淺埋大跨黃土隧道下穿公路方案比選

王文勝

(中鐵十一局集團(tuán) 第一工程公司，湖北 襄陽(yáng) 441104)

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淺埋大跨黃土隧道下穿公路方案比選

王文勝

(中鐵十一局集團(tuán) 第一工程公司，湖北 襄陽(yáng) 441104)

以大跨黃土隧道下穿公路安全施工為背景，對(duì)隧道下穿公路的安全施工方案進(jìn)行研究?；诠仿访嫫茡p指數(shù)與下穿公路施工風(fēng)險(xiǎn)事件引起路面最大沉降之間的關(guān)系確定了隧道下穿施工可能引起的路面最大允許沉降量，并據(jù)此制定出施工管理基準(zhǔn)，對(duì)比分析了CRD和CD法引起的隧道拱頂沉降、地表最大沉降、支護(hù)受力和隧道周邊地層塑性區(qū)特征，建議采用CD法進(jìn)行下穿施工。下穿孫辛路施工監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用CD法保證了隧道施工安全和孫辛路的正常通行。

路面破損指數(shù)(PCI)；大跨黃土隧道；下穿施工；施工方案比選；地表下沉

1 工程概況

周山隧道位于洛陽(yáng)市高新區(qū)后五龍溝村與周山森林公園之間，為保護(hù)周山森林公園環(huán)境，改善既有孫辛路的縱坡通行條件，并結(jié)合環(huán)城路的下穿周山而建。隧道分離式雙向六車道，最大開(kāi)挖跨度16.2 m，開(kāi)挖高度12.0 m，最大埋深72 m，平均埋深40～45 m。隧道下穿山頂分布有工廠廠房及村莊民房、高壓線電塔，下穿既有交通量較大的孫辛路。在下穿孫辛路施工過(guò)程中，需保證孫辛路的正常通行和隧道本身施工安全。

雖然隧道下穿建筑物、公路等構(gòu)筑物的工程案例有很多[1-3]，但由于周山隧道跨度大，圍巖主要為黃土地層，且通行車輛均為重載車輛，如混凝土罐車、運(yùn)送鋼筋、水泥及鋼架的車輛，且這些車輛還常常超載嚴(yán)重，因此仍需要對(duì)下穿公路的隧道合理的施工方案進(jìn)行研究。為此，首先根據(jù)公路路面及通行車輛具體情況確定路面允許沉降量，即路面沉降標(biāo)準(zhǔn)，然后依據(jù)沉降標(biāo)準(zhǔn)比選合理的隧道施工方案。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

地表為雜填土，褐黃色，主要成分為粉質(zhì)黏土，厚度1.3～2.4 m。下部主要為第四系全新統(tǒng)褐黃色、硬塑狀、發(fā)育針狀孔隙及白色網(wǎng)紋的粉質(zhì)黏土，主要分布于隧道洞身及上部，其間夾有鈣質(zhì)膠結(jié)層，位于隧道上方。距仰拱5.2 m處以下均為泥質(zhì)砂巖及泥巖互層，風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育。

隧址區(qū)地表水不發(fā)育，主要受降水補(bǔ)給，沿山溝排泄?？碧狡陂g勘探深度內(nèi)未見(jiàn)地下水，但雨季可能存在第四系松散層孔隙潛水及基巖裂隙水。

3 路面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

式中，Rd為路面破損率；Ap為調(diào)查路段內(nèi)的折合破損面積；A為調(diào)查路段的路面總面積 ；L為調(diào)查路段的長(zhǎng)度；B為調(diào)查路段寬度，取隧道掘進(jìn)坑道影響寬度B1，和路面行車道B0兩者中最小值，即B=min(B1，B0)；A沉、A轍、A坑分別為沉陷破損、車轍破損、坑槽破損的實(shí)際面積；K沉、K轍、K坑分別為沉陷破損、車轍破損、坑槽破損嚴(yán)重程度的換算系數(shù)，參照表1取值。

表1 瀝青路面破損分類和換算系數(shù)

