隧道超淺埋段下穿既有公路

趙修旺 陳濤

摘要：涼山州中（所）冕（山）公路小相嶺隧道出口下穿既有公路，下穿段覆土小，圍巖較破碎，而且公路上有較多重型貨車通過(guò)，為保證隧道施工安全，采用地表預(yù)注漿加固措施，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析地表預(yù)注漿加固效果。得出結(jié)論如下：下穿段通過(guò)地表注漿加固，有效的提高了圍巖強(qiáng)度，控制了隧道拱頂沉降值，最終沉降值較小，較大的改善了隧道初支及二襯的受力情況，注漿效果顯著，該措施是安全可行的。

關(guān)鍵詞：小相嶺隧道;地表預(yù)注漿;下穿;數(shù)值分析;結(jié)構(gòu)受力

1 引言

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，75%左右國(guó)土都是山地，進(jìn)入21世紀(jì)10年來(lái)，我國(guó)公路網(wǎng)交通逐漸向崇山峻嶺穿越，向離岸深水延伸，公路隧道在交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，起到越來(lái)越重要的作用，截止2010年底，全國(guó)公路隧道為7384處、512.26萬(wàn)米，其中，特長(zhǎng)隧道265處、113.80萬(wàn)米，長(zhǎng)隧道1218處、202.08萬(wàn)米。在公路隧道迅速發(fā)展的同時(shí)，公路隧道建設(shè)尚存在許多技術(shù)瓶頸亟待解決[1]。

隨著國(guó)民生產(chǎn)力及公路隧道技術(shù)的發(fā)展，考慮行車條件及后期可能存在的改造升級(jí)，公路隧道在線形上要求盡量采用較好的線形設(shè)計(jì)，因此不可避免的隧道下穿既有公路的情況也越來(lái)越多。如何保證既滿足隧道施工安全，又不影響上部公路通行，就成了一個(gè)普遍擺在設(shè)計(jì)者面前的問(wèn)題。本文針對(duì)涼山州中（所）冕（山）公路小相嶺隧道出口處下穿既有公路段采取的地表預(yù)注漿加固措施，結(jié)構(gòu)工程經(jīng)驗(yàn)并通過(guò)數(shù)值分析模擬，研究地表預(yù)注漿加固技術(shù)在隧道下穿既有公路上的加固效果。

2 工程背景

小相嶺隧道地處四川省西南部的涼山彝族自治州北部喜德、越西兩縣交界的小山一帶。隧道附近聚集了登相營(yíng)古驛站風(fēng)景名勝區(qū)、小相嶺風(fēng)光風(fēng)景名勝區(qū)等一系列的旅游資源。現(xiàn)有公路翻越小山路段，累計(jì)翻山里程達(dá)到25余公里，由于現(xiàn)有公路（縣道XW07線）技術(shù)等級(jí)低、海拔高、地勢(shì)陡峭、地質(zhì)穩(wěn)定性差、路基沉降現(xiàn)象突出，滑坡、雪災(zāi)、冰凍、水毀等自然災(zāi)害與地質(zhì)病害嚴(yán)重，抗災(zāi)害能力弱，經(jīng)常造成交通阻塞，甚至斷道，致使車輛行駛速度慢、服務(wù)水平低、交通事故時(shí)有發(fā)生。該路段已成為制約縣道XW07線保持常年暢通的瓶頸，也是阻礙該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。因此小相嶺隧道的建設(shè)迫在眉睫。

小相嶺隧道兩端與縣道相接，隧道為單洞雙向兩車道，隧道主洞全長(zhǎng)3424m;為滿足運(yùn)營(yíng)期間的通風(fēng)救援需要，同時(shí)加快施工進(jìn)度，在隧道右側(cè)設(shè)一貫通的平行導(dǎo)洞，主洞和平行導(dǎo)洞的中線間距為29～32m，平導(dǎo)全長(zhǎng)3373m。隧道主洞內(nèi)輪廓凈空寬度10.6m，高度6.83m，平導(dǎo)內(nèi)輪廓凈空寬度6.28m，高度6.15m。隧道采用平導(dǎo)壓入式通風(fēng)，在平導(dǎo)洞口段局部采用和主洞大小一樣的斷面，既滿足緊急情況下過(guò)車，又滿足通風(fēng)需要。隧道出口下穿既有公路，最小覆土厚約4.25m。隧道出口處和既有縣道的位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 隧道出口平面圖

圖2 隧道主洞出口縱斷面圖

出口處地下水豐富，基巖為白果灣群砂巖夾泥巖，中厚～厚層狀，強(qiáng)風(fēng)化，在剛剛完成的縣道改造升級(jí)中經(jīng)過(guò)開(kāi)挖擾動(dòng)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，且公路上常有重型貨車通過(guò)，超載現(xiàn)象嚴(yán)重。在隧道頂部覆土如此小的情況下，施工時(shí)宜發(fā)生拱頂塌方、路面沉降過(guò)大、初支失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。

