下穿省道公路隧道施工變形與控制技術(shù)研究

盧超波,陀楚明,姜洪亮,楊庭偉,張 偉

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心,廣西 南寧 530007;3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430071)

0 引言

對(duì)高速公路隧道穿越特殊結(jié)構(gòu)物[1-3]、特殊地質(zhì)[4-5]隧道開挖圍巖變形的問題,大量學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)細(xì)致的研究,隧道施工開挖造成圍巖變形,對(duì)周邊既有結(jié)構(gòu)將會(huì)造成影響。本文通過對(duì)某高速公路下穿省道的隧道單洞進(jìn)洞段施工開挖進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)分析,并結(jié)合施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)其變形機(jī)制進(jìn)行研究,提出變形控制技術(shù)措施,為其他類似隧道工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程背景

某高速公路隧道設(shè)計(jì)為洞身分離式隧道,速度 100 km/h,路基寬度為 26 m,路面采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)。隧道左線隧道起訖樁號(hào)2ZK44+285～2ZK49+075,右線隧道起訖樁號(hào)2K44+265～2K49+073,隧道進(jìn)洞口位于山體斜坡上,上部約22 m為省道,與隧道成斜交60°穿越,省道路面為瀝青混凝土結(jié)構(gòu),進(jìn)洞段圍巖表層主要為碎石土,局部為粉質(zhì)黏土,厚度1～4 m,下伏圍巖主要為強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖,巖質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙極發(fā)育,巖體破碎。隧道開挖斷面凈寬13.76 m,斷面開挖面積約113 m2。如圖1所示。

2 數(shù)值試驗(yàn)

2.1 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為進(jìn)一步分析進(jìn)洞段施工開挖對(duì)地表變形影響的機(jī)制,根據(jù)隧址所處地形與巖性情況,建立圖2所示的數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型Y軸走向?yàn)樗淼雷呦?數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閹缀坞A梯模型,模型長、寬、高(Y、X、Z軸方向)分別為103 m、120 m、70 m,模型網(wǎng)格數(shù)量為334 101。數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢砹W(xué)參數(shù)是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場揭露圍巖破碎程度取值,模型計(jì)算本構(gòu)模型采用M-C本構(gòu)模型,初次支護(hù)采用實(shí)體單元,圍巖的初始地應(yīng)力場為自重場,計(jì)算平衡后進(jìn)行隧道開挖數(shù)值試驗(yàn),模型圍巖及初期支護(hù)參數(shù)如表1所示。

圖1 隧道進(jìn)洞段地質(zhì)平縱斷面圖

圖2 數(shù)值分析模型圖

表1 模型參數(shù)表

2.2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

隧道采用上臺(tái)階預(yù)留核心土的兩臺(tái)階法進(jìn)行開挖,上臺(tái)階開挖進(jìn)尺每循環(huán)為0.5 m,圖3為開挖進(jìn)尺0.5 m、10 m、20 m、30 m時(shí)的無支護(hù)地表變形與沉降變形云圖,對(duì)應(yīng)實(shí)際隧道掌子面里程為分別為2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(a)進(jìn)尺0.5 m地表位移

(b)進(jìn)尺0.5 m地表沉降

(c)進(jìn)尺10 m地表位移

(d)進(jìn)尺10 m地表沉降

(e)進(jìn)尺20 m地表位移

(f)進(jìn)尺20 m地表沉降

下頁圖4為采取超期支護(hù)措施后,隧道上臺(tái)階預(yù)留核心土法按每榀鋼支架間距即開挖支護(hù)步距為0.5 m的循環(huán)開挖支護(hù),開挖進(jìn)尺0.5 m、10 m、20 m、30 m時(shí)地表變形與沉降變形云圖。在循環(huán)開挖支護(hù)后均進(jìn)行模型平衡計(jì)算,并開挖支護(hù)下一循環(huán),對(duì)應(yīng)實(shí)際隧道掌子面里程為分別為2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(c)進(jìn)尺10 m地表位移

(d)進(jìn)尺10 m地表沉降

(e)進(jìn)尺20 m地表位移

(f)進(jìn)尺20 m地表沉降

(g)進(jìn)尺30 m地表位移

(h)進(jìn)尺30 m地表沉降

從數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果看,隨著隧道開挖,地表影響范圍逐漸增加,其地表變形、沉降累計(jì)值隨著開挖進(jìn)尺增加而增加。隧道開挖進(jìn)尺10 m后,有無支護(hù)情況下隧道開挖均會(huì)對(duì)省道基底產(chǎn)生影響,進(jìn)尺20 m后,省道基底形成半沉降盤,省道外側(cè)路肩無支護(hù)時(shí)最大沉降值約10 mm,有支護(hù)時(shí)最大約5 mm;進(jìn)尺30 m后,有無支護(hù)均將對(duì)隧道拱頂上方1.0倍路基區(qū)域范圍產(chǎn)生較大影響。此外,隧道進(jìn)洞20 m后,省道的基底變形主要為沉降變形。

