下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究

李 健，譚忠盛，喻 渝，倪魯肅

（1. 北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京 100044；2. 鐵道第二勘測設(shè)計院，成都 610031）

1 引 言

大跨隧道施工方法，國內(nèi)外從20世紀(jì)80年代后主要采用臺階分部、中壁法以及雙側(cè)壁法及環(huán)形開挖留核心土法開挖，而對于大跨黃土隧道施工，國內(nèi)成功采用預(yù)留核心土短臺階法解決開挖面積近140 m2大跨老黃土隧道施工（黃延高速公路道南隧道緊急停車帶），并在淺埋新黃土雙線鐵路隧道中采用 CRD法成功下穿既有鐵路（寶蘭鐵路新曲兒岔隧道）[1－2]。閿鄉(xiāng)隧道集大跨（跨度15.6 m）、淺埋（埋深10 m）、軟巖（Q3砂質(zhì)黃土地層）、下穿建構(gòu)筑物（連霍高速公路）等各種情況于一身，在國內(nèi)外尚無先例，因而，工程施工難度極大，工程施工安全的控制極其重要。按照工程要求實現(xiàn)安全和快速施工，需要對目前修建大跨隧道的主要施工方法進(jìn)行對比分析和綜合評價，在此基礎(chǔ)上提出合理的施工方法。

目前，國內(nèi)外學(xué)者雖然對隧道施工引起的地層變形和支護(hù)內(nèi)力的計算及其安全性評價進(jìn)行了大量的研究[3－9]，但針對黃土隧道施工不同施工工序及間距對地層變形影響，以及采用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬的相關(guān)研究，還未見相關(guān)文獻(xiàn)報道。本文將結(jié)合現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析兩種手段，對試驗段地表沉降、拱頂下沉及初支內(nèi)力等試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各個施工步開挖沉降所占比重。通過 FLAC3D軟件在已有監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行驗證計算，推導(dǎo)出符合理論計算的土體參數(shù)，并應(yīng)用于優(yōu)化施工方案中，驗證其控制地層變形效果。

2 工程概況

鄭西客運(yùn)專線閿鄉(xiāng)隧道位于鄭西客運(yùn)專線西段的靈寶市，隧道全長為770 m，為雙線大跨淺埋黃土隧道。隧道在以15°的小角度下穿連霍高速公路，下穿段長達(dá)270 m，并分為兩部分：正式下穿段為160 m，從公路正下方穿過，此段的埋深僅有10 m左右；兩側(cè)公路路塹邊坡下穿段，共計110 m，埋深為10～24 m。試驗段在公路邊坡一側(cè)，長40 m，隧道與高速公路具體位置關(guān)系見圖 1。隧道所處的地層為Q3砂質(zhì)黃土地層，土質(zhì)松散，土體穩(wěn)定性極差，而隧道開挖斷面特大（閿鄉(xiāng)隧道的最大開挖跨度為15.6 m、高為13.6 m，最大開挖面積達(dá)175 m2），施工難度極大。

圖1 隧道與高速公路位置關(guān)系Fig.1 Position relationship between tunnel and highway

與巖體相比，黃土土體強(qiáng)度低、變形大、自承能力小、工程性質(zhì)差，受水的影響十分強(qiáng)烈，一旦被水浸泡達(dá)到飽和狀態(tài)，其強(qiáng)度會明顯降低，工程性質(zhì)發(fā)生很大變化。在黃土隧道中，因其土質(zhì)比較松散，開挖后易形成分層坍塌，層厚一般為 20～60 cm之間，故需合適的施工工法。在試驗段將隧道的施工工法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改 CRD法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，具體施工流程簡化如下：

（1）先開挖右導(dǎo)坑上臺階，開挖高度為7 m，每次進(jìn)尺 0.8 m，開挖后立即進(jìn)行支護(hù)。仰拱開挖后立即支護(hù)閉合，并及時回填。

（2）開挖左導(dǎo)坑，開挖方法與右側(cè)相同，開挖面與右側(cè)維持相差10 m左右的間距。

（3）開挖中間部分土體，采用臺階法開挖，每次進(jìn)尺0.8 m，臺階長度為4 m左右，開挖約2 m后，下臺階與仰拱一次開挖，并及時閉合仰拱及回填。圖2為試驗段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖。

試驗段具體的支護(hù)參數(shù)如下：

（1）超前支護(hù)：采用壁厚為8 mm的?159 mm單層大管棚，管棚的間距為40 cm，在拱頂110°范圍施作，長度為70 m。掌子面采用?25 mm纖維錨桿，長為12 m，間距為1.2 m，梅花形布置。