3 工程保護(hù)措施

針對(duì)隧道出口處下穿縣道段的情況，既有縣道在改造升級(jí)時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行了較大挖方，邊坡較高，為了保證縣道的正常通行，同時(shí)避免對(duì)已開(kāi)挖邊坡的再次擾動(dòng)，采用暗挖下穿縣道。參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和《地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論》[3]，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，下穿縣道段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，并輔以超前大管棚和地表預(yù)注漿加固措施。

3.1 下穿段支護(hù)參數(shù)

超前支護(hù)采用φ159×8大管棚，拱部140°范圍設(shè)置，環(huán)向間距0.4m;初期支護(hù)采用26cm厚C25網(wǎng)噴砼，鋼架采用工20a型鋼，間距0.5m，邊墻設(shè)直徑為22mm的砂漿錨桿，L=3.5m，間距1.2×0.5m;二次襯砌采用55cm厚C30鋼筋砼。

3.2 地表預(yù)注漿加固措施

縣道上方常有重型貨車通過(guò)，且超載嚴(yán)重現(xiàn)象較多，在頂部覆土只有4.25～5.66m的情況下，容易發(fā)生塌方、初支失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)，因此采用地表預(yù)注漿加固措施，保證隧道開(kāi)挖安全，同時(shí)控制地表沉降。隧道主洞加固長(zhǎng)度為洞口向洞身19m，即K22+411～K22+430。水平加固范圍為隧道洞身兩側(cè)各3m范圍，豎向加固范圍為地面至隧道大距線以上2m;注漿管采用?80×4（mm）鋼管，漿液選用水泥漿，水灰比為0.6：1～1.5：1，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)預(yù)以調(diào)整，注漿管間距1.0m×1.0m，梅花形布置。隧道平導(dǎo)加固長(zhǎng)度為洞口向洞身21m，即PDK22+395～PDK22+416，其它參數(shù)與主洞相同。隧道主洞地表預(yù)注漿平面和剖面圖如圖3和圖4所示。

圖3 主洞地表預(yù)注漿平面圖

圖4? 主洞地表預(yù)注漿加固剖面圖

為了減少洞口超前大管棚施工和地表預(yù)注漿施工的相互干擾，施工時(shí)建議先進(jìn)行洞口管棚施工，再進(jìn)行地表預(yù)注漿。在大管棚范圍內(nèi)地表注漿深度僅施工至管棚頂，以便于地表預(yù)注漿施工及后續(xù)開(kāi)挖。

3.3 其它保護(hù)措施

隧道出口段下穿縣道，上方有重車通行，施工時(shí)應(yīng)做好控制爆破，并控制開(kāi)挖進(jìn)尺、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)施做初支、二襯，在二襯施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前（尤其在拆除臨時(shí)豎撐后、二襯施工前），地面應(yīng)采取限行、繞行減速等措施，保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

3.4 施工方法

施工工序如圖5所示，圖中各步驟為：

步驟1：拱部超前支護(hù)施作;

步驟2：左側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖;

步驟3：左側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù);

步驟4：右側(cè)洞上部開(kāi)挖;

步驟5：右側(cè)洞上部初期支護(hù);

步驟6：右上部核心土開(kāi)挖;

步驟7：右側(cè)洞下部開(kāi)挖;

步驟8：右側(cè)洞下部初期支護(hù);

步驟9：防水層施做;

步驟10：分段施做仰拱模筑襯砌

步驟11：分段施做拱、墻模筑襯砌;

步驟12：隧底填充、中央排水溝施做;

步驟13：溝槽、路面施做。

圖5 隧道主洞出口施工方法斷面圖

4 隧道結(jié)構(gòu)安全計(jì)算

4.1 建立有限元數(shù)值分析模型

由于隧道開(kāi)挖僅對(duì)一定的有限范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生較明顯的影響，在距開(kāi)挖部位較遠(yuǎn)一些的地方，其應(yīng)力及位移變化很小，在3倍跨度處的應(yīng)力變化一般在10%以下，在5倍跨度處一般在3%以下[4]。所以有限元分析的區(qū)域可確定在這個(gè)范圍內(nèi)（3～5倍洞跨），在這個(gè)范圍的邊界上可認(rèn)為因開(kāi)挖引起的位移為零，或者開(kāi)挖不引起應(yīng)力的變化。為減小有限元模型中邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，計(jì)算模型的邊界范圍在各個(gè)方向上均取大于三倍的洞跨。