將路面質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、次、差5個(gè)等級(jí)來(lái)對(duì)路面狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)建立隧道施工引起地表路面破壞的風(fēng)險(xiǎn)事件導(dǎo)致的地表最大沉降值與路面狀況指數(shù)PCI之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)路面允許的最大沉降量作為瀝青路面破損控制的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

依據(jù)PCI的大小將路面質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、次、差5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)路面狀況指數(shù)分別為PCI≥85，PCI≥70，PCI≥55，PCI≥40。對(duì)已出現(xiàn)破損的路面進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法，屬事后調(diào)查，破損面積均以實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算。而研究瀝青路面破損控制標(biāo)準(zhǔn)，屬事前預(yù)測(cè)，破損面積需要通過(guò)理論計(jì)算獲得[7-8]。假設(shè)暗挖隧道引起的地表沉降曲線符合Peck公式的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]得到了隧道施工可能引起的最大沉降量與路面破損指數(shù)間的關(guān)系

式中，S0為正常施工產(chǎn)生的最大沉降值；η為路面可能出現(xiàn)坑槽破損面積與總路面面積之比，工程實(shí)踐表明，瀝青路面出現(xiàn)坑槽破損的概率很小，對(duì)Rd數(shù)值的影響不到1%，計(jì)算中取0.01[10-11]；L為隧道掘進(jìn)影響公路的長(zhǎng)度，L=152 m；B為路面寬度，B=17 m；i為沉降槽彎沉寬度之半[12]，即

式中，Z0為隧道斷面中部至地表距離，Z0=38 m；D為隧道等效直徑，D=15.8 m，則i=20. 0 m。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)事件中路面沉降與路面狀況指數(shù)的關(guān)系

在隧道施工過(guò)程中，即使不發(fā)生事故，正常掘進(jìn)也會(huì)使地表產(chǎn)生一定的沉降變形，隧道正常施工時(shí)，隧道拱頂?shù)牡乇沓两盗繛镾0為

式中，v0為隧道施工過(guò)程中的土體損失率，對(duì)松散黃土地層，取4.5%，則S0=17.6 mm。

在最不利情況下，如表1，K沉、K轍及K坑均取1.0，則最大沉降量與PCI的關(guān)系曲線如圖1。

從圖1可以看出，當(dāng)路面狀況指數(shù)PCI大于75時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)事件導(dǎo)致的地表最大沉降值Smax變化較小；當(dāng)PCI處于75和65之間時(shí)，地表最大沉降值Smax開(kāi)始顯著增大；而PCI小于65之間的時(shí)，Smax開(kāi)始急劇放大，此時(shí)可能是洞內(nèi)出現(xiàn)坍塌引起。當(dāng)PCI≥70時(shí)，路面質(zhì)量處于良好狀況，即風(fēng)險(xiǎn)事件導(dǎo)致的地表最大沉降值Smax處于一種風(fēng)險(xiǎn)可控的范圍，因而以PCI=70時(shí)的沉降量[U]=33.6 mm作為隧道下穿孫辛路的控制指標(biāo)。

為了保證周山隧道下穿孫辛路施工過(guò)程中重載車輛能夠順利通行，要求路面破損指數(shù)PCI≥70，此時(shí)最大沉降量[U]=33.6 mm。由此可以根據(jù)隧道下穿孫辛路過(guò)程中路面實(shí)測(cè)位移U確定隧道施工管理基準(zhǔn)：

4 合理施工方案的確定

4.1 計(jì)算方案的確定

這里對(duì)CRD法和CD法進(jìn)行施工過(guò)程的力學(xué)分析，對(duì)比兩種施工方案引起的路面沉降和支護(hù)受力。

以隧道右線隧道下穿孫辛路中心里程YK3+10前后共72 m范圍建立三維數(shù)值模型。孫辛路與隧道軸線夾角約22°，路面寬度按17 m考慮。路面車輛荷載一般按均布荷載P=20 kPa考慮[11]。由于施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)有嚴(yán)重超載的運(yùn)送鋼筋及水泥的車輛，還有運(yùn)輸混凝土的罐車，因而取車輛地表荷載P=30 kPa，按道路走向滿布于整個(gè)道路范圍。

