開挖及臨時支護，加強施工過程監控量測。

3 護拱反吊法方案

3.1 護拱設計

對超淺埋段隧道軸線左右各14 m范圍地表順地形等高線澆筑40 cm厚C20雙層鋼筋網混凝土護拱，如圖2和圖3所示。

圖2 超淺埋沖溝段護拱設計平面圖Fig.2 Plan of protection arch of super-shallow-covered tunnel section

圖3 超淺埋沖溝段護拱設計縱斷面圖Fig.3 Longitudinal profile of protection arch of super-shallowcovered tunnel section

3.2 地表注漿設計

ZK45+545～+575段隧道軸線左右各12 m范圍采用直徑50 cm×4mm小導管進行地表注漿，間距為2 m×2 m，采用梅花形布置。其中ZK45+553～+567超淺埋段注漿管出露至護拱表面，與護拱結合成為整體。隧道側部注漿管深至隧道起拱線位置，拱部注漿管深至隧道開挖輪廓線外50 cm。對于護拱范圍內的注漿管，尾部50 cm不設壓漿孔，對于護拱范圍外的注漿管，小導管尾部2.5 m不設壓漿孔作為止漿段。由于溝底超淺埋段圍巖飽和富水，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，對于溝底外的淺埋段，視地下水的富水情況，以保證注漿效果為前提可在單液漿和雙液漿間做選擇。

為防止注漿過程中管孔縫隙往上返漿或對地表現澆混凝土護拱止漿盤造成隆起破壞而影響注漿效果，注漿前應進行沖孔，注漿后應對孔口進行夯實封閉，對管孔縫隙采用CS膠泥和速凝砂進行糊縫處理并設置止漿環。

3.3 施工方案

1)洞內由ZK45+536起在拱部提前施作2m寬先行導坑，通至ZK45+555溝谷地面向洞外輸送風、水、電、人員及相關設備材料。

2)施作洞外改溝工程。

3)打設注漿管、施作地表護拱、施作地表注漿。

4)上述3步施作時，洞內同步進行暗洞的開挖至ZK45+545處，內、外雙工作面同時作業。

5)采用雙側壁導坑法進行下穿沖溝段暗挖施工。

3.4 洞內支護結構設計

對ZK45+545～+575段襯砌結構采用Ⅴ級加強型進行支護，并通過有效的超前預支護措施確保暗挖施工安全［8］。主要支護參數如表1所示。

表1 ZK45+545～+575段結構支護參數表Table 1 Support parameters of tunnel section from ZK45+545 to ZK45+575

3.5 施工效果

超淺埋段在洞頂溝底護拱及地表注漿施作后，經暗挖施工揭示:該溝谷F3斷層部位的松散破碎圍巖注漿固結反吊及堵水效果良好，洞內圍巖干燥穩定，為洞內施工提供了一個良好的環境。經施工現場監控量測，各項指標均在正常范圍內，如ZK45+560斷面最終地表沉降值在2 cm內(如圖4所示)。

通過采用護拱反吊法加固地層，整個淺埋溝谷段的暗挖施工進展十分順利，相比傳統的明挖法大大節約了工期及臨時工程費用，也取得了非常好的社會效益。

4 數值模型

4.1 基本假定

采用有限差分程序FLAC3D，基于以下基本假定開挖動態過程進行模擬:

1)假定土層成層均質水平分布，采用摩爾-庫侖準則計算，且地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化;

2)初期襯砌及地表鋼筋混凝土護拱采用殼單元模擬，地表注漿小導管采用cable單元模擬;

3)不考慮隧道開挖對土體力學指標的影響。

圖4 ZK45+560斷面地表變形曲線Fig.4 Surface deformation curve of ZK45+560

4.2 計算模型及計算工況

計算采用大崛坑1號隧道超淺埋沖溝段隧道設計斷面，根據圣維南原理，取計算模型長90 m，寬50 m，豎直向上沿山體走勢取至地表，豎直向下取至距隧道中心線45 m，整個模型共劃分18 800個單元和23 012個節點。采用位移邊界作為邊界條件，除上表面外，其余各外表面均按約束法線方向的位移。模擬過程中簡化雙側壁導坑法開挖，開挖循環進尺2.5 m，依次開挖兩側導坑①、核心土上臺階②、核心土下臺階③、開挖步距取5 m［9］。圖5為隧道模擬開挖工序及模型網格。

