隧道淺埋下穿高速公路橋梁墩臺(tái)沉降分析及控制技術(shù)

本文以中老鐵路玉溪至磨憨段勐養(yǎng)隧道淺埋下穿思小高速公路橋梁為背景，采用Midas有限元軟件對(duì)該段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地面及橋梁樁臺(tái)在不同的注漿加固工況下的沉降變形，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，確定施工工藝和加固方案，并和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性，為今后同類工程提供借鑒參考。

In this paper， a bridge of Simao–Xiaomengyang Expressway over the shallow Mengyang Tunnel of Yuxi–Mohan Section of China–Laos Railway was taken as a study case， for which numerical simulation was made with Midas finite element software， to analyze the settlement and deformation of the ground and the bridge piles under different grouting reinforcement conditions. Then the support parameters were optimized， and the construction technology and reinforcement scheme were developed. Finally， the actual monitoring and measurement values on-site were compared with the numerical simulation results， to verify the rationality of this simulation. The conclusion will provide a reference for similar projects in the future.

近年來(lái)，隧道開挖引起的地表及既有公路等構(gòu)筑物的沉降變形一直都是隧道設(shè)計(jì)及施工需要解決的難題。本文以中老鐵路玉溪至磨憨段勐養(yǎng)隧道淺埋下穿思小高速公路橋梁為背景，采用Midas有限元軟件對(duì)該段進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，得到地表及橋梁墩臺(tái)沉降值，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)沉降值對(duì)比，Midas有限元數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)值較為吻合。研究表明：針對(duì)采用淺埋礦山法施工的隧道，地表不進(jìn)行注漿加固、隧道內(nèi)不進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)時(shí)，地表及墩臺(tái)沉降最大，反之沉降最小，且地表注漿加固對(duì)地表沉降控制效果優(yōu)于洞內(nèi)措施加強(qiáng)，淺層地表注漿加固對(duì)隧道內(nèi)沉降影響不大。

一、工程概況

（一）新建隧道及既有高速公路橋梁概況

勐養(yǎng)隧道位于云南西雙版納傣族自治州景洪市境內(nèi)，野象谷附近，進(jìn)口里程為DK332+460，出口里程為DK345+999，全長(zhǎng)13539m。為設(shè)計(jì)時(shí)速160km雙線隧道。勐養(yǎng)隧道下穿思小高速公路段為Ⅴ級(jí)圍巖，復(fù)合式襯砌，隧道開挖寬約13.5m、高11.9m，初支厚29cm，采用I22b型鋼鋼架，二次襯砌厚60cm，三臺(tái)階法開挖。

既有高速橋梁位于思小高速公路段，為雙向四車道高速公路，路面寬21.5m，為目前連接中國(guó)和老撾的唯一高速通道，交通量極大。隧道下穿思小高速公路橋梁中心里程K87+705，該橋孔徑布置為：上下行線均為5孔30米T型連續(xù)梁橋，4#橋墩中心里程K87+750，為雙柱樁柱式橋墩，樁基礎(chǔ)樁徑1.6m，樁長(zhǎng)20m，樁底高程780.112m～782.319m;5#橋臺(tái)臺(tái)前里程K87+780，為重力式橋臺(tái)，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)底高程左幅807m、右幅804.5m。

（二）橋隧位置關(guān)系

隧道于DK341+134處，從高速4#橋墩與5#橋臺(tái)之間下穿而過(guò)，鐵路與公路的平面交角約71°，高速公路行車路面寬約21.5m，橋面寬度對(duì)應(yīng)隧道范圍為DK341+123～+145段22m，該段隧道邊緣與公路4#墩樁基最近水平距離為7.05m，樁底高程與隧道拱頂基本齊平，與5#橋臺(tái)最小水平距離1.77m，與橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)底最小水平距離0.77m，隧道拱頂與橋臺(tái)底部豎向距離22.76m。

（三）工程地質(zhì)

