大跨隧道超淺埋段護(hù)拱反吊暗挖法設(shè)計(jì)及作用分析

呂勇剛，秦輝輝

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088;2.北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

0 引言

在高速公路、鐵路修建中，單座隧道同時(shí)下穿數(shù)座山嶺的情況時(shí)有發(fā)生。受地形條件及平縱線型指標(biāo)等因素的影響，隧道中部?jī)缮介g的溝谷部位往往出現(xiàn)超淺埋甚至部分露頭的情況，而溝谷部位往往是地質(zhì)條件極差、斷層破碎帶發(fā)育、地表匯水集中的地帶。在以往工程案例中多采用明(蓋)挖方式［1-3］或者半明半暗開(kāi)挖技術(shù)［4］通過(guò)淺埋沖溝地段。但明(蓋)挖施工及半明半暗開(kāi)挖往往因受地形條件限制、交通不便、征地量大、環(huán)境破壞嚴(yán)重等因素的影響而難以實(shí)施，亟需一種安全高效的暗挖技術(shù)來(lái)解決此類工程難題。

以往關(guān)于大跨隧道暗挖穿越溝谷地段的研究和工程實(shí)踐，取得了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。單士軍等［5］結(jié)合羊臺(tái)山隧道，介紹客運(yùn)專線隧道采用地表加固與洞內(nèi)控制爆破施工相結(jié)合的方法順利通過(guò)暗挖淺埋段;張英才［6］以函谷關(guān)隧道下穿新黃土沖溝為例，介紹了采用水泥回填及混凝土咬合樁打設(shè)加固沖溝，洞內(nèi)小導(dǎo)管注漿加固洞周的方法成功穿越?jīng)_溝的施工方法。但這些案例僅采用對(duì)地表及土層的普通加固方案，且論述大多局限于對(duì)施工方案的描述，未對(duì)工程方案進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析，揭示作用機(jī)制。本文結(jié)合二廣高速大崛坑1號(hào)隧道超淺埋沖溝段復(fù)雜地質(zhì)條件，提出護(hù)拱反吊法加固地層，采用暗挖法通過(guò)沖溝段的方案，并結(jié)合數(shù)值分析揭示其作用機(jī)制。

1 工程概況

大崛坑1號(hào)隧道位于二廣高速懷集至三水段，按設(shè)計(jì)速度80 km/h，雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)［7］，為上下行分離式長(zhǎng)隧道。隧道最大埋深126.5m，左線隧道長(zhǎng)約955 m，右線隧道長(zhǎng)1 052 m，單洞最大開(kāi)挖跨度為16.61m，最大開(kāi)挖高度為11.51m，屬大跨扁平隧道。隧道地質(zhì)條件非常差，95%長(zhǎng)度為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，為全線工期控制性工程之一。

該隧道在樁號(hào)ZK45+560處橫穿一大型山間溝谷(如圖1所示)，該處左線隧道最小埋深僅1.8 m。溝谷兩側(cè)地形較陡，植被發(fā)育;溝谷地表有常年溪流，雨季短時(shí)匯水量非常大。該淺埋段圍巖為全-強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖和千枚巖夾薄層煤層，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造硅化帶(震旦紀(jì)與三疊紀(jì)的接觸帶F3)影響，巖石破碎，裂隙發(fā)育，巖石呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)，且由于地表水下滲呈飽和狀態(tài)，圍巖自承能力非常差，為Ⅴ級(jí)圍巖。

圖1 大崛坑1號(hào)隧道中部超淺埋段平面布置圖Fig.1 Plan layout of super-shallow-covered middle section of Dajuekeng No.1 tunnel

2 超淺埋段設(shè)計(jì)思路

根據(jù)該超淺埋沖溝段地質(zhì)及埋深情況，不考慮外部條件，采用明挖法安全且經(jīng)濟(jì)，是不二的選擇。但由于該溝谷距離既有道路達(dá)2 km，如采用明挖法需修建進(jìn)場(chǎng)便道，工程代價(jià)及社會(huì)影響非常大，故最終選用暗挖方案，并采用護(hù)拱反吊、里外兼治的綜合加固方法。主要思路如下:

1)地表水處治。溝谷地表有常年溪流，通過(guò)設(shè)置混凝土梯形溝，避免地表水漫流及下滲，為暗挖創(chuàng)造有利的施工條件。

2)創(chuàng)造進(jìn)場(chǎng)條件。由于外部施工便道難以解決，通過(guò)在左線隧道設(shè)置臨時(shí)導(dǎo)坑及豎井連通沖溝地表，利用該臨時(shí)通道實(shí)現(xiàn)地表作業(yè)所需小型機(jī)具、材料的輸送及人員的進(jìn)出。

3)地表預(yù)加固。針對(duì)沖溝段斷層破碎帶圍巖松散破碎、注漿固結(jié)效果較理想的特點(diǎn)，采用地表小導(dǎo)管注漿措施改善圍巖力學(xué)性能，提高圍巖自成拱能力，同時(shí)起到止水防滲的作用。

4)護(hù)拱反吊。在沖溝地表施作鋼筋網(wǎng)混凝土護(hù)拱。一方面，將鋼筋網(wǎng)片與地表注漿小導(dǎo)管預(yù)留桿體焊接，使護(hù)拱與注漿小導(dǎo)管及固結(jié)改良圍巖一起形成反吊體系;另一方面護(hù)拱作為地表注漿預(yù)加固的止?jié){盤，阻止地表水下滲。

5)加強(qiáng)支護(hù)。洞內(nèi)采用強(qiáng)有力的襯砌形式及超前預(yù)支護(hù)手段，確保結(jié)構(gòu)安全。

6)施工控制。洞內(nèi)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖及臨時(shí)支護(hù)，加強(qiáng)施工過(guò)程監(jiān)控量測(cè)。

3 護(hù)拱反吊法方案

3.1 護(hù)拱設(shè)計(jì)

對(duì)超淺埋段隧道軸線左右各14 m范圍地表順地形等高線澆筑40 cm厚C20雙層鋼筋網(wǎng)混凝土護(hù)拱，如圖2和圖3所示。

圖2 超淺埋沖溝段護(hù)拱設(shè)計(jì)平面圖Fig.2 Plan of protection arch of super-shallow-covered tunnel section

圖3 超淺埋沖溝段護(hù)拱設(shè)計(jì)縱斷面圖Fig.3 Longitudinal profile of protection arch of super-shallowcovered tunnel section

3.2 地表注漿設(shè)計(jì)

ZK45+545～+575段隧道軸線左右各12 m范圍采用直徑50 cm×4mm小導(dǎo)管進(jìn)行地表注漿，間距為2 m×2 m，采用梅花形布置。其中ZK45+553～+567超淺埋段注漿管出露至護(hù)拱表面，與護(hù)拱結(jié)合成為整體。隧道側(cè)部注漿管深至隧道起拱線位置，拱部注漿管深至隧道開(kāi)挖輪廓線外50 cm。對(duì)于護(hù)拱范圍內(nèi)的注漿管，尾部50 cm不設(shè)壓漿孔，對(duì)于護(hù)拱范圍外的注漿管，小導(dǎo)管尾部2.5 m不設(shè)壓漿孔作為止?jié){段。由于溝底超淺埋段圍巖飽和富水，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，對(duì)于溝底外的淺埋段，視地下水的富水情況，以保證注漿效果為前提可在單液漿和雙液漿間做選擇。

為防止注漿過(guò)程中管孔縫隙往上返漿或?qū)Φ乇憩F(xiàn)澆混凝土護(hù)拱止?jié){盤造成隆起破壞而影響注漿效果，注漿前應(yīng)進(jìn)行沖孔，注漿后應(yīng)對(duì)孔口進(jìn)行夯實(shí)封閉，對(duì)管孔縫隙采用CS膠泥和速凝砂進(jìn)行糊縫處理并設(shè)置止?jié){環(huán)。

3.3 施工方案

1)洞內(nèi)由ZK45+536起在拱部提前施作2m寬先行導(dǎo)坑，通至ZK45+555溝谷地面向洞外輸送風(fēng)、水、電、人員及相關(guān)設(shè)備材料。

