超小凈距下軟巖隧道地基沉降規(guī)律研究

作者簡介：周 明（1993—），碩士，工程師，主要從事隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、質(zhì)量檢測、監(jiān)控量測和地基基礎(chǔ)檢測工作。

摘要：在公路下穿隧道施工過程中，軟巖隧道埋深越淺，地基沉降影響越大。為了分析超小凈距下隧道施工引起的地面沉降，文章以漢中市寧強(qiáng)縣某隧道為研究對象，采用數(shù)值模擬和實(shí)測的方法，分析了地面沉降及加固措施的效果。研究表明：對于道路施工中的超小口徑隧道，采用管棚與超前小導(dǎo)管注漿相結(jié)合的加固措施可以有效抑制地基沉降；超前小導(dǎo)管加固后，地基沉降值降低約25%，增大管棚后加固效果更明顯，地基沉降值減少約60%；環(huán)狀土開挖引起的地基沉降約占整個(gè)施工沉降值的50%～60%，加固措施組合的關(guān)鍵工序集中于抑制環(huán)狀土開挖引起的地基沉降；采用加固措施后，沉降槽寬度變化不明顯，但沉降槽曲率和峰值明顯減小。研究結(jié)果可為軟巖隧道地基沉降控制提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超小凈距；軟巖隧道；沉降；管棚；超前小導(dǎo)管注漿

中圖分類號：U456.3⁺1

0 引言

在隧道下穿高速公路的施工過程中，既有路面易受隧道開挖擾動(dòng)引起沉陷、開裂、塌陷等災(zāi)害，影響既有交通線路的正常運(yùn)營^[1]。在超小凈距下，路面災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)更高。在施工過程中必須采取特殊的加固措施，控制地面損失，避免對既有道路造成破壞。

為避免軟巖隧道下穿施工對既有公路的破壞，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相應(yīng)的研究，并取得了一定的成果。張文明等^[2]基于隨機(jī)介質(zhì)理論的基本思想，對Parker方法進(jìn)行了改進(jìn)，得到了一種簡單、準(zhǔn)確的地基沉降預(yù)測方法，該方法更適用于淺埋隧道。李又云等^[3]建立了三維有限元計(jì)算模型，研究了不同開挖方法、不同進(jìn)尺、不同支護(hù)方案下隧道開挖的控制效果，得出結(jié)論：淺埋隧道施工中，開挖方式應(yīng)選用雙側(cè)進(jìn)尺法，預(yù)加固措施采用雙層大管頂加固。盧西魁^[4]以哈爾濱地鐵隧道為例，分析了開挖方式、預(yù)留臺架長度、超前支護(hù)、隧道埋深對地面沉降的影響。常洲等^[5]采用三維有限差分模型模擬了盾構(gòu)隧道的超前注漿和注漿硬化，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析了盾構(gòu)隧道的橫向沉降、縱向沉降和地層水平位移，結(jié)果表明，橫向沉降發(fā)生在開挖直徑的1.5倍左右。杜建強(qiáng)^[6]通過分析武漢地鐵盾構(gòu)施工過程中路基和地面的變形情況，得出地面沉降與埋深存在一定關(guān)系的結(jié)論。上述研究認(rèn)為，隧道埋深越淺，對地面沉降的影響越大，因此下穿高速公路的超小凈距隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較大。目前的研究多集中在淺埋隧道的下穿施工，一些研究集中于超淺埋隧道的下穿施工，而超小凈距下穿隧道施工引起的地面沉降有待進(jìn)一步研究。

基于此，本文以廣西某隧道工程為研究對象，分析超小凈距隧道下穿公路引起地面沉降的規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法研究了隧道超大下穿距離對公路建設(shè)的影響，并獲得了地基沉降規(guī)律，驗(yàn)證了所采用加固措施的加固效果。研究結(jié)果可為超小凈距隧道下穿高速公路施工提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

隧道位于廣西境內(nèi)，全長3 471 m，開挖高度為9.24 m，跨徑11.8 m，為單洞雙向行駛的超長公路隧道。隧道在K48+697處下穿某國道，下穿角度約80°。隧道在下穿位置的埋深僅為9 m，小于隧道直徑的1倍。這是一條超小凈距下穿隧道，同時(shí)也是一條淺埋軟巖隧道。隧道下穿某國道路基寬度為8.5 m，圍巖為強(qiáng)砂質(zhì)頁巖，霰粒、頁巖結(jié)構(gòu)，巖體破碎，風(fēng)化節(jié)理，裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，為Ⅴ級圍巖。隧道平面圖見圖1。

