礦山法區間在砂層地段穿越高速公路的設計與分析

顧 鋒 （廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

某區間采用礦山法施工，左右線各分別有約150m、260m兩段拱頂位于軟弱地層。區間隧道在DK27+350～DK27+392段正穿共42m寬的沈海高速，隧道拱頂埋深約18.8m，沈海高速下方存在過水箱涵以及中石油、中海油等高壓石化管線，隧道拱頂距過水箱涵底部14.3m。同時根據工程籌劃需要，本區間在距沈海高速約19m處設置2號豎井及施工橫通道。區間下穿沈海高速段隧道拱頂為淤泥質土、淤泥質砂、全新統沖洪積粗砂，洞身范圍地層主要為全新統沖洪積粗砂、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖等，如圖1、圖2所示。由于本區間穿越地層孤石極為發育，礦山法區間穿越沈海高速可能會遇到孤石。

在地下水豐富的Ⅰ、Ⅱ類圍巖的淤泥質土層、砂層地段，礦山法隧道開挖時極易發生涌砂、塌頂，導致地面下沉，隧道變形、失穩，造成嚴重后果，且區間隧道上方為正在運行的沈海高速以及中石油、中海油高壓石化管線，一旦發生事故，造成的社會影響和經濟影響將極為重大。

2 設計方案

2.1 全斷面注漿加固

礦山法隧道開挖之前采用洞內深孔注漿對軟弱土層進行全斷面加固，加固范圍如圖3所示。

2.2 支護參數

本區間為單洞單線標準馬蹄形隧道，開挖斷面凈高7.048m，凈寬6.5m，初期支護采用厚度300mm的噴射混凝土（C25、P6）；在隧道拱部150°范圍采用Φ89長管棚（L=90m）以及Φ42WSS管（L=6.5m），環向間距300mm；邊墻設置間距1m×1m的Φ25中空錨桿（梅花形布置）；格柵鋼架間距為0.5m，并設置工18型鋼臨時支撐；開挖時在每榀鋼架拱腳處設Φ42鎖腳錨管（L=3m）。二次襯砌采用厚度350mm的鋼筋混凝土（C40、P10）。

容許工后沉降 表1

2.3 變形限值

參考《公路路基設計規范》（JTGD30-2004）見表1。

隧道施工引起的地面沉降和隆起均應控制在環境條件允許的范圍以內。采用暗挖法施工時，一般地段地面沉降量宜控制在30mm以內，隆起量控制在10mm以內；當穿越建筑物、重要地下管線時，上述數值應按相應的規范和規程允許值從嚴確定，對于空曠地區考慮適當放寬。因此區間穿越沈海高速變形限值為：地面沉降量宜控制在30mm以內，隆起量控制在10mm以內。

3 影響分析

由于隧道開挖引起地層變形的計算，目前基本有3種方法：第1種是以Peck教授提出的Gaussian曲線為代表的經驗方法；第2種是理論預測法，包括解析方法和數值模擬法等;第3種是國內外一些學者所做的模型試驗方法。本文利用第2種方法中的有限元分析法進行分析。

3.1 邊界條件及本構關系

對于設計方案，我們建立有限元模型進行數值模擬分析計算，計算過程中的主要荷載包括單元自重、施工過程中考慮豎井基坑內降水開挖、區間礦山法隧道施工，周邊環境按無限剛度體模擬，約束有限元模型底部的豎向位移及各側面的法向位移。

本次分析的土層參數關系如表2，采用Mohr-Coulomb破壞準則模擬巖土體的材料特性。

地層的主要物理力學性質指標表 表2

本工程施工工序步驟如下：先施工豎井的圍護結構，再開挖土方，隨挖隨撐，再施做橫通道，礦山法隧道開挖前降水，全斷面注漿加固土體，最后礦山法開挖，施做隧道襯砌。本次分析針對本工程的全過程進行數值模擬，共分10個工況即10個施工步驟，具體如表3。

分析施工步驟 表3

3.2 有限元模型

本次三維分析選擇MIDAS-GTS計算軟件，采用板單元模擬豎井圍護結構、隧道襯砌結構，四面體實體單元模擬地層，梁單元模擬冠梁、圈梁，并采用摩爾-庫倫破壞準則仿真模擬地層情況，計算范圍為164m×100m×50m。計算模型見圖5和圖6。

