下穿高速公路隧道施工工法及稳定性影响分析
2019-04-02
(中交第二航务工程局第三工程有限公司 江苏 镇江 212004)
一、引言
马来西亚东海岸铁路项目文东2#隧道工程的建设是将在现有的E8高速公路进行下穿施工的一条隧道，下穿E8高速公路最小垂直间距为11m，根据现场情况调查，建造隧道的位置该处没有可见的裂缝，由于开挖后周围的应力变化，极易造成在软土地层内进行开挖时的土表沉降，最后导致地面朝着挖掘面移动，造成地面位移、挖掘面的位移和地面支撑系统的位移，导致原有公路沉降，同时E8高速车流量大，所以下穿E8高速公路施工安全风险高。
二、工程概况
文东2#隧道总长为1430.19m,隧道最大埋深为141m，最小埋深为11m，围岩Q值等级主要为1 在隧道区，地层主要由第四纪全新世中砂组成，粉质粘土，细沙砾土，上更新世粉质粘土，以及底层地层是泥盆纪砂岩，主要地质如下： 粉质粘土：黄棕色，硬塑，不均匀土壤质地，富含砾石。 中粗砂：棕黄色，中等密度。 细沙砾土：灰棕色，密实，饱和。 砂岩：灰棕色，完全中等风化，砂质结构，分层结构，节理裂隙发育较发达——非常发达，岩体极其破碎——较完整。 地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。隧道围岩成型的裂缝，将会影响或可能增加雨季时的水面渗水量。正常情况下，隧道主干正常入水量4721.26立方米/日，最大进水量16031.35立方米/天。 文东2#隧道下穿E8高速公路施工期间不封闭交通，实行高速公路临时交通管制，设置警示标志、标牌等，以高速公路左右幅通行转换，采用交错封闭半幅车道等，根据隧道洞身掘进进尺长度分区间进行施工组织，以确保隧道洞身施工期间E8高速公路的通车安全(如下图4-1)。 图4-1 下穿高速段施工交通管理阶段计划 图5-1 路面通行实时监控测点布置图 隧道下穿高速公路段期间，通行车道布置路面监控点，采用全站仪与光学棱镜实时智能自动化监测路面位移、沉降变化情况，通过监测的收集数据分析，在监控量测结果分析能够保证结构稳定的前提下确保隧道下穿E8高速施工期间路面通行的安全(如上图5-1)。 隧道下穿E8高速公路过程中的洞身开挖、支护施工工艺采用双侧壁导坑法施工，各部工序间隔距离可根据监控量测结果分析能够保证结构稳定的前提下适当调整(如下图6-1)。 图6-1 双侧壁导坑法施工工艺流程图 开挖前施做拱部Ф89管棚及超前小导管完成后，按照开挖顺序施工： (1)开挖上台阶两侧台阶，及时施作初期支护及临时支护，拱墙处钢架底部打设锁脚锚管打设锁脚锚管并架设横撑，然后施做该处二次支护。 (2)继续向下开挖下台阶两侧土体施做初期支护及临时支护，拱脚处钢架底部打设墙脚锁脚锚管并架设横撑，然后施做边墙二次支护。 (3)继续向下开挖中部的上台阶土体，保留核心土，及时施做拱部初期支护及二次支护。 (4)继续向下开挖中部的中上台阶土体，及时施做边墙初期支护及临时支护，然后及时在开挖土体底部架设横撑。 (5)继续向下开挖中部的中台阶土体，及时施做初期支护及临时支护。 (6)拆除下部横撑，开挖左右两侧仰拱土体及时施做初期支护及临时支护，然后施做二次支护。 (7)开挖中部仰拱土体，及时施做初期支护，随即施做二次支护。 (8)拆除部分临时支护，先施做仰拱，然后施工隧底填充。 (9)拆除剩余临时支护及横撑，施做拱墙二衬，封闭结构，最后施工洞内剩余附属结构。 通过对现有的地面及地下水信息和在隧道开挖中采用的施工方法进行审查，软土地基内开挖过程中，由于变形而产生地表沉降在开挖周围的应力作用下，导致地面朝着挖掘面移动，总地面位移包括地面位移、挖掘面的位移和地面支撑系统的位移，可能造成沉降的程度和范围主要取决于地面的承受力强度和刚度特性，施工方法采用的各部开挖的深度和大小以及类型。 根据地质剖面和从钻孔记录获得的地质剖面图和数据，用于分析和确定施工沉降期间的岩土参数。 表7-1 土壤参数及渗透性概述表 参照分析和确定施工沉降期间的岩土参数并结合设计拱架、锚杆的材料性能采用土工软件PLAXIS 8.5版来模拟说明地面由于路面下隧道开挖支护在土壤中发生的三维拱效应和变形发生在无支撑的隧道表面周围，而引起的移动，基于PLAXIS 结果，最大沉降量为18.11mm，地面总沉降值的允许值应小于30mm。 