采用MIDAS GTS大型有限元計(jì)算軟件，計(jì)算模型尺寸水平方向取100m，豎直方向自隧底以下取40m，向上取至地面。縣道上方重型貨車荷載，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[5]4.3.1條取值，考慮0.45的沖擊系數(shù)及1.4的超載系數(shù)后，近似轉(zhuǎn)換成均布荷載為59.89kN/m，有限元模型如圖6所示。

圖6 隧道有限元數(shù)值分析模型

模型中假設(shè)場(chǎng)地內(nèi)無(wú)構(gòu)造活動(dòng)的影響，原巖應(yīng)力為大地靜力場(chǎng)型，各巖層之間為整合接觸，巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)[6]。初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)只考慮彎矩和軸力，采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬;二次襯砌、超前大管棚加固地層、地表預(yù)注漿加固地層及圍巖采用平面四邊形單元來(lái)模擬;錨桿采用植入式桁架單元模擬。其中初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的變形模量考慮鋼架的加強(qiáng)作用。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

材料

容重

γ（kN/m3）

變形模量E/GPa

泊松比μ

內(nèi)聚力

C/kPa

內(nèi)摩擦角φ/°

V級(jí)圍巖

19

1.2

0.38

60

22

大導(dǎo)管和地表預(yù)注漿加固地層

20

1.8

0.35

200

25

初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)

23

29

0.2

-

-

C30鋼筋混凝土

25

31

0.2

-

-

錨桿

-

210

0.3

-

-

4.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

a.注漿前????????????????????????????????????????????? b.注漿后

圖7 地表預(yù)注漿前后豎向位移云

a.注漿前??? ??????????????????????????????????b.注漿后

圖8 地表預(yù)注漿前后初支彎矩圖

a.注漿前???????????????????????????? b.注漿后

圖9 地表預(yù)注漿前后二襯第一主應(yīng)力云圖

4.3 對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析

對(duì)隧道下穿既有縣道采取地表預(yù)注漿前后豎向位移、初支彎矩、二襯應(yīng)力結(jié)果分析如下：

1）在未采取地表預(yù)注漿加固前，最大拱頂沉降為6.63mm，地表預(yù)注漿后，最大拱頂沉降為3.72mm。由此可知，在進(jìn)行地表預(yù)注漿漿加固措施后，拱頂沉降有明顯減小，在二次襯砌不能及時(shí)跟進(jìn)且上部有重型車輛通過(guò)的情況下，對(duì)于隧道開(kāi)挖安全起到較大保障作用。

2）由于采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，初支最大正彎矩均發(fā)生位置在左側(cè)仰拱和邊墻交接處，注漿前為67.59kN.m，注漿后降低至52.60 kN.m。初支最大負(fù)彎矩均發(fā)生位置在仰拱處，注漿前為50.23kN.m，注漿后降低至37.84 kN.m。由此可見(jiàn)，通過(guò)地表預(yù)注漿，使初支變矩明顯減小，有利于洞室穩(wěn)定。

3）地表預(yù)注漿前后，二次襯砌拉應(yīng)力均出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)和仰拱處，其中仰拱處拉應(yīng)力很小，最大拉應(yīng)力在注漿前為10.43kPa，注漿后為4.01kPa，均遠(yuǎn)小于襯砌砼的容許拉應(yīng)力。二次砌襯最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在拱腳內(nèi)側(cè)，注漿前為319.80kPa，注漿后為109.61kPa。由此可見(jiàn)，通過(guò)地表預(yù)注漿，二次襯砌的拉壓應(yīng)力均明顯減小，較大程度上改善了二次襯砌的受力情況，注漿效果顯著。

5 結(jié)論與建議

1）小相嶺隧道出口處下穿既有縣道，覆土較小，在縣道升級(jí)改造時(shí)經(jīng)過(guò)一定擾動(dòng)，圍巖較破碎，并且上方常有重型貨車通行，在這種不利情況下，在超前大管棚保護(hù)下采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，并通過(guò)地表預(yù)注漿來(lái)保證結(jié)構(gòu)安全是有必要的。

2）通過(guò)地表預(yù)注漿加固措施，有效的減小了地表沉降，隧道初支和二襯結(jié)構(gòu)受力有較大改善，說(shuō)明注漿措施是可行的，注漿效果是明顯的。

3）本文通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析在地表預(yù)注漿前后工況下地層沉降值、初支受力、二襯受力，由于計(jì)算理論中的基本設(shè)定條件與地層的實(shí)際狀況不完全一致，采用平面有限元計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮工作面巖體的三維約束效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況有一定的偏差，因此在隧道施工中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，將數(shù)值模擬分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)情況相結(jié)合，得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，以給后續(xù)相似工程提供參考借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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