超淺埋隧道下穿對既有高速公路的影響研究*

李 景 李 洋 楊阿龍 劉夏臨

(1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051; 2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430056)

隧道工程作為長大線性工程,不可避免地將下穿各種地表建(構)筑物,這對隧道的工法、施工方案、環境保護等均提出了更高的要求,在不影響地表建(構)筑物結構安全和運營安全的前提下,隧道施工方案的選擇將面臨諸多挑戰。

近年來,國內外諸多學者針對隧道下穿既有地表建(構)筑物開展了大量研究。Jeng F.S.等[1]研究了下穿施工過程中的施工加固措施,提出了降低地表沉降的有效控制方法。譚貝[2]研究了雙線盾構隧道下穿既有高速公路過程中的沉降影響規律。劉鑫榕[3]依托某地鐵雙線隧道下穿既有高速公路工程,研究了隧道下穿對高速公路路基的擾動影響。郭瑞等[4]結合實際工程,研究了隧道下穿情況下對松散高填土路堤的沉降影響,并通過與現場監測數據進行對比分析,驗證了結果的可靠性。張旭等[5]依托北京地鐵區間隧道研究了地鐵隧道下穿對既有車站結構沉降的影響,提出對應的沉降控制措施,為同類型的下穿工程提供了借鑒和思考。栗曉龍[6]依托實際工程,開展超深基坑開挖對既有地鐵隧道的安全影響分析,提出了對應的支護體系。傅立磊[7]研究超淺埋軟巖大斷面隧道下穿路基施工過程中對路基和洞室變形的影響,在此基礎上提出了相應的控制措施和控制標準。

綜上所述,已有不少學者針對隧道下穿各種地表建(構)筑物的影響進行了詳盡且富有成效的研究,但由于隧道工程下穿的復雜性和特殊工況的不可復制性,隧道下穿既有高速公路安全事故常有發生[8]。

因此,開展隧道下穿對既有高速公路的影響研究具有重要的現實意義。本文依托某公路隧道下穿既有高速公路工程,結合工程實際情況,擬提出預制裝配式波形鋼與混凝土組合結構箱拱型鋼通道施工工藝下穿的建設方案,并通過數值分析手段對整體結構的安全性進行分析,以驗證設計方案。

1 工程概況

新建某超淺埋隧道下穿高速公路工程,經調查,擬下穿的既有高速公路不具備明挖導改的條件,經與相關方溝通、對接,擬在下穿段采用暗挖通過。

根據工程地質調繪及鉆探揭示,考慮地基土沉積環境、沉積韻律、堆積時代,以及工程性能,可將橋址區地層從上到下劃分為6層,主要為素填土、濕陷性粉土、粉土、粉質黏土。

暗挖隧道全長91.1 m,拱頂覆土2.5～3.6 m,為保證既有高速公路安全,暗挖隧道采用管幕進行超前支護、采用CRD工法開挖。

雙聯拱隧道管幕下穿既有高速公路的最小覆土厚度為2.5 m,與高速公路47°角斜交,斜交長度約33 m,縱坡按1%考慮,橫坡為2%～4%在洞室內調節,斷面尺寸為2-10.25 m(寬)×5 m(高)雙艙結構,采用整體式路基設計,路基寬22.5 m。

具體相對位置見圖1。

圖1 下穿隧道與既有高速公路相對位置圖(單位:m)

2 下穿施工方案

為保障隧道下穿既有高速公路工程的施工安全和高速公路運營安全,結合本工程實際情況,通過方案比選論證及專家咨詢,最終確定采用預制裝配式波形鋼與混凝土組合結構箱拱型鋼通道施工工藝下穿的建設方案,控制地面沉降。隧道采用鋼筋網、噴混凝土、型鋼鋼架及超前支護聯合作為初期支護,以裝配式波形鋼與混凝土組合通道為二次襯砌組成,初期支護與二次襯砌間采用微膨脹混凝土充實。

根據工程實際特點,管幕施工方案為:鋼通道輪廓線外側管幕施工→上臺階拱腳水平旋噴加固施工→下臺階拱腳水平旋噴加固施工→鋼通道內下臺階向下施工隧底垂直旋噴加固樁。

2.1 隧道支護方法

為保證鋼通道施工安全和控制其對既有高速道路的影響,本鋼通道工程采用直徑402 mm鎖扣管幕進行超前支護。隧道采用鋼筋網、噴混凝土、型鋼鋼架及超前支護聯合作為初期支護,施工時輔以臨時支護,以裝配式波形鋼與混凝土組合結構通道為二次襯砌組成,初期支護與二次襯砌間采用微膨脹混凝土充實。拱腳采用水平旋噴加固,根據現場環境和地質條件,采用直徑600 mm、間距400 mm水平旋噴樁進行加固。支護設計圖見圖2。

圖2 管幕支護設計圖(單位:m)

管幕施工采用“鋼管液壓頂進,管內螺旋出土”的頂管施工方法。隧道開挖高度為12.1 m,開挖跨度為9.5 m。

2.2 隧底加固方案

隧底采用垂直旋噴加固,為保證下穿鋼通道的整體穩定性和通行性,對鋼通道底部5 m范圍內的原狀土層進行加固改良。加固采用單管單介質(水泥漿)進行施工,加固深度5 m,旋噴設計樁徑直徑800 mm,斷面橫向間距100 cm,縱向排間距120 cm,梅花形布置,隨開挖進度跟進加固。垂直旋噴加固及布置圖見圖3。

