隧道超浅埋段下穿既有公路

赵修旺 陈涛

摘要：凉山州中（所）冕（山）公路小相岭隧道出口下穿既有公路，下穿段覆土小，围岩较破碎，而且公路上有较多重型货车通过，为保证隧道施工安全，采用地表预注浆加固措施，并通过有限元数值模拟分析地表预注浆加固效果。得出结论如下：下穿段通过地表注浆加固，有效的提高了围岩强度，控制了隧道拱顶沉降值，最终沉降值较小，较大的改善了隧道初支及二衬的受力情况，注浆效果显著，该措施是安全可行的。

关键词：小相岭隧道;地表预注浆;下穿;数值分析;结构受力

1 引言

我国是一个多山的国家，75%左右国土都是山地，进入21世纪10年来，我国公路网交通逐渐向崇山峻岭穿越，向离岸深水延伸，公路隧道在交通基础设施的建设中，起到越来越重要的作用，截止2010年底，全国公路隧道为7384处、512.26万米，其中，特长隧道265处、113.80万米，长隧道1218处、202.08万米。在公路隧道迅速发展的同时，公路隧道建设尚存在许多技术瓶颈亟待解决[1]。

随着国民生产力及公路隧道技术的发展，考虑行车条件及后期可能存在的改造升级，公路隧道在线形上要求尽量采用较好的线形设计，因此不可避免的隧道下穿既有公路的情况也越来越多。如何保证既满足隧道施工安全，又不影响上部公路通行，就成了一个普遍摆在设计者面前的问题。本文针对凉山州中（所）冕（山）公路小相岭隧道出口处下穿既有公路段采取的地表预注浆加固措施，结构工程经验并通过数值分析模拟，研究地表预注浆加固技术在隧道下穿既有公路上的加固效果。

2 工程背景

小相岭隧道地处四川省西南部的凉山彝族自治州北部喜德、越西两县交界的小山一带。隧道附近聚集了登相营古驿站风景名胜区、小相岭风光风景名胜区等一系列的旅游资源。现有公路翻越小山路段，累计翻山里程达到25余公里，由于现有公路（县道XW07线）技术等级低、海拔高、地势陡峭、地质稳定性差、路基沉降现象突出，滑坡、雪灾、冰冻、水毁等自然灾害与地质病害严重，抗灾害能力弱，经常造成交通阻塞，甚至断道，致使车辆行驶速度慢、服务水平低、交通事故时有发生。该路段已成为制约县道XW07线保持常年畅通的瓶颈，也是阻碍该区域经济发展的瓶颈。因此小相岭隧道的建设迫在眉睫。

小相岭隧道两端与县道相接，隧道为单洞双向两车道，隧道主洞全长3424m;为满足运营期间的通风救援需要，同时加快施工进度，在隧道右侧设一贯通的平行导洞，主洞和平行导洞的中线间距为29～32m，平导全长3373m。隧道主洞内轮廓净空宽度10.6m，高度6.83m，平导内轮廓净空宽度6.28m，高度6.15m。隧道采用平导压入式通风，在平导洞口段局部采用和主洞大小一样的断面，既满足紧急情况下过车，又满足通风需要。隧道出口下穿既有公路，最小覆土厚约4.25m。隧道出口处和既有县道的位置关系如图1和图2所示。

图1 隧道出口平面图

圖2 隧道主洞出口纵断面图

出口处地下水丰富，基岩为白果湾群砂岩夹泥岩，中厚～厚层状，强风化，在刚刚完成的县道改造升级中经过开挖扰动，节理裂隙较发育，岩体较破碎，且公路上常有重型货车通过，超载现象严重。在隧道顶部覆土如此小的情况下，施工时宜发生拱顶塌方、路面沉降过大、初支失稳等风险。

3 工程保护措施

针对隧道出口处下穿县道段的情况，既有县道在改造升级时，已经进行了较大挖方，边坡较高，为了保证县道的正常通行，同时避免对已开挖边坡的再次扰动，采用暗挖下穿县道。参考《公路隧道设计规范》[2]和《地下工程浅埋暗挖技术通论》[3]，结合工程经验，下穿县道段采用单侧壁导坑法开挖，并辅以超前大管棚和地表预注浆加固措施。