4.2 計(jì)算模型及參數(shù)

埋深約36 m，地層主要為粉質(zhì)黏土、鈣質(zhì)膠結(jié)層和風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。超前支護(hù)采用注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)，將其等效為加固區(qū)考慮。小導(dǎo)管超前支護(hù)每一個(gè)循環(huán)的長(zhǎng)度4.8 m，搭接2.8 m。隧道開(kāi)挖進(jìn)尺為0.6 m，支護(hù)采用C25噴混凝土厚28 cm，間距為60 cm的工字鋼20b拱架。模型中采用實(shí)體單元模擬地層和預(yù)支護(hù)加固區(qū)，采用實(shí)體單元模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)。數(shù)值模型寬80 m，沿隧道軸線方向長(zhǎng)72 m，高79.1 m。單元?jiǎng)澐趾蟮哪Ｐ图皵嗝婢植繄D如圖2。

將鋼架和噴混凝土層作為均勻的初期支護(hù)來(lái)考慮，通過(guò)提高支護(hù)單元的力學(xué)指標(biāo)的方法間接考慮鋼架的作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示出的地層情況及勘察資料確定模型計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 地層和支護(hù)的物理力學(xué)性能指標(biāo)

圖2模型中上部地層為粉質(zhì)黏土地層與鈣質(zhì)膠結(jié)層互層，厚度從上而下分別為15 m、7 m、7 m和8 m，隧道洞身為粉質(zhì)黏土，其下為老黃土。

4.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4.3.1 隧道拱頂及地表路面沉降對(duì)比

模型中部斷面處，隧道兩種工法施工過(guò)程中拱頂沉降及地表沉降隨計(jì)算步的變化曲線如圖3。

圖2 計(jì)算模型示意圖

圖3 兩種工法的隧道拱頂及地表沉降曲線

從圖3可以看出：CRD和CD法引起的地表沉降均處于管理基準(zhǔn)Ⅲ；和CRD工法相比，CD工法臨時(shí)支護(hù)由于取消了橫向臨時(shí)支撐，支護(hù)剛度有一定程度的下降，CD法拱頂沉降(52.9 mm)比CRD法拱頂沉降(50.0 mm)增大10.5%。CRD和CD工法引起的最大沉降位移分別為22.6 mm和26.5 mm，CD法的地表沉降增大了17.3%。

4.3.2 隧道支護(hù)應(yīng)力對(duì)比分析

CRD和CD兩種工法施工過(guò)程中隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)位處：拱頂(00)、兩側(cè)拱腰(L1、R1)、兩側(cè)拱腳(L2、R2)、兩側(cè)墻中(L3、R3)和兩側(cè)墻腳(L4、R4)的第1主應(yīng)力(S1)和第3主應(yīng)力(S3)的歷程曲線分別如圖4和圖5。

圖4 CRD法支護(hù)各點(diǎn)主應(yīng)力曲線

圖5 CD法支護(hù)各點(diǎn)主應(yīng)力曲線

對(duì)比圖4和圖5可以看出：

(1) CRD法支護(hù)中右側(cè)拱腰(L1S1)拉應(yīng)力最大(7.18 MPa)，其次為左側(cè)拱腰處和拱頂處。CD法支護(hù)中最大拉應(yīng)力仍出現(xiàn)在右側(cè)拱腰(L1S1)，最大拉應(yīng)力為7.37 MPa，增加幅度僅有0.09 MPa。

(2)與CRD法相比，最大壓應(yīng)力的位置發(fā)生了移動(dòng)：CRD法支護(hù)中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)墻中(L3S3)，為8.89 MPa，而CD法的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)墻中(R3S3)，為10.04 MPa，比前者大12.9%。

從以上分析可知，兩種工法的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力相差不大，CD法的最大壓應(yīng)力比CRD法的大12.9%，但兩種工法的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都處于安全狀態(tài)。