1.2 隧道設(shè)計(jì)

超小凈距下軟巖隧道支護(hù)采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，如下頁圖2所示。隧道支護(hù)采用超前小導(dǎo)管注漿加固與大管棚特殊加固相結(jié)合的方式，控制地基沉降，提高圍巖穩(wěn)定性。超前小導(dǎo)管直徑42 mm，長度L=5 m，架設(shè)角度7°，周向間距0.4 m。大管棚采用?89 mm×6 mm鋼管，長度30 m，外插角2°。同時(shí)采用預(yù)留核心土法在既有高速公路下開挖隧道。隧道開挖前，采用大管頂板和超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前加固。隨后開挖上部環(huán)狀土，環(huán)狀土開挖3 m后進(jìn)行核心土開挖，核心土開挖5 m后進(jìn)行下臺階開挖。各部分開挖完成后進(jìn)行初期支護(hù)。初期支護(hù)封閉成10 m環(huán)形后，進(jìn)行二次襯砌施工。

2 地基沉降數(shù)值模擬分析研究

在施工過程中，隧道開挖對地層的擾動(dòng)較大，且超小凈距軟巖隧道下穿通道，沉降控制難度大。為此，采用超前小導(dǎo)管注漿和大管棚相結(jié)合的方法對軟巖隧道拱部進(jìn)行加固。為分析加固措施的效果，采用數(shù)值模擬方法研究了無加固措施、超前小導(dǎo)管注漿加固、超前小管注漿結(jié)合大管棚加固三種情況下的地基沉降規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

FLAC 3.0軟件用于建立數(shù)值模型。路基、襯砌、圍巖均采用實(shí)體單元，模型尺寸為65 m×50 m×20 m。水平約束施加在前后左右邊界上，垂直約束施加在底部邊界距離上，如圖3所示。預(yù)固結(jié)是控制地面沉降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此，數(shù)值模型側(cè)重于軟巖隧道的預(yù)固結(jié)。大管棚采用樁單元，小管采用梁單元模擬。

管頂和灌漿小導(dǎo)管的等效彈性模量按混凝土灌注鋼管等效換算：

其中E為等效彈性模量，E₁和E₂分別為水泥漿和管棚（小管道）的彈性模量，I₁和I₂分別為水泥漿液和管棚的慣性矩。圍巖符合摩爾-庫侖定律，支護(hù)結(jié)構(gòu)符合彈性理論假設(shè)。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表1。

公路段下穿軟巖隧道采用核心土法施工。隧道開挖前搭設(shè)管棚，每次開挖前逐步進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿。隧道內(nèi)先開挖上部環(huán)狀土，預(yù)留核心土開挖在環(huán)狀土開挖3 m后進(jìn)行，下部臺階開挖在預(yù)留核心土開挖5 m后進(jìn)行，每次開挖長度為1 m，如圖4所示。每臺階開挖后進(jìn)行初期支護(hù)，臺階向下開挖10 m后進(jìn)行二次襯砌。

2.2 地基沉降的數(shù)值計(jì)算

采用數(shù)值模擬方法，分析了軟巖隧道開挖在無加固措施、超前小導(dǎo)管注漿加固、大管頂超前小管注漿加強(qiáng)三種工況下地基沉降的規(guī)律。環(huán)狀土開挖、預(yù)留核心土開挖和下臺階開挖后三組工況的最大累積沉降計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

通過比較可以看出加固后的最大地基沉降值明顯減小。采用先進(jìn)的小導(dǎo)管加固措施后，最大地基沉降值比未采取加固措施時(shí)的最大地基沉降值降低了約25%，此時(shí)最大地基沉降值為24.1 mm，仍超過24 mm的警戒值。采用大管頂和超前小導(dǎo)管注漿聯(lián)合加固措施后，最大地基沉降值比未采取加固措施時(shí)的最大地基沉降值降低了約60%，此時(shí)表面最大沉降值為12.2 mm，滿足安全性能要求。與單獨(dú)采用超前小導(dǎo)管注漿加固相比，加設(shè)大管棚后加固效果更加明顯。各開挖階段引起的地基沉降值對比分析見表2。