3.1 下穿段支护参数

超前支护采用φ159×8大管棚，拱部140°范围设置，环向间距0.4m;初期支护采用26cm厚C25网喷砼，钢架采用工20a型钢，间距0.5m，边墙设直径为22mm的砂浆锚杆，L=3.5m，间距1.2×0.5m;二次衬砌采用55cm厚C30钢筋砼。

3.2 地表预注浆加固措施

县道上方常有重型货车通过，且超载严重现象较多，在顶部覆土只有4.25～5.66m的情况下，容易发生塌方、初支失稳等风险，因此采用地表预注浆加固措施，保证隧道开挖安全，同时控制地表沉降。隧道主洞加固长度为洞口向洞身19m，即K22+411～K22+430。水平加固范围为隧道洞身两侧各3m范围，竖向加固范围为地面至隧道大距线以上2m;注浆管采用?80×4（mm）钢管，浆液选用水泥浆，水灰比为0.6：1～1.5：1，并根据现场实验预以调整，注浆管间距1.0m×1.0m，梅花形布置。隧道平导加固长度为洞口向洞身21m，即PDK22+395～PDK22+416，其它参数与主洞相同。隧道主洞地表预注浆平面和剖面图如图3和图4所示。

图3 主洞地表预注浆平面图

图4  主洞地表预注浆加固剖面图

为了减少洞口超前大管棚施工和地表预注浆施工的相互干扰，施工时建议先进行洞口管棚施工，再进行地表预注浆。在大管棚范围内地表注浆深度仅施工至管棚顶，以便于地表预注浆施工及后续开挖。

3.3 其它保护措施

隧道出口段下穿县道，上方有重车通行，施工时应做好控制爆破，并控制开挖进尺、加强监测，及时施做初支、二衬，在二衬施工完成并达到设计强度前（尤其在拆除临时竖撑后、二衬施工前），地面应采取限行、绕行减速等措施，保证隧道结构安全。

3.4 施工方法

施工工序如图5所示，图中各步骤为：

步骤1：拱部超前支护施作;

步骤2：左侧导洞开挖;

步骤3：左侧导洞初期支护;

步骤4：右侧洞上部开挖;

步骤5：右侧洞上部初期支护;

步骤6：右上部核心土开挖;

步骤7：右侧洞下部开挖;

步骤8：右侧洞下部初期支护;

步骤9：防水层施做;

步骤10：分段施做仰拱模筑衬砌

步骤11：分段施做拱、墙模筑衬砌;

步骤12：隧底填充、中央排水沟施做;

步骤13：沟槽、路面施做。

图5 隧道主洞出口施工方法断面图

4 隧道结构安全计算

4.1 建立有限元数值分析模型

由于隧道开挖仅对一定的有限范围内的围岩产生较明显的影响，在距开挖部位较远一些的地方，其应力及位移变化很小，在3倍跨度处的应力变化一般在10%以下，在5倍跨度处一般在3%以下[4]。所以有限元分析的区域可确定在这个范围内（3～5倍洞跨），在这个范围的边界上可认为因开挖引起的位移为零，或者开挖不引起应力的变化。为减小有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围在各个方向上均取大于三倍的洞跨。

采用MIDAS GTS大型有限元计算软件，计算模型尺寸水平方向取100m，竖直方向自隧底以下取40m，向上取至地面。县道上方重型货车荷载，根据《公路桥涵设计通用规范》[5]4.3.1条取值，考虑0.45的冲击系数及1.4的超载系数后，近似转换成均布荷载为59.89kN/m，有限元模型如图6所示。

