浅埋软岩隧道下穿既有公路的研究现状

2021-01-26杜文敏

四川水泥 2021年11期

杜文敏

（江西省建筑设计研究总院集团有限公司，江西南昌 330000)

0 引言

浅埋软岩隧道下穿既有工程施工会打破土体周围初始的力学平衡状态，新的力学平衡状态在土体开挖后重新建立，其上覆地层不可避免地发生位移、变形及破坏，变形一直延伸发展至地表，造成隧道地表产生不同程度的沉降变形，严重时甚至出现坍塌现象，从而导致既有公路工程的结构变形破坏。鉴于此，本文旨在通过工程调研、文献综合手段研究浅埋软岩隧道下穿既有公路施工影响及公路的安全控制问题，为今后隧道下穿工程的施工提供新的借鉴和参考。

1 软岩隧道的研究现状

软岩隧道由于其特殊的围岩特性，隧道开挖后往往会出现围岩自稳能力差、围岩变形过大等问题，严重时甚至发生塌方等事故。国内外出现了大量软岩隧道大变形的工程实例[1]，以上隧道出现的大变形问题，与当时的隧道建设水平还不够成熟有关，工程技术人员对围岩与支护结构的相互作用机理了解不深，未能及时采取合理有效的施工方法和加固措施。

国内外学者先后分别通过理论分析、数值模拟和模型试验等手段，开展了一系列关于软弱围岩的受力变形特性以及隧道开挖方法、支护手段和加固机理等研究，为后续的隧道工程设计和施工提供了借鉴。总体来说，目前软岩隧道常见的施工方法主要为分部开挖，比如台阶分部开挖法、CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法等，围岩条件相对较好的一些隧道也可采用台阶法。对于围岩地质条件恶劣的隧道，在选定隧道施工工法以后，还需要配合采取一些隧道超前加固措施，才能保证隧道开挖的安全稳定[2]。

软岩隧道的超前加固措施主要包括：管棚法、超前小导管法、注浆法、超前锚杆法、机械预切糟法、预衬砌法、水平旋喷注浆法、冻结法、管幕法等等。超前加固法根据采取的加固措施对周围地层特性和应力分布的影响，可分为地层改良法和预支护法[3-5]。地层改良法的原理主要通过注浆、土壤加固、排水和地层冻结等手段，提高开挖面周围地层土的特性；预支护法的原理是隧道施工之前，对掌子面前方岩土体进行超前加固，提高围岩的自稳性，最大可能减小开挖对周边围岩的应力扰动。在软岩隧道施工过程中，具体选用何种超前加固方法施工，可根据现场围岩地质条件和施工环境等因素确定，最好协调配合常见的隧道开挖方法，对比不同方法的技术经济指标，选取综合性能最优的加固方法或组合。

2 浅埋软岩隧道下穿既有公路的研究现状

浅埋软岩隧道下穿既有公路施工过程中，掌子面开挖对上覆围岩造成扰动，围岩变形引起既有公路路基的沉降变形，最终导致公路路面的损坏；而沉降与破坏的大小和分布范围不仅取决于围岩地质情况，还与隧道断面尺寸、埋深和施工方法、支护方式有关[6]；一些国内外学者通过采用数值仿真、室内模型试验、现场监测与理论分析等手段，对隧道下穿施工对既有路面沉降变形影响进行了大量研究。

在现场实测与理论分析方面：孟庆明、杨林浩等[7]为摸清隧道通过高速公路后地面沉降影响范围及大小对函谷关隧道下穿连霍高速公路段进行了洞内—地表监测，结果表明隧道拱顶沉降和收敛变形主要发生在隧道开挖至初期支护封闭成环期间，距离隧道中线越近，地表沉降量越大。刘纪峰等提出适合浅埋隧道地表沉降预测的弹塑性计算式，并给出通过减少围岩扰动和提高围岩性质两种控制盾构隧道地表沉降的方法。齐震明和李鹏飞[8]结合北京地铁地表监测数据，综合运用模糊聚类分析方法进行统计分析，得出了隧道地表沉降值的分布规律和地表沉降槽宽度参数的一般特征，提出较为合理可行的地表沉降控制标准，并提出预警、报警、极限3 级控制。

