市政隧道下穿既有高速公路施工方案研究

2021-07-05关超贤

河南建材 2021年6期

关超贤

中铁十六局集团路桥工程有限公司（101500）

1 市政隧道下穿既有高速公路施工破坏机理

下穿隧道施工中，不可避免会引发地面扰动，导致公路出现附加变形，进而产生附加应力破坏公路路面。高速公路发生破坏形式多，其中下穿隧道开挖施工容易破坏路面结构和功能，地基不均匀沉降导致路面整体破坏变形。下穿施工会导致路面出现一定程度不均匀沉降，进而影响到路面功能，增加交通安全隐患。

1.1 沥青路面破坏形式

隧道下穿高速公路施工过程中，隧道开挖会扰动地层，还会影响到公路路基，导致沥青路面结构产生附加变形、应力而受到破坏。在隧道下穿既有高速公路施工中，对公路的破坏主要有路面塌陷、坍塌和拱起等几种形式。

1.1.1 开裂破坏

市政隧道施工中路基下面土层受到扰动，会进一步引发沉降，公路路基则相应产生不均匀沉降，路面附加应力破坏路面，常见形式为横向裂缝、纵向裂缝。

1.1.2 坍塌破坏

隧道下穿施工中，如果使用的施工工艺不合理、支护措施不当，会导致隧道开挖面产生较大变形，引发围岩失稳，较大程度地扰动周围土体，既有公路受此影响出现路面塌陷、坍塌等问题。其主要原因在于开挖下方土体的过程中，上覆土层失稳而被破坏，或者地质条件不良、管线损坏涌水。

1.1.2.1 翻浆破坏

隧道下穿既有高速公路施工中，埋深较小的情况下控制不住注浆压力，会导致路基下方土层含水量过高而强度不足，受车辆荷载影响路面冒出浆液，从而形成凹坑、鼓包，引发翻浆破坏。

1.1.2.2 拱起破坏

下穿作业中隧道埋深小的情况下，加快开挖速度，注浆量过大，会出现掌子面前方上覆土层膨胀现象，路面出现隆起现象，即出现拱起破坏问题[1]。

1.2 水泥混凝土路面破坏形式

市政隧道下穿既有高速公路施工过程中，会在一定程度上扰动地基，导致地层出现变形，引发上覆土层应力状态改变，加大路面附加应力、破坏路面。

1.2.1 断裂破坏

下穿高速公路作业中，路基土层不均匀沉降易导致混凝土路面脱空，在缺乏支撑或者支撑分布不均情况下，部分路面在车辆荷载、土层自重作用下可能弯曲，其内部产生弯拉应力。道路车辆增多、脱空状态下，会持续加大应力，甚至应力超过极限抗拉弯强度，导致路面出现断裂破坏现象。

1.2.2 接缝破坏

接缝主要分为横缝、纵缝，横缝包括胀缝、缩缝，其中大多胀缝为假缝，负曲率情况下受变形压力作用，胀缝会出现破裂，接缝周边龟裂。

1.2.3 错台破坏

施工中在横向接缝、断裂处容易出现错台，其中主要为竖向错台，因此该处易产生竖向相对位移。错台会降低行驶平稳性，加大交通安全隐患。

1.2.4 塌陷破坏

混凝土路面自身具备一定抗弯强度和抗折强度，下穿施工中受不良地质、周边地下水影响，隧道上覆土层受到影响，既有高速公路路面产生沉降，路面也会悬空。在车辆荷载作用和土体自重影响下，路面容易塌陷，断裂面折断痕迹也比较明显。

2 市政隧道下穿既有高速公路施工方案数值模拟

2.1 隧道下穿既有高速公路施工技术

1）要做好前期准备工作。在隧道施工前需对施工现场水文地质条件、气候特点和周边环境充分考察，依据这些因素进行评估，同时合理设计施工方案。具体需考虑因素包括路基变形塌陷影响、衬砌裂纹和裂缝影响等。还需评估高速公路交叉处易出现外力情况，施工前细致检查衬砌回填区域和厚度，掌握混凝土结构强度、裂缝和碳化情况，对路段是否适合下穿施工进行准确评估。

