紧邻建筑物大断面超浅埋土质连拱隧道设计施工关键技术研究

王木群

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 长沙 410200)

在山区高速公路上，连拱隧道很常见，目前国内外对连拱隧道科研、设计、施工主要集中在双向4车道标准断面施工[1-2]。通常情况下，连拱隧道洞口主洞采用超前大管棚、中导洞采用超前小导管的加强支护型式[3]，开挖方式一般采用中导洞加两侧导洞(简称三导洞开挖)[4]，但当连拱隧道断面大、超浅埋、地质极差且下穿或近接居民小区建筑时，确保隧道安全施工和周边建筑物的安全是首要任务[5]，常规的连拱隧道设计施工方式不适用，既有的工程案例报道也很少[6]。本文以长沙市月亮岛路普瑞隧道为依托，探讨紧邻建筑物大断面超浅埋土质连拱隧道设计关键技术，研究中导洞设置管棚、隧道两侧设置隔离桩门式框架结构、隧道主洞采用三台阶预留核心土开挖等综合措施[7-8]，以确保安全施工之目的，供同类隧道施工参考。

1 工程概况及风险分析

长沙月亮岛路普瑞隧道西起雷锋大道，下穿普瑞斯堡小区，东至吴家冲路，为双向6车道城市大断面连拱隧道，设计速度为60 km/h，长660 m，桩号为K7+365～K8+025，围岩以全风化泥质板岩为主，稳定性极差，遇水容易软化成泥而完全丧失承载力。隧道双洞开挖断面宽度为30.52 m，如图1所示。

隧道K7+860～K8+025段，埋深仅2 m～5 m，周边密布高档别墅区和高层居民楼，二者平面关系如图2所示。隧道施工一定会对小区居民的生活造成干扰[9]，若施工不当，紧邻建筑物会出现开裂、变形，甚至是垮塌[10]。另外，该小区物业隶属湖南省新闻出版集团，社会监督严苛，对隧道施工要求极高。由于明挖法产生的噪音让小区居民难以接受，且明挖隧道基坑距离房子过近对房子的稳定性极不利，同时在房子周边深挖一大基坑会引起居民恐慌，协调难度巨大，项目推进很困难。因此，综合考虑隧道施工安全和既有建筑物的安全，采用暗挖法施工，且应快速通过，以免长时间对小区造成干扰。基于本隧道施工要求高、协调难度大、设计断面大、超浅埋、地质条件差、周围环境复杂等特点，须采取重要的安全保障措施来保证暗挖隧道顺利实施及周边建筑的绝对安全。

单位：cm

单位：m

2 设计关键技术

2.1 洞口管棚

目前，连拱隧道洞口一般采用超前小导管+管棚的常规方案，即主洞设置管棚及套拱、中导洞设置Φ42超前小导管，如图3所示，此方案一般用于石质隧道中导洞[11-12]。由于本隧道埋深浅、地质极差、周边房子密集，中导洞先开挖，采用Φ42小导管悬挑的刚度难以保证中导洞施工的安全及周边建筑物的安全[13]。为此，提出在中导洞拱部120°范围内全部设置Φ108长管棚，增设中导洞管棚套拱并落脚，如图4所示。中导洞管棚与主洞管棚一起施作，长度均为40 m。其余段落采用Ф42注浆小导管进行超前支护。

图3 超前小导管+管棚方案

图4 扩大管棚方案

2.2 隔离桩门式框架结构

隧道K7+860～K8+025段埋深极浅，有暗挖、明挖2种方案，但根据前文风险分析，本段隧道应采用暗挖法施工通过。隧道与建筑物最近的距离为3.2 m，左侧为8栋别墅，右侧为12层高楼，隧道开挖卸荷容易引起差异沉降，致使房子开裂，甚至坍塌。为确保周边建筑的绝对安全，在隧道两侧从地表施作隔离桩(Φ0.8 m@1.0 m)，在隔离桩外侧设置旋喷桩止水帷幕，最大限度避免地下水的流失引起地表下沉、建筑物开裂，并施作横梁(纵向间距10 m)，通过冠梁连接成整体，形成门式框架结构，埋深小于5 m的段落采用PVC管进行注浆加固，如图5所示。

2.3 开挖方式

连拱隧道通常采用三导洞开挖的方式，即开挖中导洞再开挖两侧的导洞[14]。传统的三导洞施工进度缓慢，考虑到隧道两侧从地表施作了隔离桩门式框架结构，且该隧道围岩以土质为主，无需爆破，只需采用机械开挖方法，再加上本段宜快速通过，避免长时间对小区居民生活造成干扰，因此提出中导洞加三台阶预留核心土的方案，如图6所示。

2.4 衬砌支护参数

结合隧道设计规范，针对本隧道断面情况、地质情况，采用工程类比法对隧道衬砌支护参数进行设置，如图7所示。主洞支护参数：二衬采用60 cm厚C30钢筋混凝土结构，初期支护为28 cm厚C20喷射混凝土(内置22工字钢，间距0.5 m)，系统锚杆为D25中空注浆锚杆；中导洞支护参数：目前国内连拱隧道中导洞净宽大多设置为6 m左右，施工不够便捷，后期实际施工中都进行了加大，而本项目为了提高出渣效率、施工进度及方便施工机械进出，中导洞净宽设置为7 m，采用22 cm厚C20喷射混凝土结构(内置16工字钢，间距0.5 m)，底部设置20 cm厚C20混凝土整平层、10 cm厚碎石垫层；中隔墙参数：中隔墙采用C30钢筋混凝土结构，中隔墙顶部、底部均采用Ф42注浆小导管进行加固，间距为100 cm×100 cm。

