填方路基强夯对现有隧道稳定性的影响分析

李林龙

(广西建工集团有限责任公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着新时代交通强国战略的实施，我国的道路工程将迎来又一个重要且宝贵的建设发展期。路基是道路的基础，是道路工程施工的首要环节，也是影响公路工程施工质量的一个关键因素[1-2]。在山区公路施工中如果遭遇未固结路基或软土路基，处理不当极易导致公路路基沉陷或失稳坍塌。处理软土地基或未充分固结路基的方法主要有置换法、表层处理法、预应力管桩处理技术、强夯加固技术等，其中强夯法由于具有施工机具简单、施工速度快、加固效果显著等优势而被广泛应用[3-4]。该方法是采用大质量的重锤通过自由落体运动冲击夯击面以使道路充分固结。冲击过程中部分能量会以纵波、横波以及面波的形式从作用点向四周传播，从而会对一定范围内的地面构筑物产生不同程度的损害。

目前，学者们在强夯施工产生的影响方面开展了相关卓有成效的研究。袁方龙等[5]通过监测振动速度研究了不同硬壳层厚度、不同强夯施工参数对地基的震动效应影响；黄璇、许彩琦[6]通过分析振动速度与距离的关系，探讨了水库工程坝基强夯施工的影响规律；施微丹[7]通过测试和分析不同能级夯锤作业时地面振动的峰值和频谱信息，并运用插值计算和曲线拟合的方法，研究了强夯区与工业建筑和居民建筑的最小安全距离。上述研究的监测手段及监测指标均较单一，对比效应不强，对强夯作用所造成的周围结构物安全性影响的研究还不够细致，并且现阶段在强夯施工对高速公路隧道安全性影响方面的研究较少。本文通过监测与分析隧道洞口及洞身振动速度、应变、结构变形与沉降等多种参数，全面分析强夯施工对隧道具体部位的稳定性影响。

1 工程概况

三江至柳州高速公路DZK52+960～DZK53+060、DYK52+960～DYK53+077段路基位于两隧道之间，路线穿越的山体山势陡峻，两隧道间“V”字形冲沟发育，切割深度大，纵坡陡。目前冲沟内堆填有大量隧道弃渣，堆填时间在1年以上，未充分固结，路线在此范围原设计以高填方路堤形式通过，若不处理将对路基稳定性产生不良影响，并产生较大的沉降和位移，同时严重危害路线方向两隧道洞口的稳定与安全。

综合考虑该段新近堆积填土石的特性、施工场地狭窄等条件，从安全、经济、施工难易程度以及方案执行效率出发，计划采用强夯、局部深沟区域进行注砂浆等方式对填方路堤进行处理。采用强夯法进行路基加固过程中，对邻近隧道主体结构不同断面位置、不同测点处的振动速度、应变、沉降等进行监测与分析，具体评价强夯对现有隧道洞口、洞身的影响，为路基治理加固设计提供数据参考。

2 强夯及振动监测方案

在隧道洞口前使用重量22 t、直径2.2 m的夯锤进行强夯，隧道洞口前设置无隔振沟与有隔振沟两种情形，分别监测有、无隔振沟情况下隧道内距洞口0 m、11.2 m、16.8 m处隧道衬砌壁面的振动速度、应变、变形和沉降数据。夯击试验区测点布置见图1。无隔振沟情况下设置5处夯击位置，有隔振沟情况设置3处夯击点，每个夯点分3个能级，第1、2击为1 500 kN，第3、4击为3 000 kN，第5击及之后为4 000 kN。隔振沟距离隧道洞口5.20 m，宽度为3.00 m。对于振动速度的监测，在隧道内三个不同截面位置的边墙上布置径向、切向、垂直三个方向的振动传感器，共计15个振动传感器；对于应变的监测，在隧道壁距洞口0 m、11.2 m、16.8 m的3个截面上布置应变传感器，每个截面绕壁周围均布5个测点，分别布置在左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰和右边墙处，每个测点均布置径向、切向、斜向三个方向的应变传感器，共计45个振动传感器；对于变形和沉降监测的监测，同样在三个不同截面位置处布置变形观测点，每个截面绕壁均布5个测点，共计15个变形观测点。