图6 隧道有限元数值分析模型

模型中假设场地内无构造活动的影响，原岩应力为大地静力场型，各岩层之间为整合接触，岩层内部为连续介质[6]。初期支护和临时支护只考虑弯矩和轴力，采用梁单元来模拟;二次衬砌、超前大管棚加固地层、地表预注浆加固地层及围岩采用平面四边形单元来模拟;锚杆采用植入式桁架单元模拟。其中初期支护和临时支护的变形模量考虑钢架的加强作用。围岩及支护结构物理力学参数见表1。

表1 围岩及支护结构物理力学参数表

材料

容重

γ（kN/m3）

变形模量E/GPa

泊松比μ

内聚力

C/kPa

内摩擦角φ/°

V级围岩

19

1.2

0.38

60

22

大導管和地表预注浆加固地层

20

1.8

0.35

200

25

初期支护、临时支护

23

29

0.2

-

-

C30钢筋混凝土

25

31

0.2

-

-

锚杆

-

210

0.3

-

-

4.2 数值模拟计算结果

a.注浆前                                              b.注浆后

图7 地表预注浆前后竖向位移云

a.注浆前                                      b.注浆后

图8 地表预注浆前后初支弯矩图

a.注漿前                             b.注浆后

图9 地表预注浆前后二衬第一主应力云图

4.3 对数值模拟结果的分析

对隧道下穿既有县道采取地表预注浆前后竖向位移、初支弯矩、二衬应力结果分析如下：

1）在未采取地表预注浆加固前，最大拱顶沉降为6.63mm，地表预注浆后，最大拱顶沉降为3.72mm。由此可知，在进行地表预注浆浆加固措施后，拱顶沉降有明显减小，在二次衬砌不能及时跟进且上部有重型车辆通过的情况下，对于隧道开挖安全起到较大保障作用。

2）由于采用单侧壁导坑法施工，初支最大正弯矩均发生位置在左侧仰拱和边墙交接处，注浆前为67.59kN.m，注浆后降低至52.60 kN.m。初支最大负弯矩均发生位置在仰拱处，注浆前为50.23kN.m，注浆后降低至37.84 kN.m。由此可见，通过地表预注浆，使初支变矩明显减小，有利于洞室稳定。

3）地表预注浆前后，二次衬砌拉应力均出现在拱顶内侧和仰拱处，其中仰拱处拉应力很小，最大拉应力在注浆前为10.43kPa，注浆后为4.01kPa，均远小于衬砌砼的容许拉应力。二次砌衬最大压应力均出现在拱脚内侧，注浆前为319.80kPa，注浆后为109.61kPa。由此可见，通过地表预注浆，二次衬砌的拉压应力均明显减小，较大程度上改善了二次衬砌的受力情况，注浆效果显著。

5 结论与建议

1）小相岭隧道出口处下穿既有县道，覆土较小，在县道升级改造时经过一定扰动，围岩较破碎，并且上方常有重型货车通行，在这种不利情况下，在超前大管棚保护下采用单侧壁导坑法施工，并通过地表预注浆来保证结构安全是有必要的。

2）通过地表预注浆加固措施，有效的减小了地表沉降，隧道初支和二衬结构受力有较大改善，说明注浆措施是可行的，注浆效果是明显的。

3）本文通过有限元数值模拟分析在地表预注浆前后工况下地层沉降值、初支受力、二衬受力，由于计算理论中的基本设定条件与地层的实际状况不完全一致，采用平面有限元计算时没有考虑工作面岩体的三维约束效应，可能会导致计算结果与实际受力情况有一定的偏差，因此在隧道施工中，应根据现场监测结果，将数值模拟分析结果和现场情况相结合，得到更加准确的结果，以给后续相似工程提供参考借鉴的经验。

参考文献：

[1]霍孙涛.隧道病害诊治处理思路探讨[J].中国科技博览，2013（30）：110-110.

[2]JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽，合肥：安徽教育出版社，2004.

[4]李辉，炊鹏飞，杨小红，等.隧道下穿采空区的监测及结果分析[J].地下空间与工程学报，2011，7（4）：753-758.

[5]JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6]赵丹，朱向前，彭立敏.偏压连拱隧道施工顺序分析[J].西部探矿工程，2006（3）：141-144.