從表2可以看出，在隧道開挖過程中，環(huán)狀土開挖階段的地基沉降幅度最大。對于加固地層和非加固地層，環(huán)狀土開挖引起的地基沉降幅度都比較大，減幅約占總沉降值的50%～60%，是整個(gè)施工階段的關(guān)鍵工序，在施工過程中應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。核心土和下臺階開挖引起的地基沉降相對較小，其降幅分別約占總沉降值的23%～35%和15%～20%。

管棚和超前小導(dǎo)管聯(lián)合加固下各工序引起的地基沉降值與開挖完成后未采取加固措施的地基沉降值相比，減少18.5 mm。環(huán)狀土開挖后，采用組合加固措施的地面沉降比未采用加固措施的地面沉降減少了12.7 mm。綜合加固措施重點(diǎn)抑制了環(huán)狀土開挖引起的地基沉降值。

2.3 沉降槽下沉變化

對三種工況下各施工工序引起的上表面沉降槽進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6～7顯示，隨著軟巖隧道逐漸開挖，上表面沉降槽有一定程度的增加，但寬度增加不明顯。由于隧道的埋深較淺，隧道開挖引起的沉降槽寬度較小，約為隧道埋深的3倍，沉降槽寬度在采取各種加固措施后變化不大，而沉降槽的曲率和峰值明顯減小。管頂和超前小導(dǎo)管注漿的組合加固措施可以明顯降低最大沉降值，從而降低隧道坍塌的可能性。

2.4 地基沉降監(jiān)測點(diǎn)

高速公路下穿隧道施工過程中，對地基沉降進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，測點(diǎn)位置如圖8所示。隨著開挖進(jìn)尺的增加，現(xiàn)場測得的沉降量如下頁表3所示，并得到了地基沉降隨隧道開挖的時(shí)程曲線和地基沉降槽的分布情況，如下頁圖9和圖10所示。

數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)場監(jiān)測的地基沉降數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果所呈現(xiàn)的規(guī)律較為接近，最大誤差僅為5%，最小誤差僅為1%，進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果能夠有效地為隧道下穿施工加固措施的確定提供技術(shù)支持。在整個(gè)施工過程中，地基最大沉降值為13.11 mm，小于規(guī)范中30 m的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。在采取管頂加固措施和采用超前小導(dǎo)管注漿后，隧道引起的地基沉降降至較低水平，滿足安全要求。對于高速公路下穿超小隧道施工，管棚加固措施和超前小導(dǎo)管注漿對控制地基沉降具有良好效果。

3 結(jié)語

隧道埋深越淺，對地基沉降的影響越大。對于與穿越公路距離很近的淺埋隧道，其發(fā)生公路災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)更高。因此，本文以寧強(qiáng)縣某隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法，分析隧道超近距離下穿公路施工引起地基沉降的規(guī)律，探討了管棚注漿和超前小導(dǎo)管注漿的加固效果。得出以下結(jié)論：

（1）采用管棚和超前小導(dǎo)管注漿聯(lián)合加固措施后，隧道引起的地基沉降處于較低水平，滿足安全要求。對于高速公路下穿超小凈距隧道的施工，管棚加超前小導(dǎo)管注漿的加固措施對控制地基沉降有較好的效果。

（2）采用超前小導(dǎo)管加固后，最大地基沉降值比無加固措施情況下減少約25%。采用大管棚和超前小導(dǎo)管注漿聯(lián)合加固措施后，最大地基沉降值比無加固措施情況下減少約60%。與單獨(dú)采用超前小導(dǎo)管注漿加固相比，增加大管棚后加固效果更明顯。

（3）環(huán)狀土開挖引起的地基沉降約占總沉降值的50%～60%，核心土和下部臺階開挖引起的地基沉降分別占總沉降值的23%～35%和15%～20%。環(huán)狀土開挖是整個(gè)施工階段的關(guān)鍵工序。

（4）在采取綜合加固措施后，最終表面沉降比未采取加固措施時(shí)減少了18.5 mm。環(huán)狀土開挖后，聯(lián)合加固措施的地基沉降比未加固措施的地基沉降減少了12.7 mm。綜合加固措施主要抑制了環(huán)狀土開挖引起的地基沉降。

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