交叉段上覆第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）碎石土，沖洪積層（Q4al+pl）淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、圓礫土，坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土;下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)壩注路組（J3b）泥巖，紫紅色夾灰綠色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

二、隧道支護(hù)與地表注漿設(shè)計(jì)

（一）隧道支護(hù)

隧道下穿思小高速段采用三臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱進(jìn)行施工，機(jī)械開挖，襯砌類型為V級(jí)加強(qiáng)型復(fù)合襯砌，全環(huán)采用I22b型鋼鋼架，鋼架間距0.5m/榀。拱墻范圍施作一環(huán)Φ108大管棚及大外插角Φ42小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。大管棚壁厚8mm，長(zhǎng)45m，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)63根，外插角1°～3°。大管棚內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠采用4Φ20HRB400級(jí)鋼筋固定連接而成。大外插角Φ42超前小導(dǎo)管，壁厚3.5mm，外插角40°，每根長(zhǎng)6m，環(huán)向間距1.0m，縱向每4m一環(huán)，每環(huán)25根。注漿材料采用水泥漿，水灰比=0.8：1。

（二）地表注漿加固

對(duì)隧道下穿高速公路橋梁段兩側(cè)地表采用Φ108鋼管樁注漿加固，4#墩左幅距離隧道開挖輪廓線較近，采用斜向+豎向注漿結(jié)合方式。豎向注漿加固區(qū)范圍：隧道線路右側(cè)開挖輪廓線2m以外進(jìn)行地面注漿加固，順橋向4m，橫橋向12m;斜向注漿加固區(qū)范圍：順橋向約4m，橫橋向11m，共布設(shè)5×5排鋼管樁，注漿孔間距0.5m（橫橋向）*1m（順橋向），終孔間距按照3m控制，斜向注漿孔與水平面夾角75°～87°，梅花型布置。注漿深度均至隧道仰拱底，豎向注漿區(qū)平均鉆孔注漿深約34m，斜向注漿區(qū)平均鉆孔深36m。

5#橋臺(tái)采用斜向注漿，范圍：順橋向臺(tái)前擴(kuò)大基礎(chǔ)外5m至右幅橋臺(tái)臺(tái)后2m，橫橋向與高速路面水平投影同寬，加固面積為26.06m×22.52m，注漿深至對(duì)應(yīng)里程處隧道拱頂以上2m;Φ108鋼管樁采用發(fā)散布置形式，終孔間距3m，注漿孔與水平面夾角15°～72°。5#橋臺(tái)斜向注漿加固區(qū)最小鉆孔深約23m，最大鉆孔深約32m。

三、數(shù)值模擬與沉降分析

（一）橋隧參數(shù)

1.高速公路參數(shù)：

思小高速公路汽車荷載等級(jí)采用公路-Ⅰ級(jí)。汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成，車道荷載由均布荷載qk和一個(gè)集中荷載Pk組成。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算應(yīng)采用車道荷載。

公路-Ⅰ級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m。集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk按以下規(guī)定選?。?/p>

橋涵計(jì)算跨徑L0≤5m，Pk=180kN;

L0≥50m，Pk=360kN;

5<L0<50m，Pk值采用直線內(nèi)插求得。

思小高速公路橋梁4#橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為一排4根樁徑160cm的樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)20m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？紤]車道荷載以及上部單跨30m長(zhǎng)T型梁重量荷載，單根樁按照承受1200kN集中荷載進(jìn)行分析。5#橋臺(tái)高5.83m，底面寬3.5m，為雙臺(tái)階擴(kuò)大基礎(chǔ)，每臺(tái)階厚1.0m，底面尺寸11m×6m，埋深2.5m，考慮車道荷載及上部半跨15m長(zhǎng)T型梁重量荷載，橋臺(tái)荷載采用800kN/m進(jìn)行模型分析。

2.隧道支護(hù)參數(shù)