圖5 開挖工序及模型網格圖Fig.5 Excavation sequence and model grid

根據現場勘查，采用計算物理力學參數如表2所示。

表2 地層物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of strata

為比較分析護拱反吊法對地層加固作用及反吊作用，模擬以下2種工況:1)工況1。普通地層條件下隧道開挖過程動態模擬;2)工況2。采用護拱反吊法加固后隧道開挖過程動態模擬。

5 計算結果與分析

5.1 圍巖變形

圖6為2種工況下超淺埋段地層沉降變形云圖，比較分析，可以得出:

1)超淺埋段工況1拱頂最大沉降達62.86 mm，地表沉降達50 mm，工況2拱頂最大沉降17.84 mm，地表沉降最大達14 mm，由此可見，護拱反吊法對控制拱頂沉降效果明顯。且在實際施工中，超淺埋段若產生63 mm的拱頂沉降，極易發生坍塌事故。

2)超淺埋段工況1拱底隆起53.6 mm，工況2拱底隆起53.84 mm，可見，護拱反吊法對控制拱底隆起作用不大。

圖6 超淺埋段地層沉降示意圖Fig.6 Ground settlement of super-shallow-covered tunnel section

5.2 塑性區分布

圖7為2種工況下隧道開挖超淺埋地段圍巖塑性區分布示意圖，比較分析，可以得出:

1)隧道開挖到超淺埋段，掌子面正前方塑性區范圍工況2略小于工況1，掌子面前方上部塑性區范圍工況2遠小于工況1，且已開挖完成段隧道周邊圍巖塑性區工況2遠小于工況1。

2)護拱反吊加固能夠有效抑制塑性區發展，對地層加固作用明顯。

圖7 開挖到超淺埋段圍巖塑性區分布示意圖Fig.7 Distribution of plasticized zone when the excavation reaching the super-shallow-covered section

5.3 支護結構及地表小導管受力

圖8—10為2種工況下超淺埋地段支護結構及地表小導管受力示意圖，比較分析，可以得出:

1)2種工況下支護結構大主應力最大值均發生在拱腳位置，拱腳為整個支護結構的最不利受力位置，設計施工中應予以注意。

2)工況1大主應力最大值為7.7MPa，工況2大主應力最大值為4.56 MPa，支護結構各處大主應力工況2均小于工況1，可見護拱反吊結構能有效降低支護結構受力。

3)由圖10可以看出，隧道拱頂上部小導管承受拉力，最大值為49 kN，護拱兩側隧道范圍外小導管承受壓力。

4)護拱反吊體系不僅可以加固地層，而且還對隧洞上部土層具有較好的反吊作用，地表混凝土結構起到反吊梁的作用，護拱中間部分小導管通過注漿產生摩擦力對隧道上部土體起到反吊作用，因此受拉，護拱兩側小導管對地表護拱梁起到支撐作用，因此受壓。

圖8 超淺埋段工況1支護結構大主應力σ1Fig.8 Major principal stressσ1 on support structure of supershallow-covered tunnel section in case 1

圖9 超淺埋段工況2支護結構大主應力σ1Fig.9 Major principal stressσ1 on support structure of supershallow-covered tunnel section in case 2

圖10 工況2地表小導管軸力示意Fig.10 Axial force of small duct on ground surface in case 2

6 結論與討論

1)經大崛坑1號隧道現場監控量測發現:整個超淺埋段地表沉降及水平收斂等均在正常范圍內，且較三維分析值略小，暗挖施工質量及施工進度都得到很好的保證。該護拱反吊法暗挖方案，在施工實踐中取得良好效果。

2)利用三維數值模擬，分析得出護拱反吊方案能夠很好地降低拱頂沉降，抑制塑性區發展，改善支護結構受力狀況。

3)護拱反吊綜合加固法作用機制:一方面，通過地表注漿固結超淺埋段拱墻部及周邊巖體，改善圍巖力學性能，形成自成拱能力;另一方面，通過地表鋼筋混凝土充當反吊梁，護拱兩側部分小導管充當支撐，護拱中部小導管形成懸吊體系，從而有效抑制隧道上部巖體下沉，抑制塑性區發展，改善支護結構受力。

4)護拱反吊法不僅能夠加固地層，而且能夠形成反吊體系，確保超淺埋段暗挖施工安全，為類似工程提供借鑒。

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