模型试验方面，国内外学者先后采用了不同的模型试验方法，对隧道施工引起的地表位移与沉降变形规律等进行了大量的研究工作，如野外现场试验、室内相似比模型试验和土工离心模型试验等。通过模型试验得出不同的预加固强度、开挖进尺对隧道的地表沉降、围岩压力、洞周位移都有很大影响。中铁隧道局在暗挖隧道下穿密集建筑物、地下管线、既有地铁线等施工时，采用动态跟踪注浆技术控制邻近建筑物沉降，为在城市复杂的环境下浅埋暗挖法施工保护周边环境开发出一个有效方法。中铁十六局采取超前小导管注浆、强化初期支护、在初期支护后背注浆回填等控制地表沉降的技术措施。英国学者Kimura 和Mai 等[9]针对伦敦市区不同地层中城市地铁施工情况进行了多次离心机模型试验研究，模拟研究了不同土层条件，不同埋深情况下隧道施工所引起的地表沉降规律，得出了地表水平变形的计算公式。周顺华[10]结合上海地铁项目进行了一系列离心模型试验，对地表沉降及围岩稳定性进行了研究。

数值模拟方面，王抒[11]分别对隧道下穿段施工过程中所采用的常用工法进行三维数值模拟，计算结果表明双侧壁法施工引起的地表沉降最小，CD 法施工时，开挖结束后引起的滞后变形量较大，而台阶法施工，由于开挖断面较大，使得隧道围岩稳定性难以控制，必须辅以相应的辅助措施。胡玉林等依托洺水隧道下穿邢汾高速公路具体工程，借助数值分析，从爆破安全距离、交叉稳定性分析、爆破分析等方面，分析了隧道施工对高速公路的影响，得出：（1）土体应力受扰动十分明显的只有隧道开挖外约0.3～0.5 倍洞径区域，而在一倍洞径以外的位置，影响非常小；（2）隧道下穿公路段采用三台阶临时仰拱法施工，采用预裂爆破技术，能满足相关安全要求。朱正国等通过FLAC 数值计算软件对单双线铁路隧道下穿公路的数值模拟，分析路面沉降规律，得到了沉降槽宽度系数和最大沉降量的预测模型，通过大量工程实例来验证了提出的沉降控制基准的合理性，其结果可为铁路隧道下穿其他建筑物引起的地表沉降控制基准的制定提供参考。刘庭金[12]运用数值模拟分析手段，结合某倒吸虹隧道支护结构设计和施工方案，对下穿隧道施工进行了三维动态数值模拟，重点分析了隧道建设对上方高速公路路面沉降的影响，对隧道支护结构设计和施工方案的可行性进行了评估。胡献竹在现有隧道工程施工过程数值模拟的基本理论和分析方法的基础上，研究了浅埋隧道施工过程中围岩及支护结构力学行为变化过程，并将其应用于实际工程，取得良好效果。

3 进一步研究的建议

综上所述，目前国内外对于隧道下穿公路的研究主要集中在隧道施工所造成的公路路基沉降规律及其控制标准、浅埋隧道下穿公路不同施工方法及预加固措施对地表沉降、拱顶下沉及应力分布的影响等等，取得了一定的研究成果。在我国的浅埋软岩隧道下穿施工过程中，为控制围岩变形和确保施工安全，多采用分部开挖法，如双侧壁导坑法、CRD法、CD 法等。这些工法施工工序较多且具有一定施工难度，施工作业空间往往受限，很难满足快速施工、控制变形的目的。对于浅埋软岩隧道下穿既有工程，隧道开挖与周围的环境存在着非常复杂的关系，以往的研究还不够充分和深入，设计和施工无具体规范、标准可以依据，采取的处理措施要么偏于保守，造成很大的浪费，要么采取冒险或者盲目的对策，造成安全隐患甚至安全事故。如何根据围岩的地质条件和工程环境，选择有效可行的施工和支护方案，有效减小浅埋软岩隧道下穿施工对周围既有工程的影响，使隧道安全地穿越复杂地质段，已成为我国隧道工程建设中亟需解决的难题。