（2）初期支護(hù)：采用I25a型鋼鋼架、掛網(wǎng)噴混凝土，鋼架間距為0.8 m。在邊墻采用?22 mm藥包錨桿加強(qiáng)支護(hù)，藥包錨桿長為4 m，間距為1.0 m，梅花形布置。

圖2 隧道施工步序圖（單位：mm）Fig.2 The excavation procedures of tunnel(unit :mm)

3 測點布置

3.1 地表與拱頂測點布置

地表與拱頂沉降布置，在試驗段共設(shè)置了8個地表沉降觀測斷面，每個斷面間隔為5 m，采用精密水準(zhǔn)儀測量，測量頻率1次/d，具體布置圖見圖3、4。

圖3 地表沉降監(jiān)測點布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for ground surface settlements

圖4 地表橫斷面測點布置圖Fig.4 Layout of lateral ground surface monitoring points

3.2 初支內(nèi)力測點布置

在 DK289+785斷面的鋼架共布設(shè)了 12處測點，每個測點的鋼架內(nèi)外側(cè)各布設(shè)1個應(yīng)變計測試鋼架應(yīng)力，共24個應(yīng)變計。在斷面內(nèi)側(cè)布設(shè)4個混凝土表面應(yīng)變計，測試噴混凝土的應(yīng)力，具體布置如圖5所示。

圖5 鋼拱架應(yīng)力測點布置圖Fig.5 Layout of stress measuring points on steel framework

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 拱頂及地表沉降分析

經(jīng)半年多時間的監(jiān)測，得到試驗段典型斷面拱頂下沉及地表沉降曲線如圖6所示。

由圖可以看出：

（1）隧道拱頂總沉降比地表總沉降小，拱頂沉降在310～460 mm之間，地表沉降在480～540 mm之間，拱頂總沉降為地表總沉降的65%～94%。

（2）左導(dǎo)洞超前右導(dǎo)洞5 m左右、超前中間土體 12 m左右。左導(dǎo)洞拱頂超前沉降占總沉降11%，左導(dǎo)洞地表超前沉降占總沉降18%；右導(dǎo)洞拱頂超前沉降占總沉降15%，右導(dǎo)洞地表超前沉降占總沉降22%；中間部分拱頂超前沉降占總沉降的72%，中間部分地表超前沉降占總沉降的58%，主要受兩側(cè)導(dǎo)洞開挖的影響。

圖6 隧道施工過程拱頂及地表沉降全位移歷時曲線Fig.6 Vault and ground settlements time history curves during tunnel construction progress

（3）左、右導(dǎo)洞上下臺階法開挖，拱頂沉降的超前影響距離均為4 m左右，地表沉降的超前影響距離均為8 m左右；中間土體3臺階法開挖，拱頂沉降的超前影響距離為8 m左右，地表沉降的超前影響距離為12 m左右。

（4）地表沉降與拱頂沉降曲線規(guī)律一致，在側(cè)導(dǎo)洞開挖到 DK298+780斷面之后到中間土體也開挖到該斷面時，這段時間內(nèi)發(fā)生較大沉降，占總沉降的65%～80%，中間部分土體開挖引起的沉降占15%～20%，全斷面封閉后的沉降僅占3%。

4.2 初支內(nèi)力分析

鋼架應(yīng)力的時間歷時曲線如圖7所示，應(yīng)力分布如圖8所示，混凝土應(yīng)力如圖9所示。

由圖7～9可以看出：

（1）初支鋼架的拱頂內(nèi)外側(cè)均受拉，其他部分鋼架內(nèi)外側(cè)均為受壓。拱頂應(yīng)力大小在20 MPa左右；右導(dǎo)坑拱頂壓應(yīng)力最大，達(dá)-182.1 MPa；邊墻應(yīng)力大小達(dá)-81 MPa；仰拱中間受力較小、兩側(cè)受力較大達(dá)98 MPa。

（2）先開挖左右導(dǎo)洞的鋼架受中間部開挖影響明顯，中間拱部土體的開挖能使兩側(cè)導(dǎo)洞鋼架的應(yīng)力改變10～40 MPa。

（3）全斷面封閉能使鋼架應(yīng)力穩(wěn)定，在拆除臨時支撐的雙側(cè)壁時，斷面鋼架應(yīng)力會有明顯變大，直到二襯施工完成后才最終穩(wěn)定（9月底施作二襯）。

圖9 DK298+785斷面混凝土應(yīng)力時態(tài)曲線Fig.9 Time history curves of stress in concrete at section DK298+785