3.3 計算結果

計算中首先得到地鐵隧道初始階段在土壓力下的變形、內力、應力等數值，并將位移清零。從第3至第10計算步驟計算出由于隧道開挖引起的位移、內力、應力等的變化，根據該變化值來判斷隧道開挖對沈海高速的影響。

礦山法隧道穿越沈海高速完成后豎向位移為18.89mm，詳見圖7。

礦山法隧道施工過程中，各個施工節點時的沈海高速的豎向位移如表4所示。

沈海高速的豎向位移匯總表（mm） 表4

從上述圖表可知，隨著礦山法隧道豎井基坑和橫通道的開挖，沈海高速發生了豎向沉降，最大變形達到了9.08mm，占總沉降量的48.1%，出現在雨水箱涵與沈海高速交匯處；礦山法隧道開挖前降水引起沈海高速豎向的位移達到了7.55mm，占總沉降量的40%；而開挖礦山法隧道使得沈海高速產生了1.92mm的豎向位移，占總沉降量的10.2%，出現在礦山法隧道的正上方，并且累計沉降達到了18.89mm。

礦山法隧道穿越沈海高速完成后水平位移為4.31mm，詳見圖8。

礦山法隧道施工過程中，各個施工節點時的沈海高速的豎向位移如表5所示。

各施工階段引起沈海高速的水平位移匯總表（mm） 表5

從上述圖表可知，隨著礦山法隧道豎井基坑和橫通道的開挖，沈海高速發生了水平沉降，最大變形達到了2.16mm，占總水平位移的50.1%，出現在靠近豎井的一側路基上；礦山法隧道開挖前降水使得沈海高速產生了1.34mm的水平位移，占總水平位移的31.1%，并且累計水平位移達到了3.5mm；而開挖礦山法隧道使得沈海高速產生了0.8mm的水平位移，占總水平位移的18.6%，并且累計水平位移達到了4.31mm。

4 保護措施

4.1 施工方法及主要施工工藝

區間隧道下穿沈海高速采用馬蹄型復合式襯砌結構。可利用相鄰豎井井位做試驗井，進行降水試驗及注漿試驗，取得降水參數、注漿參數后再確定相關方案。礦山法隧道施工前需進行降水，把水位降到隧道底部0.5m。初期支護采用WSS管、長管棚加強，同時在開挖之前對土體采用深孔注漿進行加固處理，并對加固體進行檢測，采用超短臺階法開挖，上臺階增加臨時仰拱，及時封閉支護結構，嚴格控制沈海高速地面沉降。

4.2 特殊工程措施

①施工前，應對下穿段地質、水文及道路基礎及周邊管線情況進行詳細調查，以確認地質條件、基礎形式等。

②穿越過程隧道開挖控制開挖步距，縮小為0.5m，初支及時封閉，控制掌子面暴露時間。

③加強對初支背后進行充填注漿，控制地層變形。

④加強路面及路基底部沉降監測，并及時反饋監測結果，根據監測結果調整加固措施。

⑤當開挖過程中遇到涌水地層，需采用全斷面注漿方式進行開挖面預加固。

⑥隧道超挖變形為10cm，施工嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤測量、速反饋”的原則，開挖后及時支護及時封閉成環。

⑦對于過高速段可能存在的孤石，為避免爆破對地面的影響應采用非爆破或控制爆破技術進行隧道開挖，減少對圍巖的擾動，防止塌方。

5 結論及建議

①做好信息化施工、加強監測，礦山法隧道下穿沈海高速的地表沉降值在合理范圍內，并且能夠滿足高速公路使用要求。

②在城市地鐵暗挖隧道施工中水的治理一直貫穿始終，水不僅危及施工過程中人員、設備的安全，也影響后續隧道運營的質量，同樣也影響周邊建（構）筑物的安全。由于地下水對隧道施工影響很大，本工程可利用相臨近豎井做降水試驗，以獲取地下水量、水壓等資料，并制定合理的降水方案。

③礦山區間砂層地段的施工，關鍵是砂層注漿固結效果；本工程可利用相臨近豎井做注漿試驗，確定注漿量和注漿壓力等參數。

④在隧道開挖中，嚴格做好初期支護和監測工作；在預加固基礎上，超短臺階法開挖，上臺階增加臨時仰拱，施工中嚴防坍塌，以防注漿帷幕失穩。

[1] 孫鈞，侯學淵.地下結構[M].北京：科學出版社，1988.

[2] JTG D30-2004，公路路基設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 趙建平.淺埋暗挖隧道管棚預支護機理極其效用研究[D].長沙：中南大學，2005.