市政隧道下穿既有高速公路施工方案研究

關(guān)超賢

中鐵十六局集團(tuán)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(jī)理

下穿隧道施工中，不可避免會引發(fā)地面擾動，導(dǎo)致公路出現(xiàn)附加變形，進(jìn)而產(chǎn)生附加應(yīng)力破壞公路路面。高速公路發(fā)生破壞形式多，其中下穿隧道開挖施工容易破壞路面結(jié)構(gòu)和功能，地基不均勻沉降導(dǎo)致路面整體破壞變形。下穿施工會導(dǎo)致路面出現(xiàn)一定程度不均勻沉降，進(jìn)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(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形、應(yīng)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(jìn)一步引發(fā)沉降，公路路基則相應(yīng)產(chǎn)生不均勻沉降，路面附加應(yīng)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(hù)措施不當(dāng)，會導(dǎo)致隧道開挖面產(chǎn)生較大變形，引發(fā)圍巖失穩(wěn)，較大程度地擾動周圍土體，既有公路受此影響出現(xiàn)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(wěn)而被破壞，或者地質(zhì)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(dǎo)致路基下方土層含水量過高而強(qiáng)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(fā)翻漿破壞。

1.1.2.2 拱起破壞

下穿作業(yè)中隧道埋深小的情況下，加快開挖速度，注漿量過大，會出現(xiàn)掌子面前方上覆土層膨脹現(xiàn)象，路面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，即出現(xiàn)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(dǎo)致地層出現(xiàn)變形，引發(fā)上覆土層應(yīng)力狀態(tài)改變，加大路面附加應(yīng)力、破壞路面。

1.2.1 斷裂破壞

下穿高速公路作業(yè)中，路基土層不均勻沉降易導(dǎo)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(nèi)部產(chǎn)生彎拉應(yīng)力。道路車輛增多、脫空狀態(tài)下，會持續(xù)加大應(yīng)力，甚至應(yīng)力超過極限抗拉彎強(qiáng)度，導(dǎo)致路面出現(xiàn)斷裂破壞現(xiàn)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(fù)曲率情況下受變形壓力作用，脹縫會出現(xiàn)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(xiàn)錯臺，其中主要為豎向錯臺，因此該處易產(chǎn)生豎向相對位移。錯臺會降低行駛平穩(wěn)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(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，下穿施工中受不良地質(zhì)、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(chǎn)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(shù)值模擬

2.1 隧道下穿既有高速公路施工技術(shù)

1）要做好前期準(zhǔn)備工作。在隧道施工前需對施工現(xiàn)場水文地質(zhì)條件、氣候特點和周邊環(huán)境充分考察，依據(jù)這些因素進(jìn)行評估，同時合理設(shè)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(xiàn)外力情況，施工前細(xì)致檢查襯砌回填區(qū)域和厚度，掌握混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫和碳化情況，對路段是否適合下穿施工進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

2）在開展隧道下穿既有高速公路施工前，要設(shè)置好超前長管棚預(yù)支護(hù)。需先制作加工好長管棚，通常采用熱軋無縫鋼管等，應(yīng)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(huán)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(jìn)行后續(xù)打孔、清理處理，確保長管棚內(nèi)部干凈，不存在碎石等雜質(zhì)。鉆孔操作中，整體形狀類似于梅花，鋼花管尾部設(shè)置止?jié){段，且注意其密封檢測。之后開展注漿作業(yè)，需使用配比合理的水泥漿液。注漿前期經(jīng)過試驗確定壓力和比例，經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬髴?yīng)用于施工中。

3）優(yōu)化施工相關(guān)參數(shù)。要考慮到高速公路實際情況，合理加大襯砌強(qiáng)度，確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全。可使用加大厚度的鋼筋網(wǎng)，并采用高強(qiáng)度混凝土，保證結(jié)構(gòu)的剛性。下穿施工隱蔽性強(qiáng)，在完成施工后要仔細(xì)驗收檢查。施工中還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，主要包括地表沉降、錨桿軸力、爆破震動等內(nèi)容，需經(jīng)過必要計算、數(shù)據(jù)分析處理開展預(yù)測反饋，保證隧道穩(wěn)定及施工安全。