循環(huán)小步距開挖支護(hù)對(duì)變形的發(fā)展起到良好的控制,進(jìn)尺20 m時(shí),有支護(hù)時(shí)開挖對(duì)路肩的變形、沉降變形從無支護(hù)的8～14 mm、5～7.5 mm降至4～6 mm、2.5～5 mm;進(jìn)尺30 m時(shí),有支護(hù)時(shí)開挖對(duì)路肩的變形、沉降變形從無支護(hù)的12～17 mm、10～15 mm降至5～7.5 mm、5～7.5 mm,位移控制降幅50%左右,各區(qū)間內(nèi)的變形、沉降變形影響范圍大幅降低。

洞內(nèi)變形主要為拱頂沉降與地板鼓起,進(jìn)一步分析支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿受力情況,隧道拱部范圍系統(tǒng)錨桿受力較大,兩側(cè)邊墻系統(tǒng)錨桿受力較小,如圖5所示。

通過數(shù)值試驗(yàn),設(shè)計(jì)的支護(hù)體系滿足隧道施工開挖安全控制要求,但仍無法有效消除隧道施工對(duì)既有省道基底的影響。

(a)進(jìn)尺0.5 m系統(tǒng)錨桿受力圖

(b)進(jìn)尺10 m系統(tǒng)錨桿受力圖

(c)進(jìn)尺20 m系統(tǒng)錨桿受力圖

(d)進(jìn)尺30 m系統(tǒng)錨桿受力圖

3 變形控制方案

通過數(shù)值分析可知,提高支護(hù)剛度、減少開挖循環(huán)步距對(duì)路基變形有良好的控制效果,但仍未能絕對(duì)控制路基基底變形與沉降變形。在隧道進(jìn)尺20 m時(shí),路肩的變形、沉降變形為4～6 mm、2.5～5 mm;進(jìn)尺30 m時(shí),路肩的變形、沉降變形約5～7.5 mm、5～7.5 mm,基底最大沉降變形約7.5 mm,可能對(duì)省道路面結(jié)構(gòu)基底造成脫空。為有效控制隧道進(jìn)洞下穿開挖支護(hù)變形,對(duì)開挖變形控制主要采用洞口邊仰坡穩(wěn)定控制、洞內(nèi)隧道開挖變形控制等措施;洞內(nèi)隧道開挖變形控制主要采取循環(huán)施作超前支護(hù)、開挖方法與及時(shí)初期封閉成環(huán)進(jìn)行控制等措施。進(jìn)洞里程為2K44+273,2K44+273～2K44+295段采用超前長管棚27 m+超前小導(dǎo)管,2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚。開挖方法采用上臺(tái)階法預(yù)留核心土開挖,開挖方式采用機(jī)械鑿除法,每循環(huán)進(jìn)尺為1榀鋼拱架間距,即≤50 cm,支護(hù)緊跟開挖面。

(1)洞口邊仰坡穩(wěn)定控制:采用3.5 m長、φ42 mm×4 mm注漿小導(dǎo)管,間距1.0 m×1.0 m,梅花形布置,掛設(shè)φ8 mm@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng),噴射10 cm厚C25早強(qiáng)噴射混凝土防護(hù)。

(2)洞內(nèi)隧道開挖變形控制:2K44+273～2K44+295段主要采用27 m長管棚+超前小導(dǎo)管,長管棚套拱導(dǎo)向墻混凝土為C30,厚度60 cm,長1.5～5 m,管棚鋼管采用熱軋無縫鋼管φ108 mm×6 mm,方向與路線中線平行,長管棚布設(shè)于隧道上半拱130°范圍內(nèi),管棚環(huán)向間距為50 cm,管棚鋼管外插角0.5°～1°(不包括路線縱坡),管棚鋼管內(nèi)插4根φ16 mm二級(jí)鋼筋籠,滿注強(qiáng)度等級(jí)不低于M20水泥砂漿。小導(dǎo)管采用φ42 mm×4 mm雙環(huán)注漿小導(dǎo)管,環(huán)向間距40 cm,長4.5 m,縱向間距2.0 m,外插角10°～15°,導(dǎo)管從工字鋼腹部開孔穿過,尾部焊接于鋼架上,導(dǎo)管搭接≥1.5 m,小導(dǎo)管注漿材料為42.5水泥凈漿,水灰比0.6～0.8,注漿壓力初壓為0.5～1.0 MPa,終壓為2.0 MPa。初期支護(hù)采用50 cm間距Ⅰ20b工字鋼,φ8 mm@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng),C25噴射混凝土26 cm。系統(tǒng)錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿,長度4 m,環(huán)縱向間距120 cm×50 cm。

