市政隧道下穿既有高速公路施工方案研究

關超賢

中鐵十六局集團路橋工程有限公司（101500）

1 市政隧道下穿既有高速公路施工破壞機理

下穿隧道施工中，不可避免會引發地面擾動，導致公路出現附加變形，進而產生附加應力破壞公路路面。高速公路發生破壞形式多，其中下穿隧道開挖施工容易破壞路面結構和功能，地基不均勻沉降導致路面整體破壞變形。下穿施工會導致路面出現一定程度不均勻沉降，進而影響到路面功能，增加交通安全隱患。

1.1 瀝青路面破壞形式

隧道下穿高速公路施工過程中，隧道開挖會擾動地層，還會影響到公路路基，導致瀝青路面結構產生附加變形、應力而受到破壞。在隧道下穿既有高速公路施工中，對公路的破壞主要有路面塌陷、坍塌和拱起等幾種形式。

1.1.1 開裂破壞

市政隧道施工中路基下面土層受到擾動，會進一步引發沉降，公路路基則相應產生不均勻沉降，路面附加應力破壞路面，常見形式為橫向裂縫、縱向裂縫。

1.1.2 坍塌破壞

隧道下穿施工中，如果使用的施工工藝不合理、支護措施不當，會導致隧道開挖面產生較大變形，引發圍巖失穩，較大程度地擾動周圍土體，既有公路受此影響出現路面塌陷、坍塌等問題。其主要原因在于開挖下方土體的過程中，上覆土層失穩而被破壞，或者地質條件不良、管線損壞涌水。

1.1.2.1 翻漿破壞

隧道下穿既有高速公路施工中，埋深較小的情況下控制不住注漿壓力，會導致路基下方土層含水量過高而強度不足，受車輛荷載影響路面冒出漿液，從而形成凹坑、鼓包，引發翻漿破壞。

1.1.2.2 拱起破壞

下穿作業中隧道埋深小的情況下，加快開挖速度，注漿量過大，會出現掌子面前方上覆土層膨脹現象，路面出現隆起現象，即出現拱起破壞問題[1]。

1.2 水泥混凝土路面破壞形式

市政隧道下穿既有高速公路施工過程中，會在一定程度上擾動地基，導致地層出現變形，引發上覆土層應力狀態改變，加大路面附加應力、破壞路面。

1.2.1 斷裂破壞

下穿高速公路作業中，路基土層不均勻沉降易導致混凝土路面脫空，在缺乏支撐或者支撐分布不均情況下，部分路面在車輛荷載、土層自重作用下可能彎曲，其內部產生彎拉應力。道路車輛增多、脫空狀態下，會持續加大應力，甚至應力超過極限抗拉彎強度，導致路面出現斷裂破壞現象。

1.2.2 接縫破壞

接縫主要分為橫縫、縱縫，橫縫包括脹縫、縮縫，其中大多脹縫為假縫，負曲率情況下受變形壓力作用，脹縫會出現破裂，接縫周邊龜裂。

1.2.3 錯臺破壞

施工中在橫向接縫、斷裂處容易出現錯臺，其中主要為豎向錯臺，因此該處易產生豎向相對位移。錯臺會降低行駛平穩性，加大交通安全隱患。

1.2.4 塌陷破壞

混凝土路面自身具備一定抗彎強度和抗折強度，下穿施工中受不良地質、周邊地下水影響，隧道上覆土層受到影響，既有高速公路路面產生沉降，路面也會懸空。在車輛荷載作用和土體自重影響下，路面容易塌陷，斷裂面折斷痕跡也比較明顯。

2 市政隧道下穿既有高速公路施工方案數值模擬

2.1 隧道下穿既有高速公路施工技術

1）要做好前期準備工作。在隧道施工前需對施工現場水文地質條件、氣候特點和周邊環境充分考察，依據這些因素進行評估，同時合理設計施工方案。具體需考慮因素包括路基變形塌陷影響、襯砌裂紋和裂縫影響等。還需評估高速公路交叉處易出現外力情況，施工前細致檢查襯砌回填區域和厚度，掌握混凝土結構強度、裂縫和碳化情況，對路段是否適合下穿施工進行準確評估。