2.2 下穿既有公路力學(xué)分析

2.2.1 要確定計算依據(jù)和計算模型

根據(jù)市政隧道工程的形態(tài)，綜合分析下穿既有高速公路平縱斷面圖、地質(zhì)資料，選擇不利工況設(shè)立分析模型，并以施工段地質(zhì)參數(shù)、地形實態(tài)為依據(jù)建立模型。如果埋深比較小，則需以自重應(yīng)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(jié)合隧道工程特點，進(jìn)行平面應(yīng)變分析。按均質(zhì)彈塑性考慮隧道圍巖材料，利用合適的屈服準(zhǔn)則。超前加固設(shè)計錨桿和管棚，結(jié)合以往數(shù)值模型經(jīng)驗以提高圍巖材參數(shù)方式對加固區(qū)模擬[2]。

2.2.2 選擇計算參數(shù)

參考工程地質(zhì)勘察報告與隧道設(shè)計規(guī)范等資料，合理選取計算參數(shù)。其中，需采用提高圍巖物理力學(xué)參數(shù)方式計算超前加固區(qū)和錨桿的支護(hù)效果，注意相關(guān)因素對圍巖加固效果影響。對隧道開挖按照施工步驟進(jìn)行模擬計算，確定初支護(hù)、圍巖、二襯承擔(dān)的壓力。模擬計算主要是為了掌握設(shè)計施工方案下高速公路的安全性，以合理調(diào)整方案，確保施工順利進(jìn)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(nèi)巖性單一，主要為花崗巖，隧道內(nèi)構(gòu)造不甚發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造對其影響較小。其計算參數(shù)選取見表1。

表1 某工程下穿施工計算力學(xué)參數(shù)

3 市政隧道下穿既有高速公路施工控制

3.1 加強(qiáng)地質(zhì)審查預(yù)報

在隧道下穿既有高速公路施工中，施工人員需詳細(xì)調(diào)查地質(zhì)情況，做好施工方案制訂、審批等環(huán)節(jié)控制。地質(zhì)勘察需派遣專業(yè)人員進(jìn)行，掌握施工地點地質(zhì)條件及施工中可能出現(xiàn)的問題，向上級管理部門上交調(diào)查數(shù)據(jù)，為施工方案制訂提供參考。同時，隧道施工部門需及時聯(lián)系高速公路施工單位，尋求施工圖紙和施工預(yù)案，以便施工中規(guī)避影響高速公路施工的地質(zhì)問題。

3.2 隧道大管棚施工安全控制

當(dāng)前市政隧道大管棚超前支護(hù)施工存在施工人員對施工數(shù)據(jù)認(rèn)識不清以及缺乏支護(hù)經(jīng)驗等問題。需進(jìn)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(nèi)搭建鋼筋籠，實現(xiàn)大管棚支護(hù)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(qiáng)度，可在管棚內(nèi)部設(shè)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(qiáng)監(jiān)控量測控制

在隧道下穿既有高速公路施工中，監(jiān)控量測技術(shù)不可或缺。加強(qiáng)施工中監(jiān)控量測可以保證施工質(zhì)量。當(dāng)前高速公路在施工中還存在忽視監(jiān)控量測的問題，因此需改進(jìn)監(jiān)控工作的不足，加大監(jiān)控量測控制力度。監(jiān)控量測主要包含振動速度、襯砌表面應(yīng)變、底板沉降和結(jié)構(gòu)變形四方面內(nèi)容。監(jiān)控人員需記錄下各項參數(shù)，并與施工標(biāo)準(zhǔn)對比分析，盡早發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，及時調(diào)整施工措施，減少造成的破壞與損失[3]。

4 結(jié)語

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