勐養(yǎng)隧道下穿高速公路段襯砌類型為Ⅴ級(jí)復(fù)合式襯砌，初支全環(huán)設(shè)置工22b鋼架，間距0.5m/榀，二襯為C40鋼筋混凝土，厚60cm。

初期支護(hù)彈性模量按照噴射混凝土和鋼架折合計(jì)算。由于噴射混凝土和鋼拱架是緊裹在一起的，共同變形、共同受力，所以鋼拱架根據(jù)鋼筋混凝土計(jì)算原理采用等效截面計(jì)算，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，其計(jì)算方法為：

式中：E’h為考慮鋼拱架后噴射混凝土彈性模量;

E?h為原始噴射混凝土彈性模量，C25混凝土為30GPa;

Ag為鋼拱架截面積;

Eg為鋼拱架彈性模量，取200GPa;

Ah為噴射混凝土截面積。

計(jì)算得到鋼拱架與噴射混凝土共同作用綜合彈性模量E’h為35.86Gpa。

大管棚超前支護(hù)注漿加固區(qū)厚度按照以下公式計(jì)算：

式中：D為大管棚注漿加固區(qū)厚度;

R為漿液擴(kuò)散半徑;

S為相鄰兩注漿孔間距，取0.2m。

漿液擴(kuò)散半徑由下式計(jì)算：

L?為管棚中心距，為0.4m。

經(jīng)計(jì)算得到大管棚加固區(qū)厚0.5m。圍巖注漿后其粘聚力可提高2～3倍，根據(jù)地質(zhì)情況綜合考慮，計(jì)算中對(duì)加固區(qū)的彈性模量E提高一倍（2.5×106kPa）處理，按照彈性體分析。

（二）計(jì)算模型

1.模型說(shuō)明

分別選取上行線樁基礎(chǔ)和下行線橋臺(tái)與隧道開挖外輪廓最小距離的斷面位置關(guān)系進(jìn)行分析。

計(jì)算模型中地層和橋梁基礎(chǔ)采用平面應(yīng)變單元模擬，隧道襯砌采用梁?jiǎn)卧?，為理想彈性體;本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)倫彈塑性體;隧道三臺(tái)階開挖過(guò)程采用鈍化對(duì)應(yīng)臺(tái)階單元網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)，隧道支護(hù)采用激活對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格進(jìn)行模擬，橋梁墩臺(tái)所受荷載采用集中荷載，對(duì)模型左右兩側(cè)進(jìn)行水平向約束，底部進(jìn)行水平向和豎向約束，以模擬大地半無(wú)限體。

根據(jù)圣維南原理，在進(jìn)行隧道數(shù)值仿真時(shí)，為保證邊界條件，根據(jù)不同的施工條件和地質(zhì)情況，模型大小應(yīng)取開挖洞室尺寸B的3～5倍，以保證模型邊界的位移基本為零。本次模型豎向范圍模型計(jì)算深約50m，上側(cè)取至自然地面，下側(cè)取至隧道仰拱底15m，橫向橋臺(tái)一側(cè)取至隧道邊墻外20m，樁基一側(cè)取至隧道邊墻外25m。以足夠大的范圍保證計(jì)算精度，隧道與橋梁4-1#樁基礎(chǔ)、5#橋臺(tái)最小水平距離分析模型如圖所示：

橋梁為既有運(yùn)營(yíng)中，分析時(shí)橋梁及墩臺(tái)荷載和地層合并為初始地應(yīng)力狀態(tài)。分析隧道開挖對(duì)橋梁影響的二維有限元分析的具體施工階段如圖：

2.工況分析

本文選取三種不同的工況進(jìn)行分析比較，三種工況橋隧斷面位置關(guān)系不變。

工況一：隧道不進(jìn)行超前支護(hù)等洞內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)措施，地表不進(jìn)行注漿加固，為天然地層;