圖3 隧底垂直旋加固示意圖

2.3 隧道開挖方案

開挖和襯砌順序如下:①上臺階開挖:澆筑洞門圈梁→上臺階開挖掘進→上臺階型鋼襯砌安裝→噴錨填充縫隙→安裝臨時型鋼支撐→循環開挖上臺階20～25 m;②下臺階開挖:開挖下臺階→下臺階型鋼襯砌安裝→噴錨填充縫隙→續接中臺階型鋼支撐→循環開挖下臺階5～10 m→轉換上臺階開挖支護;③開挖貫通:循環上、下臺階開挖→型鋼襯砌安裝→噴錨填充縫隙→臨時型鋼支撐安裝→下臺階隧底加固→隧道閉合成環,臨時支撐建立→安裝波紋管襯砌。開挖示意圖見圖4。

圖4 臺階法開挖斷面示意圖

2.4 裝配式箱拱型鋼通道施工方案

箱拱型鋼通道從起點到終點,沿直線安裝,主要施工方案為:拆除第一節臨時支撐→設定位支撐→底板吊裝(叉車吊)并調平及定位→法蘭面涂抹密封膠→側板吊裝→螺栓初擰→法蘭面涂抹密封膠→頂板吊裝→螺栓初擰→設定位支撐→外形校正→螺栓終擰→固定定位支撐→初始節混凝土模板安裝→底板外縫隙澆注C25→自流平微膨脹混凝土→側板外澆注C25→自流密微膨脹混凝土→頂板外澆注C25自流平微膨脹混凝土→頂板最頂端注漿→初凝后拆?！装鍍炔颗R時路面澆筑混凝土→節間環向密封墊鋪設→下一節臨時支撐拆除→下一節裝配式箱拱型鋼通道安裝→緊固節間螺栓→依次循環施工→鋼通道內外露螺栓裝修。

3 隧道下穿既有高速公路的安全影響分析

3.1 計算模型

考慮工程的有效影響范圍及既有結構的差異變形,模型尺寸為80 m×75 m×45 m,模型圖見圖5。計算模型中土體采用實體單元,不同土層采用不同材料模擬,土體本構關系采用Mohr-Coulomb屈服準則,波紋鋼板采用板單元,隧道底部旋噴加固樁采用梁單元模擬,邊界條件選取頂面為自由邊界,底面為固定約束,其他面均采取法向約束。內部結構示意圖見圖6。

圖5 三維計算模型圖

圖6 模型內部結構示意圖

3.2 計算參數

根據工程地質勘探報告、既有高速公路資料及相關規范,計算過程中的模型材料參數見表1。

表1 模型計算參數表

3.3 隧道下穿既有高速公路的施工過程模擬

為分析隧道開挖過程對東呂高速的影響,整個計算過程采用施工階段分析,主要包括:初始地應力平衡、外側管幕及旋噴樁加固施工、臺階開挖等。整個計算過程共模擬了111個施工步,左洞貫通和右洞貫通后的高速公路路面沉降和附件地表沉降云圖見圖7～圖10。

圖7 左洞全斷面通過道路時地表道路沉降云圖

圖8 左洞貫通時地表沉降云圖

圖9 右洞全斷面通過道路時地表道路沉降云圖

圖10 右洞貫通時地表沉降云圖

綜合各個施工階段的結果,在下穿隧道施工過程中,不同階段開挖卸荷引起的既有高速公路及附近地表沉降見表2。由表2可知,在隧道下穿既有高速公路過程中,隨著掘進的進行,既有高速公路范圍內及附近地表最大沉降呈現逐漸增大的趨勢。既有高速公路范圍最大沉降為9.5 mm,既有高速公路附近地表最大沉降為10.2 mm,隧道下穿施工引起的既有高速公路路面相鄰區域最大差異沉降值為2.9 mm。根據相關規范[9],結合《建筑地基基礎設計規范》[10]中對各種建筑物控制標準,對于區間隧道側穿既有建筑物時,地表沉降極限值為0.005L,(L為相鄰基礎間距),對于本工程而言,取高速公路的單向行車道的寬度3.75 m,故地表沉降控制值為18.75 mm,通過計算可知,采用預制裝配式波形鋼與混凝土組合結構箱拱型鋼通道施工工藝下穿的建設方案,下穿隧道貫通后,高速公路交叉段范圍最大沉降為9.2 mm,同時地表最大沉降值為10.2 mm,滿足安全規定的限制。

表2 不同開挖階段東呂高速公路范圍內及附近地表最大沉降統計值 mm

4 結語

1) 本文提出了復雜條件下超淺埋暗挖下穿既有高速公路的施工方案,詳細介紹了隧道支護、管幕支護,拱腳加固、隧底加固、隧道開挖及裝配式箱拱型鋼通道施工方案,采用該方案,可有效控制高速公路路面及影響區域的地面沉降,可為國內同類型的工程提供借鑒。

2) 借助三維精細化數值分析,計算了預制裝配式波形鋼與混凝土組合結構箱拱型鋼通道施工工藝下穿建設方案的安全影響,計算結果表明通過有效的加固措施和合理的施工組織設計,可以較好地控制沉降和差異沉降。

3) 通過計算結果可知,在隧道下穿既有高速公路過程中,隨著掘進的進行,既有高速公路范圍內及附近地表最大沉降呈現逐漸增大的趨勢,而且在高速公路內的沉降范圍逐漸擴大,直至右線接近貫通時,沉降趨于穩定,新建隧道施工對既有高速公路的安全運營影響較小。

本文提出的下穿施工方案的各個部分可在實際類似工程中靈活選用,具體應用時應綜合考慮現場的實際情況、工程地質條件、水文地質條件及現場施工條件等,在此基礎上針對局部危險區域,增設拱腳的鎖腳錨桿控制初支沉降變形,確保工程的安全施工。