2）在开展隧道下穿既有高速公路施工前，要设置好超前长管棚预支护。需先制作加工好长管棚，通常采用热轧无缝钢管等，应控制好管壁厚度与外径尺寸。将两端位置加工为外丝扣，控制好外插角度和间距，连接好接触位置。相邻管材环向距不宜超过10cm。长管棚径向误差控制不可超过20cm。加工好之后进行后续打孔、清理处理，确保长管棚内部干净，不存在碎石等杂质。钻孔操作中，整体形状类似于梅花，钢花管尾部设置止浆段，且注意其密封检测。之后开展注浆作业，需使用配比合理的水泥浆液。注浆前期经过试验确定压力和比例，经过充分搅拌后应用于施工中。

3）优化施工相关参数。要考虑到高速公路实际情况，合理加大衬砌强度，确保结构质量安全。可使用加大厚度的钢筋网，并采用高强度混凝土，保证结构的刚性。下穿施工隐蔽性强，在完成施工后要仔细验收检查。施工中还应加强监测，主要包括地表沉降、锚杆轴力、爆破震动等内容，需经过必要计算、数据分析处理开展预测反馈，保证隧道稳定及施工安全。

2.2 下穿既有公路力学分析

2.2.1 要确定计算依据和计算模型

根据市政隧道工程的形态，综合分析下穿既有高速公路平纵断面图、地质资料，选择不利工况设立分析模型，并以施工段地质参数、地形实态为依据建立模型。如果埋深比较小，则需以自重应力场为主计算。建立模型过程中，宽度方向与高度方向要取值合理。模型下边界与左右边界施加竖向约束、水平约束。结合隧道工程特点，进行平面应变分析。按均质弹塑性考虑隧道围岩材料，利用合适的屈服准则。超前加固设计锚杆和管棚，结合以往数值模型经验以提高围岩材参数方式对加固区模拟[2]。

2.2.2 选择计算参数

参考工程地质勘察报告与隧道设计规范等资料，合理选取计算参数。其中，需采用提高围岩物理力学参数方式计算超前加固区和锚杆的支护效果，注意相关因素对围岩加固效果影响。对隧道开挖按照施工步骤进行模拟计算，确定初支护、围岩、二衬承担的压力。模拟计算主要是为了掌握设计施工方案下高速公路的安全性，以合理调整方案，确保施工顺利进行。以某新建隧道工程为例，该工程位于华东某改道工程线上，隧道内岩性单一，主要为花岗岩，隧道内构造不甚发育，地质构造对其影响较小。其计算参数选取见表1。

表1 某工程下穿施工计算力学参数

3 市政隧道下穿既有高速公路施工控制

3.1 加强地质审查预报

在隧道下穿既有高速公路施工中，施工人员需详细调查地质情况，做好施工方案制订、审批等环节控制。地质勘察需派遣专业人员进行，掌握施工地点地质条件及施工中可能出现的问题，向上级管理部门上交调查数据，为施工方案制订提供参考。同时，隧道施工部门需及时联系高速公路施工单位，寻求施工图纸和施工预案，以便施工中规避影响高速公路施工的地质问题。

3.2 隧道大管棚施工安全控制

当前市政隧道大管棚超前支护施工存在施工人员对施工数据认识不清以及缺乏支护经验等问题。需进一步加大安全控制力度，施工中合理选择大管棚长度、直径，在合理范围内搭建钢筋笼，实现大管棚支护作用。钻孔时可选择从最顶端中间一个孔位向两边对称钻孔施工的方式，以减少地基受到的破坏。施工人员还需注意大管棚钢管强度，可在管棚内部设置钢筋笼，注浆填充钢管，浇筑混凝土，以避免隧道坍塌。

3.3 加强监控量测控制

在隧道下穿既有高速公路施工中，监控量测技术不可或缺。加强施工中监控量测可以保证施工质量。当前高速公路在施工中还存在忽视监控量测的问题，因此需改进监控工作的不足，加大监控量测控制力度。监控量测主要包含振动速度、衬砌表面应变、底板沉降和结构变形四方面内容。监控人员需记录下各项参数，并与施工标准对比分析，尽早发现施工中存在的问题，及时调整施工措施，减少造成的破坏与损失[3]。