（4）拱頂混凝土受拉，拉應(yīng)力大小在1.8 MPa左右；拱腰處（接近側(cè)導(dǎo)洞拱頂）混凝土受壓，壓應(yīng)力為-7 MPa左右；仰拱處的噴混凝土受壓，應(yīng)力在4 MPa左右。

（5）由鋼架應(yīng)力和噴混凝土應(yīng)力的測試結(jié)果可知，鋼架與噴混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律一致，但鋼架應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴混凝土應(yīng)力，鋼架應(yīng)力大約是噴混凝土應(yīng)力的10倍。

4.3 試驗段施工分析

為了得到隧道施工過程拱頂?shù)某两狄?guī)律以及拱頂沉降與地表沉降的關(guān)系，根據(jù)圖6中數(shù)據(jù)計算出各開挖步產(chǎn)生的沉降及比例，見表1。

表1 各開挖步產(chǎn)生的沉降及比例（單位：mm）Table 1 Amount and proportion of settlement in every excavation step (unit: mm)

由表1可知，試驗段地表沉降并沒有得到很好的控制，按照試驗段施工方案很難達(dá)到下穿段要求的50 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)[10]，從而通過分析數(shù)據(jù)提出以下優(yōu)化措施：

（1）由于側(cè)導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生的沉降所占的比例最大，因此，為了控制沉降，兩側(cè)導(dǎo)洞開挖時分為 4步（即3個臺階和仰拱），減小了每步的開挖面積，并預(yù)留核心土，減小上中臺階長度，上臺階長度為2.4～3 m，中臺階長度為2.4～3 m，下臺階長度為5 m左右，這樣能有效地控制掌子面的穩(wěn)定，減小施工對地表的影響。

（2）中間土體開挖基本上與試驗段一樣，也是分上中下3臺階開挖，改進(jìn)的是在開挖上臺階時預(yù)留核心土，以及中下臺階同時開挖。這樣能有效地控制掌子面的穩(wěn)定，并快速地封閉仰供，減小地表的沉降。

（3）為了能快速封閉開挖面，減少開挖面暴露的時間，減少地應(yīng)力的釋放，從而減小地表沉降，開挖進(jìn)尺由原來的0.8 m減小為0.6 m。

（4）側(cè)導(dǎo)洞下臺階及仰供、中間土體上中下臺階都采用機(jī)械開挖，這樣有利于快速施工，快速封閉仰供，能更有效地控制地表沉降。

（5）在閿鄉(xiāng)隧道施工中，初期支護(hù)的剛度對地層變形有較大影響，一方面由于采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，當(dāng)施作兩側(cè)弧形導(dǎo)坑內(nèi)的鋼架時，很難將其控制在同一平面內(nèi)，使得頂部弧形導(dǎo)坑開挖后，鋼架無法連成整體，支護(hù)承載能力大大降低；另一方面由于隧道上方的高速公路經(jīng)常有重載車輛通行，而埋深只有10 m。故采用加密鋼架、雙層初支的措施加強(qiáng)初期支護(hù)，其中第2層初支采用格柵噴混凝土有利于使兩層支護(hù)緊密黏結(jié)，能比模筑混凝土更快地提供剛度；同時，由于試驗段沒有進(jìn)行初支背后填充注漿而使地表沉降很大，因此，在下穿段必須增加初支背后的填充注漿。

5 數(shù)值分析

為了論證優(yōu)化施工方案對地層變形的控制效果，進(jìn)一步深入研究優(yōu)化施工工序下各施工步的開挖對土體變形計結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，利用三維有限差分軟件FLAC3D，根據(jù)實際開挖步驟，對隧道施工全過程采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行動態(tài)模擬[11－12]。

5.1 模型的建立

在有限元計算中，邊界約束條件對計算結(jié)果影響較大，根據(jù)潘昌實等[13－14]的研究，本次計算范圍選取為：試驗段上部取至地表24 m，下穿段取至地表10 m；左右部及下部邊界取至離隧道外緣周邊2倍洞徑，約30 m，模型長為30 m；左右為水平約束邊界，下部為垂直約束邊界，地表為自由邊界；試驗段模型每施工步臺階長度為4 m，每次進(jìn)尺為0.8 m，下穿段模型每施工步臺階長度為2.4 m，每次進(jìn)尺0.6 m，研究斷面取在距前邊界10 m處。計算中用8節(jié)點六面體實體單元模擬圍巖、初期支護(hù)及臨時支護(hù)，管棚的作用采用等效方法予以考慮，將管棚的彈性模量折算給地層[15]。下穿段計算模型總單元數(shù)為68 160個，總節(jié)點數(shù)為71 126個。