2)施作洞外改溝工程。

3)打設(shè)注漿管、施作地表護(hù)拱、施作地表注漿。

4)上述3步施作時(shí)，洞內(nèi)同步進(jìn)行暗洞的開(kāi)挖至ZK45+545處，內(nèi)、外雙工作面同時(shí)作業(yè)。

5)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行下穿沖溝段暗挖施工。

3.4 洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)ZK45+545～+575段襯砌結(jié)構(gòu)采用Ⅴ級(jí)加強(qiáng)型進(jìn)行支護(hù)，并通過(guò)有效的超前預(yù)支護(hù)措施確保暗挖施工安全［8］。主要支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZK45+545～+575段結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)表Table 1 Support parameters of tunnel section from ZK45+545 to ZK45+575

3.5 施工效果

超淺埋段在洞頂溝底護(hù)拱及地表注漿施作后，經(jīng)暗挖施工揭示:該溝谷F3斷層部位的松散破碎圍巖注漿固結(jié)反吊及堵水效果良好，洞內(nèi)圍巖干燥穩(wěn)定，為洞內(nèi)施工提供了一個(gè)良好的環(huán)境。經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，如ZK45+560斷面最終地表沉降值在2 cm內(nèi)(如圖4所示)。

通過(guò)采用護(hù)拱反吊法加固地層，整個(gè)淺埋溝谷段的暗挖施工進(jìn)展十分順利，相比傳統(tǒng)的明挖法大大節(jié)約了工期及臨時(shí)工程費(fèi)用，也取得了非常好的社會(huì)效益。

4 數(shù)值模型

4.1 基本假定

采用有限差分程序FLAC3D，基于以下基本假定開(kāi)挖動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬:

1)假定土層成層均質(zhì)水平分布，采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算，且地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化;

2)初期襯砌及地表鋼筋混凝土護(hù)拱采用殼單元模擬，地表注漿小導(dǎo)管采用cable單元模擬;

3)不考慮隧道開(kāi)挖對(duì)土體力學(xué)指標(biāo)的影響。

圖4 ZK45+560斷面地表變形曲線Fig.4 Surface deformation curve of ZK45+560

4.2 計(jì)算模型及計(jì)算工況

計(jì)算采用大崛坑1號(hào)隧道超淺埋沖溝段隧道設(shè)計(jì)斷面，根據(jù)圣維南原理，取計(jì)算模型長(zhǎng)90 m，寬50 m，豎直向上沿山體走勢(shì)取至地表，豎直向下取至距隧道中心線45 m，整個(gè)模型共劃分18 800個(gè)單元和23 012個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用位移邊界作為邊界條件，除上表面外，其余各外表面均按約束法線方向的位移。模擬過(guò)程中簡(jiǎn)化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺2.5 m，依次開(kāi)挖兩側(cè)導(dǎo)坑①、核心土上臺(tái)階②、核心土下臺(tái)階③、開(kāi)挖步距取5 m［9］。圖5為隧道模擬開(kāi)挖工序及模型網(wǎng)格。

圖5 開(kāi)挖工序及模型網(wǎng)格圖Fig.5 Excavation sequence and model grid

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，采用計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of strata

為比較分析護(hù)拱反吊法對(duì)地層加固作用及反吊作用，模擬以下2種工況:1)工況1。普通地層條件下隧道開(kāi)挖過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬;2)工況2。采用護(hù)拱反吊法加固后隧道開(kāi)挖過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 圍巖變形

圖6為2種工況下超淺埋段地層沉降變形云圖，比較分析，可以得出:

1)超淺埋段工況1拱頂最大沉降達(dá)62.86 mm，地表沉降達(dá)50 mm，工況2拱頂最大沉降17.84 mm，地表沉降最大達(dá)14 mm，由此可見(jiàn)，護(hù)拱反吊法對(duì)控制拱頂沉降效果明顯。且在實(shí)際施工中，超淺埋段若產(chǎn)生63 mm的拱頂沉降，極易發(fā)生坍塌事故。