(a) 平面布置

(b) 横断面布置

图6 中导洞+三台阶预留核心土施工方案

单位：cm

3 数值模拟分析

3.1 隧道模型的建立

选取K8+010断面进行建模计算，该断面隧道埋深3.0 m，主洞及中导洞均采用Ф108管棚进行超前支护，采用MIDAS-GTS数值计算软件建模，模型宽102 m，高36 m，如图8所示，边界条件为左右固定、底部固定。围岩及主洞初期支护采用实体单元，中隔墙初期支护、二衬、桩及横撑均采用结构单元。围岩采用摩尔库伦模型，初期支护、二衬、桩及横撑等均采用弹性模型[15-16]。隧道以全风化泥质板岩为主，呈松散土状，承载力极差，围岩物理力学参数按照地质专业提供的试验值进行取值，其它材料参数按照隧道规范进行取值，主要材料参数见表1。

施工步骤如下：1) 采用PVC管进行地表注浆；2) 施作隔离桩及横撑；3) 开挖中导洞①并施作中隔墙②；4) 开挖右洞(先行洞)上台阶③并施作初期支护；5) 开挖核心土④；6) 开挖右洞中台阶⑤并施作支护；7) 开挖右洞下台阶⑥并施作支护；8) 施作右洞二衬⑦；9) 采用右洞同样的方法开挖左洞，如图9所示。

图8 计算模型

表1 材料参数

图9 开挖工序

3.2 计算结果分析

1) 围护结构位移分析

通过计算得出隔离桩门式框架结构的水平位移和竖向位移，如图10、图11所示。

图10显示，隔离桩门框结构的最大水平位移发生在隔离桩中部，主要是由隧道开挖卸荷所致，最大值为-2.42 mm，桩顶水平位移约1 mm，表明地表横撑起到了很好的支撑作用；图11显示，隔离桩门框结构的最大竖向位移发生在地表横撑中部，最大值为-5.7 mm，隔离桩最大竖向位移不到-3.8 mm，位移均较小，桩顶竖向位移约-3.5 mm。位移结果表明，隔离桩门式框架结构体系效果良好，能够达到很好的隔离作用，最大限度隔断隧道开挖对周边建筑物的影响。

图10 水平位移

图11 竖向位移

2) 围岩地层位移分析

隧道采用三台阶预留核心土法施工后，围岩变形情况如图12、图13所示。

由图12可以看出，地层最大水平位移发生在隧道外侧的拱脚处，其中右洞外侧拱脚处的最大水平位移为-9.02 mm，左洞外侧拱脚处的最大水平位移为7.6 mm，隧道两侧地表水平位移约为2 mm，地层水平位移均较小；由图13可以看出，地表最大竖向位移发生在隧道中隔墙顶部，最大竖向位移为-5.7 mm，其次是隧道底部，最大竖向位移为10 mm，两侧地表竖向位移约为-1.8 mm，即围岩产生了一定的沉降和隆起变形，但围岩竖向位移相对较小。从围岩位移可见，隔离桩门式框架结构控制地层变形的效果显著，主洞采用三台阶预留核心土法开挖也能有效减少对围岩的扰动，地表位移(建筑物所在位置)较小，表明隧道开挖对周边建筑的影响不大。

图12 地层水平位移

图13 地层竖向位移

3) 监测数据与数值模拟结果对比

隧道实际施工过程中，选取K8+010断面进行监测，测点布置如图14所示，监测内容及结果见表2。

从表2可以看出，施工过程中的实际监测结果与数值模拟结果接近，验证了数值模拟建模和参数取值的合理性，进一步表明了本文设计施工方案的合理有效。

4 结论

本文为了解决紧邻建筑物大断面土质连拱隧道设计施工的问题，以长沙市月亮岛路普瑞隧道为工程实例，采用了隧道两侧设置隔离桩门式框架结构、中导洞设置管棚和套拱、隧道主洞采用三台阶预留核心土开挖等设计施工关键措施，结论如下：

1) 为了最大限度保护周边建筑物的安全，隧道两侧设置隔离桩和旋喷止水帷幕，拱顶地表设置横撑，总体上形成门式框架结构；数值有限元仿真分析和施工中的动态监控量测表明，该结构对暗挖浅埋隧道施工非常有效。

2) 为了确保隧道施工安全，中导洞拱部120°范围内设置管棚，并设置套拱，与主洞管棚及套拱一起施作，形成了整体联合超前强支护，对快速通过大跨连拱、软弱围岩段是很有效的工程措施。

3) 根据现场围岩地质情况，选用中导洞+主洞三台阶预留核心法土代替三导洞的开挖方式，能高效快速安全通过紧邻建筑物超浅埋大跨段，施工方式合理有效。