4.3.3 圍巖屈服區(qū)對(duì)比分析

CRD和CD兩種工法施工完成后，隧道模型目標(biāo)斷面周邊地層的塑性區(qū)分布分別如圖6和圖7。

從圖6和圖7可以看出， CD法斷面屈服區(qū)面積比CRD法斷面的屈服區(qū)面積大。斷面兩側(cè)拱腰以下及仰拱部位屈服區(qū)面積較大，拱頂范圍處屈服區(qū)較小，主要是超前支護(hù)的作用。

圖6 CRD法斷面圍巖屈服區(qū)分布

圖7 CD法斷面圍巖屈服區(qū)分布

4.3.4 合理施工方案的確定

通過(guò)以上對(duì)CRD和CR兩種工法施工過(guò)程中地表沉降位移、拱頂沉降、支護(hù)應(yīng)力和隧道斷面周邊塑性區(qū)分布及大小等方面的對(duì)比分析，雖然CD法引起的地表沉降比CRD法的略大，但省去了CRD工法的臨時(shí)仰拱，施工成本較低，且可以加快施工進(jìn)度，因而決定采用CD法下穿孫辛路施工。在下穿孫辛路的施工過(guò)程中加強(qiáng)隧道變形及路面沉降監(jiān)測(cè)，可利用前述施工管理基準(zhǔn)進(jìn)行日常施工管理。

圖8 隧道拱頂及地表沉降曲線

5 施工效果

在采用CD法下穿孫辛路的施工過(guò)程中，對(duì)隧道拱頂沉降及隧道上方路面沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，沉降位移曲線如圖8。

從圖8可知，隧道施工完成后，隧道拱頂最大沉降為49.6 mm，地表路面最大沉降量28.4 mm，略大于計(jì)算地表位移，但仍小于預(yù)測(cè)最大沉降控制基準(zhǔn)[U]=33.6 mm，保證了下穿施工過(guò)程中孫辛路的正常通行和隧道施工安全。

6 結(jié)論

基于公路路面破損指數(shù)PCI與下穿公路施工風(fēng)險(xiǎn)事件引起路面最大沉降之間的關(guān)系確定了周山隧道下穿孫辛路可能引起的路面最大允許沉降量，并據(jù)此制定出施工管理基準(zhǔn)。對(duì)比分析了CRD和CD法引起的隧道拱頂沉降、地表最大沉降、支護(hù)受力和隧道周邊地層塑性區(qū)特征，確定采用CD法進(jìn)行下穿施工。采用CD法下穿孫辛路施工，需要加強(qiáng)地表及隧道變形監(jiān)測(cè)，謹(jǐn)慎施工。施工監(jiān)測(cè)表明地表路面最大沉降量28.4 mm，保證了隧道施工安全和孫辛路的正常通行。

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Scheme Comparison and Selection of Large-span Loess Tunnel Excavated Under Road

Wang Wensheng

(No.1 Engineering Co. Ltd., China Railway 11thBureau Group, Xiangyang 441104, China)

Taken excavation of large-span loess tunnel under road as study background, the research of safety construction method has been carried out. Based on the relationship of pavement condition index(PCI) and the possible largest settlement of road induced by risk event of tunnel excavation, the settlement standard is achieved, according to which the construction management rules are established. The CD method is proposed to excavate the tunnel undercrosss the road on the basis of comparison analysis of tunnel crown settlement, road surface settlement, stress of support structure and characteristics of ground yielding zone around tunnel section. The settlement monitoring results during tunnel construction by CD method have shown that the proposed method can guarantee the safety of tunnel excavation underneath the road.

pavement condition index (PCI); large-span loess tunnel; excavate under road; comparison and choice of construction schemes; surface settlement

2016-01-03 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.09

王文勝(1980-)，男，工程師，主要從事鐵路、公路項(xiàng)目施工組織管理。E-mail:149564789@qq.com

TU45.3

A

2095-0373(2016)02-0045-06

王文勝.淺埋大跨黃土隧道下穿公路方案比選[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(2):45-49.