2)超淺埋段工況1拱底隆起53.6 mm，工況2拱底隆起53.84 mm，可見(jiàn)，護(hù)拱反吊法對(duì)控制拱底隆起作用不大。

圖6 超淺埋段地層沉降示意圖Fig.6 Ground settlement of super-shallow-covered tunnel section

5.2 塑性區(qū)分布

圖7為2種工況下隧道開(kāi)挖超淺埋地段圍巖塑性區(qū)分布示意圖，比較分析，可以得出:

1)隧道開(kāi)挖到超淺埋段，掌子面正前方塑性區(qū)范圍工況2略小于工況1，掌子面前方上部塑性區(qū)范圍工況2遠(yuǎn)小于工況1，且已開(kāi)挖完成段隧道周邊圍巖塑性區(qū)工況2遠(yuǎn)小于工況1。

2)護(hù)拱反吊加固能夠有效抑制塑性區(qū)發(fā)展，對(duì)地層加固作用明顯。

圖7 開(kāi)挖到超淺埋段圍巖塑性區(qū)分布示意圖Fig.7 Distribution of plasticized zone when the excavation reaching the super-shallow-covered section

5.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表小導(dǎo)管受力

圖8—10為2種工況下超淺埋地段支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表小導(dǎo)管受力示意圖，比較分析，可以得出:

1)2種工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力最大值均發(fā)生在拱腳位置，拱腳為整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的最不利受力位置，設(shè)計(jì)施工中應(yīng)予以注意。

2)工況1大主應(yīng)力最大值為7.7MPa，工況2大主應(yīng)力最大值為4.56 MPa，支護(hù)結(jié)構(gòu)各處大主應(yīng)力工況2均小于工況1，可見(jiàn)護(hù)拱反吊結(jié)構(gòu)能有效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

3)由圖10可以看出，隧道拱頂上部小導(dǎo)管承受拉力，最大值為49 kN，護(hù)拱兩側(cè)隧道范圍外小導(dǎo)管承受壓力。

4)護(hù)拱反吊體系不僅可以加固地層，而且還對(duì)隧洞上部土層具有較好的反吊作用，地表混凝土結(jié)構(gòu)起到反吊梁的作用，護(hù)拱中間部分小導(dǎo)管通過(guò)注漿產(chǎn)生摩擦力對(duì)隧道上部土體起到反吊作用，因此受拉，護(hù)拱兩側(cè)小導(dǎo)管對(duì)地表護(hù)拱梁起到支撐作用，因此受壓。

圖8 超淺埋段工況1支護(hù)結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力σ1Fig.8 Major principal stressσ1 on support structure of supershallow-covered tunnel section in case 1

圖9 超淺埋段工況2支護(hù)結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力σ1Fig.9 Major principal stressσ1 on support structure of supershallow-covered tunnel section in case 2

圖10 工況2地表小導(dǎo)管軸力示意Fig.10 Axial force of small duct on ground surface in case 2

6 結(jié)論與討論

1)經(jīng)大崛坑1號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn):整個(gè)超淺埋段地表沉降及水平收斂等均在正常范圍內(nèi)，且較三維分析值略小，暗挖施工質(zhì)量及施工進(jìn)度都得到很好的保證。該護(hù)拱反吊法暗挖方案，在施工實(shí)踐中取得良好效果。

2)利用三維數(shù)值模擬，分析得出護(hù)拱反吊方案能夠很好地降低拱頂沉降，抑制塑性區(qū)發(fā)展，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀況。

3)護(hù)拱反吊綜合加固法作用機(jī)制:一方面，通過(guò)地表注漿固結(jié)超淺埋段拱墻部及周邊巖體，改善圍巖力學(xué)性能，形成自成拱能力;另一方面，通過(guò)地表鋼筋混凝土充當(dāng)反吊梁，護(hù)拱兩側(cè)部分小導(dǎo)管充當(dāng)支撐，護(hù)拱中部小導(dǎo)管形成懸吊體系，從而有效抑制隧道上部巖體下沉，抑制塑性區(qū)發(fā)展，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

4)護(hù)拱反吊法不僅能夠加固地層，而且能夠形成反吊體系，確保超淺埋段暗挖施工安全，為類似工程提供借鑒。

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