復(fù)雜環(huán)境下大斷面淺埋隧道下穿高速公路施工工法及工藝探討

張雨昊

(中鐵上海工程局集團(tuán)華海工程有限公司，上海 201101)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，高速公路、高速鐵路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但這樣也導(dǎo)致了鐵路與公路的相互影響變得越來越嚴(yán)重。為了減小兩者之間的相互影響，往往會(huì)采用隧道上跨或下穿的方式進(jìn)行過渡[1]。通過大量的工程實(shí)踐可知，高速鐵路下穿隧道一般埋深較淺，上覆土的工程地質(zhì)條件較差，在隧道的施工中容易對圍巖的平衡造成破壞，導(dǎo)致地表沉降較大從而影響高速公路的運(yùn)營安全以及周邊建(構(gòu))筑物的安全。

史勝利[2]依托牛嶺界隧道工程，研究不同的施工工法對隧道圍巖力學(xué)效應(yīng)的影響，將理論與實(shí)際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)相結(jié)合，最后發(fā)現(xiàn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比臺(tái)階法時(shí)更安全。李強(qiáng)[3]以某高速鐵路下穿高速公路為背景，在不影響上方高速公路通車的前提下，提出了超淺埋隧道下穿高速公路的蓋挖法修建技術(shù)。昝永奇[4]以深圳求水山隧道下穿機(jī)荷高速公路收費(fèi)站工程為研究背景，提出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑微臺(tái)階施工工法，成果解決了該工程變形沉降大的問題。趙琳[5]以重慶新白楊灣下穿高速公路隧道工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法對臺(tái)階法、CD法及CRD法這3種施工工法做對比，研究發(fā)現(xiàn)在控制圍巖變形、圍巖塑性區(qū)分布區(qū)域以及路面沉降方面來看，臺(tái)階法都比其他2種施工工法好。趙紀(jì)平[6]則以溫福鐵路上筆架山隧道工程為研究背景，該隧道既下穿國道又下穿高速鐵路，埋深極淺，圍巖也較為軟弱，通過對施工工法以及施工方案的不斷比選，最終采用了優(yōu)化后的CRD法進(jìn)行開挖以及支護(hù)。

通過以上調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，已有很多學(xué)者對淺埋隧道下穿高速公路的施工工法做了大量的研究，也得出了相對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)與結(jié)論，但每個(gè)工程的特點(diǎn)不同，應(yīng)當(dāng)因地制宜地根據(jù)工程的具體特點(diǎn)采取不用的施工工法。本文依托霞美村隧道下穿泉州繞城高速公路工程，通過對3種不同施工工法進(jìn)行比選，得到合適的施工工法，再對不同的機(jī)械開挖工藝進(jìn)行比選分析，得到適用于現(xiàn)場施工的施工工藝，最后得到相關(guān)的工程結(jié)論以及施工經(jīng)驗(yàn)，為以后類似的工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

霞美村隧道里程DK145+511～DK146+483，全長972 m，出口終點(diǎn)里程為DK146+483；出口隧線明暗分界里程為DK146+464，隧道于DK146+405.8～DK146+447.3里程范圍內(nèi)下穿泉州繞城高速公路。交叉夾角為51°，高速公路與霞美村隧道交點(diǎn)軌面高程為35.06 m，交叉段位于霞美村隧道出口附近，該段高速公路路面中心標(biāo)高為49.97～50.97 m，隧道埋深為4.7～5.75 m(圖1)。

圖1 霞美村隧道出口下穿既有高速公路平面關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件

隧道出口段為出露燕山晚期第3次侵入花崗巖{γ53b}，全～弱風(fēng)化，埋深較淺，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，自穩(wěn)性差，工程地質(zhì)條件差，其圍巖級別為V級，洞口穩(wěn)定性差。出口坡面分布有風(fēng)化殘余孤石，塊徑2～5 m，自穩(wěn)能力較差，地層施工工程等級及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層施工工程等級及力學(xué)參數(shù)建議值

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)霞美村隧道的實(shí)際情況，擬采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖，主要對兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法、中隔墻臺(tái)階法這3種施工工法進(jìn)行研究。數(shù)值計(jì)算采用大型有限元通用軟件FLAC3D進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算模型及施工工法如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型及施工工法示意