5.2 圍巖與支護(hù)參數(shù)

計算模型中，對錨桿加固的土體圍巖，按經(jīng)驗采取提高其c，?值來加以仿真模擬[16－17]，圍巖及支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。在試驗段模型計算時，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對圍巖物性指標(biāo)彈性模量E進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)模型計算結(jié)果中地層變形及初支應(yīng)力與監(jiān)測數(shù)據(jù)相同時，將該物性指標(biāo)用于下穿段優(yōu)化施工的模型計算中，以保證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。

表2 圍巖物性指標(biāo)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of ground and support

5.3 結(jié)果分析

（1）拱頂沉降分析

分析計算結(jié)果，得到每步開挖造成的沉降量及占總沉降量的比例，如圖10和表3所示。

由圖9及表3可以發(fā)現(xiàn)：

①隨著開挖推進(jìn)，在20 m距離以前，沉降逐漸增長；之后拱頂沉降趨于收斂；

②初期支護(hù)拱頂沉降不大，最終拱頂沉降值約為47 mm；由于開挖跨度大，開挖跨度D =16 m，故收斂距離約在1.5D左右；

圖10 初期支護(hù)拱頂沉降變化曲線圖Fig.10 Vault settlement curve of primary support

表3 各工序開挖階段造成的沉降及其比例 (單位：mm)Table 3 Amount and proportion of settlement caused by every excavation procedure (unit: mm)

③前4步工序造成的拱頂沉降為17 mm左右，占總沉降的并不大，說明減小開挖面積、小步距開挖、早封閉的優(yōu)化施工方式取得了預(yù)期的效果。在后4步工序中要注意控制整體沉降，可以采用對鋼架拱腳進(jìn)行加固的方式，加固方法為增設(shè)鎖腳錨管（4根）、大拱腳、牛腿和槽鋼墊板。

（2）初支內(nèi)力分析

分析計算結(jié)果，得到最終初期支護(hù)應(yīng)力及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，如表4所示。

表4 初期支護(hù)最終應(yīng)力（單位：MPa）Table 4 Final stresses of primary support (unit: MPa)

由表可以發(fā)現(xiàn)：

①初期支護(hù)在施工過程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中，拉壓應(yīng)力集中均發(fā)生在供腳、墻腳。

②施工過程中，最大主應(yīng)力為11.9 MPa，最小主應(yīng)力為-13.4 MPa，小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗段鋼架實測內(nèi)力，符合安全性要求。

6 工程應(yīng)用

采用施工優(yōu)化方案后，下穿段隧道成功穿越連霍高速公路，并且地表沉降得到了有效控制。

由圖11、12可以得到：截止閿鄉(xiāng)隧道順利貫通，測點的地表沉降最大值在為56 mm（因為下穿段施工施做雙層管棚，所以停工 1個月，處于正上方DK298+885處地表沉降累積值較大），沉降最大的測點距隧道全斷面封閉距離為 20 m，并且收斂較快，在開挖后2D范圍距離處收斂穩(wěn)定，不會再發(fā)生較大的變化，滿足行車要求。

圖11 高速公路路面測點沉降歷時曲線Fig.11 Settlement time history curves of spots on expressway

圖12 高速公路隔離帶測點沉降歷時曲線Fig.12 Settlement time history curves of spots on sides of expressway

7 結(jié) 論

（1）為了穩(wěn)定淺埋大跨黃土隧道掌子面，防止塌方，必須減小每步的開挖面積，將側(cè)導(dǎo)洞分上、中、下臺階及仰拱開挖，中間土體分上、中、下臺階開挖，且上臺階預(yù)留核心土；同時，采用雙層初期支護(hù)，提高初期支護(hù)剛度以控制地層變形；采用人工和機(jī)械相結(jié)合的開挖方法，實現(xiàn)快速施工、快速封閉仰供，能更有效地控制地表沉降。閿鄉(xiāng)隧道下穿段采用優(yōu)化設(shè)計方案后，地表沉降基本被控制在50 mm以內(nèi)。

（2）加快開挖面封閉、導(dǎo)洞斷面封閉、隧道全斷面封閉，能非常有效地控制地表沉降。從大量黃土隧道的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，斷面封閉后的沉降占總沉降10%以下，閿鄉(xiāng)隧道試驗段仰供封閉后的地表沉降占總沉降不到 5%，而且斷面封閉后很快穩(wěn)定。因此，斷面的及時封閉對控制地表沉降十分重要。

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