工況二：隧道內(nèi)進(jìn)行Φ108大管棚超前注漿支護(hù)，地表不進(jìn)行注漿加固，為天然地層;

工況三：隧道內(nèi)進(jìn)行Φ108大管棚超前注漿支護(hù)，地表進(jìn)行注漿加固，注漿加固后地層力學(xué)參數(shù)同W3泥巖地層力學(xué)參數(shù)。

3.參數(shù)選取

（三）位移分析

1.整體位移

隧道二襯施作后工況一條件下模型整體最大位移出現(xiàn)在橋臺(tái)臺(tái)后人工填土區(qū)域及隧道拱部上方地表，約20mm，工況二和工況一整體位移近乎相等。工況三條件下整體最大位移位于隧道拱部，最大約8.2mm。

2.隧道襯砌位移

三種工況下隧道襯砌最大總位移分別為8.8mm、8.0mm、7.4mm，均位于拱頂。

隧道在三種不同工況下的位移統(tǒng)計(jì)如下圖，其中豎向沉降位于拱頂，仰拱發(fā)生向上的隆起變形。

工況一和二條件下，勐養(yǎng)隧道開挖支護(hù)后橋梁4#墩樁基礎(chǔ)最大位移沉降位于樁頂，分別為2.2mm和2.3mm，工況三條件下，樁基礎(chǔ)最大位移為1.2mm，位于樁底。

三種工況條件下，勐養(yǎng)隧道開挖支護(hù)后橋梁5#橋臺(tái)最大位移沉降均位于臺(tái)頂承受梁端荷載處，最大總位移分別為15.1mm、15.4mm和5.2mm。

從上圖看出，工況三橋梁墩臺(tái)周邊地表注漿加固后，地表沉降位移、橋梁墩臺(tái)位移、隧道襯砌位移均不同程度減小，對(duì)地表沉降量及橋梁墩臺(tái)位移影響較為顯著，對(duì)隧道襯砌位移影響較小，地表注漿加固后橋臺(tái)位移及地表沉降量大幅減小，效果顯著。隧道施工對(duì)4#墩樁基礎(chǔ)影響不大，對(duì)橋臺(tái)影響較大。

勐養(yǎng)隧道下穿思小高速公路段正洞施工期間地表監(jiān)測(cè)最大沉降約10mm，最小沉降約3mm。施工期間高速橋梁墩臺(tái)沉降觀測(cè)最大沉降量為4號(hào)墩約1.9mm，橋臺(tái)最大沉降約1.1mm。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，得到地表及橋梁墩臺(tái)沉降值，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)沉降值對(duì)比，Midas有限元數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)值較為吻合，整體數(shù)據(jù)可靠。

四、結(jié)語(yǔ)

（一）地表不注漿加固、隧道內(nèi)不進(jìn)行超前支護(hù)時(shí)，地表及樁臺(tái)沉降最大，地表、橋墩、橋臺(tái)沉降值分別為：20.2mm、2.2mm、15.1mm，隧道及地表加固后，對(duì)應(yīng)沉降值減小為8.2mm、1.2mm、5.2mm，較未采取加固措施時(shí)分別減小59%、45%、66%，加固效果顯著。

（二）通過(guò)對(duì)工況二、三的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，淺埋隧道地表覆土較厚時(shí)支護(hù)措施對(duì)地表樁臺(tái)沉降控制效果遠(yuǎn)小于地表注漿加固對(duì)樁臺(tái)沉降的控制效果，地表注漿加固對(duì)橋梁墩臺(tái)沉降控制效果更為顯著。

（三）通過(guò)對(duì)工況二和工況三的隧道沉降數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，地表注漿前后隧道襯砌位移沉降值變化不大，隧道施工期間淺埋地表是否注漿加固對(duì)隧道洞內(nèi)沉降變形效果不顯著，應(yīng)注重洞內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)措施。

劉強(qiáng)

中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

Liu Qiang， Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd. of CREEC