計(jì)算模型選取范圍：根據(jù)隧道開挖圍巖受影響范圍，設(shè)定隧道左右邊界距離隧道外邊墻3～5倍洞徑(取150 m)，隧道下邊界距離隧道底部3～5倍洞徑(取50 m)，隧道縱向取100 m；約束情況為前、后、左、右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面。

2.2 計(jì)算參數(shù)

在計(jì)算中，假設(shè)圍巖為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，初期支護(hù)為彈性材料。模型均采用實(shí)體單元模擬。本文模型參數(shù)如表2所示，雙層初期支護(hù)中鋼架按照等效剛度的原則進(jìn)行折減，折減到混凝土的彈性模量中。

表2 計(jì)算參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 不同施工工法下路基沉降分析

圖3為兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法及中隔墻臺(tái)階法3種開挖工法下路基沉降的云圖。由圖3可知，這3種施工方法下路基沉降的數(shù)量級并不大，但從沉降規(guī)律分析，中隔墻臺(tái)階法施工工法下的路基沉降最小，三臺(tái)階法次之，兩臺(tái)階法最差，三臺(tái)階法與中隔墻臺(tái)階法對路基沉降的影響相差不大。

圖3 不同施工工法下的路基沉降云圖(單位:m)

2.3.2 不同施工工法下圍巖位移分析

圖4為兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法及中隔墻臺(tái)階法施工下的圍巖位移云圖。由圖4可知，3種施工工法下圍巖的變形規(guī)律相同，圍巖的仰拱隆起大于拱頂沉降，因此應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注隧道的仰拱隆起。其中，兩臺(tái)階法開挖下的最大仰拱隆起為1.92 mm，三臺(tái)階法開挖下的最大仰拱隆起為1.25 mm，中隔墻臺(tái)階法開挖下的最大仰拱隆起為1.23 mm，從控制圍巖變形方面來看，中隔墻臺(tái)階法在控制圍巖變形方面最好，三臺(tái)階法次之，兩臺(tái)階法最差。

圖4 不同施工工法下圍巖位移云圖(單位:m)

2.3.3 不同施工工法下初期支護(hù)應(yīng)力分析

圖5～圖10分別為兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法以及中隔墻臺(tái)階法施工下雙層初期支護(hù)的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力云圖。由圖5、圖6可知，兩臺(tái)階法施工下初期支護(hù)的最小主應(yīng)力最大值為-0.943 MPa，最大主應(yīng)力最大值為-0.152 MPa；由圖7、圖8可知，三臺(tái)階法施工下初期支護(hù)的最小主應(yīng)力最大值為-0.929 MPa，最大主應(yīng)力最大值為-0.153 MPa；由圖9、圖10可知，中隔墻臺(tái)階法施工下初期支護(hù)的最小主應(yīng)力最大值為-0.89 MPa，最大主應(yīng)力最大值為-0.133 MPa，由此可知，在3種施工工法下初期支護(hù)的最大最小主應(yīng)力均在材料的允許應(yīng)力范圍內(nèi)，3種施工工法下初期支護(hù)的最大最小主應(yīng)力相差不大。

圖5 兩臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的最小主應(yīng)力(單位:Pa)

圖6 兩臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的最大主應(yīng)力(單位:Pa)

圖7 三臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的最小主應(yīng)力(單位:Pa)

圖8 三臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的最大主應(yīng)力(單位:Pa)

圖9 中隔墻臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的最小主應(yīng)力(單位:Pa)

圖10 中隔墻臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的最大主應(yīng)力(單位:Pa)