2）在開展隧道下穿既有高速公路施工前，要設置好超前長管棚預支護。需先制作加工好長管棚，通常采用熱軋無縫鋼管等，應控制好管壁厚度與外徑尺寸。將兩端位置加工為外絲扣，控制好外插角度和間距，連接好接觸位置。相鄰管材環向距不宜超過10cm。長管棚徑向誤差控制不可超過20cm。加工好之后進行后續打孔、清理處理，確保長管棚內部干凈，不存在碎石等雜質。鉆孔操作中，整體形狀類似于梅花，鋼花管尾部設置止漿段，且注意其密封檢測。之后開展注漿作業，需使用配比合理的水泥漿液。注漿前期經過試驗確定壓力和比例，經過充分攪拌后應用于施工中。

3）優化施工相關參數。要考慮到高速公路實際情況，合理加大襯砌強度，確保結構質量安全。可使用加大厚度的鋼筋網，并采用高強度混凝土，保證結構的剛性。下穿施工隱蔽性強，在完成施工后要仔細驗收檢查。施工中還應加強監測，主要包括地表沉降、錨桿軸力、爆破震動等內容，需經過必要計算、數據分析處理開展預測反饋，保證隧道穩定及施工安全。

2.2 下穿既有公路力學分析

2.2.1 要確定計算依據和計算模型

根據市政隧道工程的形態，綜合分析下穿既有高速公路平縱斷面圖、地質資料，選擇不利工況設立分析模型，并以施工段地質參數、地形實態為依據建立模型。如果埋深比較小，則需以自重應力場為主計算。建立模型過程中，寬度方向與高度方向要取值合理。模型下邊界與左右邊界施加豎向約束、水平約束。結合隧道工程特點，進行平面應變分析。按均質彈塑性考慮隧道圍巖材料，利用合適的屈服準則。超前加固設計錨桿和管棚，結合以往數值模型經驗以提高圍巖材參數方式對加固區模擬[2]。

2.2.2 選擇計算參數

參考工程地質勘察報告與隧道設計規范等資料，合理選取計算參數。其中，需采用提高圍巖物理力學參數方式計算超前加固區和錨桿的支護效果，注意相關因素對圍巖加固效果影響。對隧道開挖按照施工步驟進行模擬計算，確定初支護、圍巖、二襯承擔的壓力。模擬計算主要是為了掌握設計施工方案下高速公路的安全性，以合理調整方案，確保施工順利進行。以某新建隧道工程為例，該工程位于華東某改道工程線上，隧道內巖性單一，主要為花崗巖，隧道內構造不甚發育，地質構造對其影響較小。其計算參數選取見表1。

表1 某工程下穿施工計算力學參數

3 市政隧道下穿既有高速公路施工控制

3.1 加強地質審查預報

在隧道下穿既有高速公路施工中，施工人員需詳細調查地質情況，做好施工方案制訂、審批等環節控制。地質勘察需派遣專業人員進行，掌握施工地點地質條件及施工中可能出現的問題，向上級管理部門上交調查數據，為施工方案制訂提供參考。同時，隧道施工部門需及時聯系高速公路施工單位，尋求施工圖紙和施工預案，以便施工中規避影響高速公路施工的地質問題。

3.2 隧道大管棚施工安全控制

當前市政隧道大管棚超前支護施工存在施工人員對施工數據認識不清以及缺乏支護經驗等問題。需進一步加大安全控制力度，施工中合理選擇大管棚長度、直徑，在合理范圍內搭建鋼筋籠，實現大管棚支護作用。鉆孔時可選擇從最頂端中間一個孔位向兩邊對稱鉆孔施工的方式，以減少地基受到的破壞。施工人員還需注意大管棚鋼管強度，可在管棚內部設置鋼筋籠，注漿填充鋼管，澆筑混凝土，以避免隧道坍塌。

3.3 加強監控量測控制

在隧道下穿既有高速公路施工中，監控量測技術不可或缺。加強施工中監控量測可以保證施工質量。當前高速公路在施工中還存在忽視監控量測的問題，因此需改進監控工作的不足，加大監控量測控制力度。監控量測主要包含振動速度、襯砌表面應變、底板沉降和結構變形四方面內容。監控人員需記錄下各項參數，并與施工標準對比分析，盡早發現施工中存在的問題，及時調整施工措施，減少造成的破壞與損失[3]。

4 結語

隧道下穿既有高速公路施工是我國交通體系建設中重要組成部分，施工中需加強質量控制，嚴格開展地質勘察、施工方案模型計算分析等，改進施工舉措，減少對既有高速公路和隧道質量不良影響，提高工程施工質量與施工效益。