图7-1 支撑系统的位移 图7-2 最大沉降量18.11mm 采用一款专门用于地下水渗流分析的软件GEO-SLOPE program SEEP/W Version 2007来模拟计算地质钻孔原始地下水位+131.84mPD，新地下水位+131.59mPD，地下水位下降+0.25米，土壤在开挖前先注浆，渗透率为1.0007m/s在不同孔隙水耗散，如土壤和岩石介质中水位下降引起的地面沉降进行典型沉降预测分析。此外，分析得到的水压降是确定与地下水下降相关的地面沉降主要因素的解决方案。 图7-3 SEEP/W分析图 根据渗流结果，在隧道开挖期间地下水下降1.0m，入渗率5.2324E-5 m3/s=0.229L/min < 9L/min。 地下水下降地面沉降： 水位下降1.0m，dv=0.25x10=2.5kPa， 地基应力和变形固结沉降Sc: Sc=mv*dv*z，其中: mv为体积压缩性系数； dv为降水引起的孔隙水压力耗散； z为各土层厚度； 土壤表层(mPD)土壤底面(mPD)土壤类型mv(mpa-1)dv(kPa)z(m)sc(mm)132.84129.99泥沙0.072.502.850.47129.99127.14泥沙0.072.502.850.47127.14124.29泥沙0.072.502.850.47124.29121.44泥沙0.072.502.850.47121.44118.59细沙砾石0.032.502.850.24118.59115.74细沙砾石0.032.502.850.24115.74112.89细沙砾石0.032.502.850.24112.89110.04细沙砾石0.032.502.850.24110.04107.19细沙砾石0.032.502.850.24107.19104.34砂岩0.032.502.850.24104.34101.49砂岩0.022.502.850.14地面总沉降3.47 考虑到上述影响，预计开挖引起的地面移动沉降18.11mm，地下水下降相关的地面沉降3.47mm，确定了最大总地面沉降量为21.58mm。 (1)台阶各部每循环开挖支护长度控制在0.5m，二次支护一个循环为2～3m，开挖、二次支护达到一个衬砌循环后，停止掘进，待施做完二次衬砌后再开始下一个循环的施工。(2)拱墙部位超前支护采用Φ42超前注浆小导管，拱脚及墙脚处钢架底部打设锁脚锚管，每处4根，确保钢架基础稳定，以限制拱顶变形。(3)根据监控量测信息，初期支护稳定后拆除临时支护，并加强监控量测，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚管，每循环开挖进尺不得大于0.5m，二次支护一个循环为2.5m。(4)不得超步序施工，隧道开挖后初期支护应及时施做并封闭，二次衬砌及时施做。(5)由于汽车通过时的振动大，隧道开挖应在车流较小时或者封闭半幅道路交通进行，在重车通过前对未开挖完的段落采用圆木或钢管进行临时支护。根据施工时的实际情况，必要时对掌子面进行喷混凝土封闭。(6)加强仪器和监测，包括沉降标志和振动监测，及早提供警告设计的开挖工法对周围环境、地面结构的影响，如果出现下列任何一项标准，工地将停止工程，并立即通知工程师。①在任何交收点连续两天的读数之间增加5毫米的移动；②总运动超过30毫米或任何沉降点的不当运动；③观察到财产或实用性的任何不当损害。 根据设计的铁路隧道施工方法，通过下穿高速公路隧道施工工法及稳定性影响评价，由于文东2#隧道工程建设对现有E8高速公路表面产生的影响预计总共沉降21.58毫米(<30毫米)，下穿隧道施工对现有的高速公路的影响是很小的。三、水文地质条件
(一)地质条件
(二)水文条件
四、下穿高速段施工交通组织计划
五、路面通行实时监控
六、下穿高速段隧道施工技术
七、与隧道施工有关的影响分析
(一)开挖引起的地面移动分析
(二)地下水下降相关的地面沉降
(三)地面总沉降
八、施工过程中技术要点
九、结论