(3)2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚,鋼管采用φ89 mm×6 mm超前鋼管,布設(shè)于隧道上半拱120°范圍內(nèi),環(huán)向間距40 cm,長9.0 m,縱向間距4.5 m,外插角10°～15°,鋼管從工字鋼腹部開孔穿過,尾部焊接于鋼架上。初期支護(hù)采用50 cm間距的Ⅰ22b工字鋼,φ8 mm@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng),C25噴射混凝土28 cm。系統(tǒng)錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿,長度4 m,環(huán)縱向間距120 cm×50 cm。

(4)由于上跨隧道的省道為主要交通要道,重載車輛較多,為了確保隧道開挖過程中省道運(yùn)營安全,施工過程中加強(qiáng)對(duì)省道路基沉降監(jiān)測后,對(duì)重載車輛動(dòng)態(tài)加壓可能引起路面結(jié)構(gòu)變形開裂,后期可根據(jù)路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的病害進(jìn)行注漿與裂縫堵水動(dòng)態(tài)處理。

4 開挖變形監(jiān)測分析

開挖前在地表布置了17個(gè)地表沉降監(jiān)測點(diǎn),如圖6所示,D1～D7位于隧道仰坡中部,D8～D13位于省道路肩外側(cè),D14～D18位于省道路面中心;對(duì)洞內(nèi)圍巖變形監(jiān)測斷面如圖7所示,里程分別為2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295,測點(diǎn)在初期支護(hù)后埋設(shè)并開始監(jiān)測。

如圖8所示,地表測點(diǎn)沉降變形隨著開挖進(jìn)尺在不同時(shí)間內(nèi)逐步增加,結(jié)合施工開挖進(jìn)尺,在掌子面距離測點(diǎn)約1倍洞徑時(shí),地表沉降變形開始顯現(xiàn),并隨著開挖進(jìn)程而增加。由于開挖進(jìn)尺中斷于2K44+295,位于省道路面中心,D14～D18在掌子面停止開挖后,仍隨著時(shí)間緩慢變形,詳見圖9。掌子面開挖至距離測點(diǎn)約1.0倍洞徑時(shí),掌子面停止開挖后,地表沉降在3 d內(nèi)急速增加,3 d后減緩并緩慢增長。

各斷面里程的拱頂沉降與收斂變形監(jiān)測點(diǎn)曲線如圖10所示,從監(jiān)測的結(jié)果看,各斷面穩(wěn)定累計(jì)變形值均較小,2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295最大拱頂沉降穩(wěn)定值分別為20.2 mm、30.5 mm、19.1 mm、19.3 mm,收斂穩(wěn)定值分別為16.2 mm、24.3 mm、14.1 mm、15.2 mm,采取變形控制方案對(duì)地表變形進(jìn)行控制能取得良好的效果,可安全穿越省道。

圖6 地表測點(diǎn)布置示意圖

圖7 洞內(nèi)上臺(tái)階核心土開挖測點(diǎn)布置示意圖

圖8 地表測點(diǎn)監(jiān)測曲線圖

圖9 掌子面中斷于2K44+295測點(diǎn)時(shí)D14～D18沉降隨時(shí)間增長曲線圖

圖10 測點(diǎn)監(jiān)測曲線圖

5 結(jié)語

本文針對(duì)下穿省道公路隧道施工變形與控制技術(shù)研究,提出了經(jīng)濟(jì)科學(xué)處治方案,取得良好效果,結(jié)論如下:

(1)隨著隧道進(jìn)洞開挖,對(duì)地表影響范圍逐漸增加,其表面變形、地表沉降隨著開挖進(jìn)尺增加而增加。地表變形主要以沉降變形為主,有無支護(hù)均將對(duì)隧道拱頂上方1.0倍路基區(qū)域范圍產(chǎn)生較大影響。

(2)采取對(duì)下穿隧道地表變形控制、提高超前支護(hù)以及初期支護(hù)剛度、減少開挖循環(huán)步距等措施對(duì)路基變形控制能夠取得良好效果,但絕對(duì)控制路基基底變形與沉降變形存在較大難度。

(3)對(duì)埋深不大的隧道,掌子面開挖至距離測點(diǎn)約1.0倍洞徑時(shí)開始出現(xiàn)地表變形,掌子面停止開挖后,地表沉降約3 d內(nèi)急速增加,3 d后減緩并緩慢增長。