2.3.4 不同施工工法下初期支護(hù)位移分析

圖11～圖16分別為兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法以及中隔墻臺(tái)階法施工下雙層初期支護(hù)的位移云圖，由圖11、圖12可知，兩臺(tái)階施工法下初期支護(hù)的最大豎向位移位于仰拱處，仰拱隆起最大值為1.92 mm，最大水平位移位于拱腰處，水平收斂的最大值為0.78 mm；由圖13、圖14可知，三臺(tái)階施工法下初期支護(hù)的最大豎向位移位于仰拱處，仰拱隆起最大值為1.25 mm，最大水平位移位于拱腰處，水平收斂的最大值為0.46 mm；由圖15、圖16可知，中隔墻臺(tái)階施工法下初期支護(hù)的最大豎向位移位于仰拱處，仰拱隆起最大值為1.23 mm，最大水平位移位于拱腰處，水平收斂的最大值為0.41 mm，從初期支護(hù)變形方面來看，可以發(fā)現(xiàn)中隔墻臺(tái)階法施工下初期支護(hù)的變形最小，三臺(tái)階法次之，兩臺(tái)階法最差。

圖11 兩臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的豎向位移(單位:m)

圖12 兩臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的水平位移(單位:m)

圖13 三臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的豎向位移(單位:m)

圖14 三臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的水平位移(單位:m)

圖15 中隔墻臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的豎向位移(單位:m)

圖16 中隔墻臺(tái)階法開挖后初期支護(hù)的水平位移(單位:m)

3 機(jī)械開挖工藝研究

霞美村隧道DK146+380～DK146+ 464范圍為下穿高速公路段，采用三臺(tái)階法施工，隧道出口處臨近村莊，大部分為毛石結(jié)構(gòu)民宅，東南面最近處距離毛石結(jié)構(gòu)民宅55 m，西面最近處距離毛石結(jié)構(gòu)民宅30 m，當(dāng)?shù)卣蠼贡崎_挖，經(jīng)參建四方對現(xiàn)場踏勘和研究，現(xiàn)采用靜態(tài)開挖替代爆破方案挖除石方(圖17)。

圖17 民房位置

目前對于靜態(tài)開挖的方法有幾種：潛孔鉆+PC200破碎錘組合、三臂鑿巖臺(tái)車+PC370破碎錘組合、巖石膨脹劑施工、火燒法施工、劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機(jī)+水磨鉆等機(jī)械組合施工。通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行初步分析，巖石膨脹劑施工、火燒法施工基本無法滿足施工需求，潛孔鉆+PC200破碎錘組合方式施工，工效不滿足要求。

現(xiàn)場通過使用三臂鑿巖臺(tái)車+PC370破碎錘組合方式施工，施工計(jì)劃工效為6.4 m/月，但結(jié)合現(xiàn)場施工條件等，施工的實(shí)際工效約4 m/月。如果使用劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機(jī)+水磨鉆等機(jī)械組合施工，施工計(jì)劃工效約10.7 m/月，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，最終的實(shí)際工效最大約6 m/月。結(jié)合施工成本、經(jīng)濟(jì)效益以及施工工效等方面，最終選用劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機(jī)+水磨鉆等機(jī)械組合施工的靜態(tài)施工方法，現(xiàn)場施工如圖18所示。

4 結(jié)束語

以霞美村隧道淺埋下穿高速公路工程為依托，從路基沉降、圍巖變形、初期支護(hù)受力、初期支護(hù)變形這4個(gè)方面分別對比分析了兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法以及中隔墻臺(tái)階法這3種施工工法的異同，通過分析發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)階法這一施工工法對圍巖擾動(dòng)較大，因此不予考慮。中隔墻臺(tái)階法和三臺(tái)階法在控制路基變形、控制圍巖變形以及初期支護(hù)受力等方面相差不大，但三臺(tái)階法施工比中隔墻臺(tái)階法更為便捷快速，而且能夠使用大型開挖運(yùn)輸機(jī)械，綜上所述，三臺(tái)階法是較為適用于霞美村隧道的施工工法。

圖18 劈裂棒劈裂施工

針對潛孔鉆+PC200破碎錘組合、三臂鑿巖臺(tái)車+PC370破碎錘組合、巖石膨脹劑施工、火燒法施工、劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機(jī)+水磨鉆等機(jī)械開挖工藝，從工效、成本、經(jīng)濟(jì)效益等方面并結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)劈裂棒+潛孔鉆+鎬頭機(jī)+水磨鉆這種機(jī)械開挖方法能夠滿足要求，因此選擇該施工工藝。