图1 监测点布置示意图(cm)

3 振动监测数据及处理效果分析

3.1 振动速度分析

采用振动传感器对有、无隔振沟情况下每一夯击点每次夯击下隧道衬砌内壁振动速度进行监测。重点观察和分析各夯击点第5或第6次夯击作用下隧道内壁的振动速度变化。无隔振沟情况下1～5号夯点第6击作用下隧道洞内壁振动速度分布见图2(a)，有隔振沟情况下1’、3’、5’号夯点第5击作用下洞内测点振动变化见图2(b)。

由图2可知，随着夯点位置离隧道洞口越来越近，隧道洞内壁各监测点的振动速度逐渐增大，并且离隧道口越近的监测点增长的幅度越大，而离隧道口较远的3号监测点，其各方向上的速度变化较为平缓。在无隔振沟的情况下，洞内壁测点振动速度最大值出现在洞内右侧测点1的竖向方向，振速为0.483 cm/s；在有隔振沟时，洞内壁测点振动速度最大值同样出现在洞右侧测点1的竖向方向，其振速为0.533 cm/s。由此可见，开挖隔振沟情况下隧道洞内壁最大振动速度要大于无隔振沟时隧道洞内壁最大振速值，无法判断隔振沟对振速的影响。

(a)无隔振沟

3.2 应变监测分析

通过在隧道洞内不同截面、不同断面位置处布置应变传感器，分析强夯作用对隧道洞内衬砌不同部位的影响。其中，在无隔振沟情况下，1号夯点处夯击时隧道洞内截面Ⅰ墙角至拱顶各部位的应变变化情况见图3；在有隔振沟时，5’号夯点处夯击对隧道洞内截面Ⅱ各部位的应变影响见下页图4。

(a) 衬砌左边墙

(a)衬砌左边墙

由图3和图4可知，夯击作用下无论有无隔振沟影响，隧道衬砌壁面应变均表现随机变化性，但变化范围基本上都在-5～5με之间。随着夯击次数递增，无论有无隔振沟情况，隧道拱顶受拉程度增加，拱顶径向、切向、斜向三方向都出现拉应变，隧道壁面径向、切向、斜向均极易发生开裂问题，从应变角度考虑，隧道拱顶是隧道衬砌结构最危险的部位。无隔振沟时夯击对隧道结构产生的应变最大值和最小值分别为5με和-4με；有隔振沟时夯击对隧道结构产生的应变最大值和最小值分别为3με和-4με。混凝土结构极限拉应力一般较小，即抵抗受拉的能力弱，主要研究衬砌不同部位壁面的正应变值，所以，隔振沟的存在能有效降低隧道壁面正应变值，保护隧道安全性。

3.3 隧道衬砌结构变形与沉降监测分析

在隧道洞内三个不同衬砌截面绕壁布置变形观测点，监测每个衬砌截面左、右边墙、左、右拱腰及拱顶的水平位移和沉降情况。在有、无隔振沟情况下，三个不同截面各测点的水平位移及沉降分别见图5和图6。

由图5可知，无隔振沟时，隧道衬砌最大水平位移主要发生在左边墙或拱顶位置，最大水平位移值为1.9 mm；最大沉降基本位于衬砌左拱腰位置，最大沉降值为1.7 mm，发生在截面Ⅲ衬砌左拱腰处。

(a)水平位移

由图6可知，开挖隔振沟条件下，隧道衬砌结构最大水平位移均发生于右拱腰处，最大水平位移值为1.2 mm；最大沉降主要发生于各衬砌截面右边墙及拱顶位置，最大沉降值为0.8 mm，位于截面Ⅰ上。

从图5和图6可知，无隔振沟时应重点关注衬砌左边墙和拱顶处的水平位移以及衬砌右拱腰处沉降情况；有隔振沟情况下应注意衬砌右拱腰的水平位移及右边墙处的竖直沉降。

(a)水平位移

4 结语

本文通过分析隧道衬砌壁面振动速度、应变、水平位移及沉降情况，分析了强夯作用对隧道衬砌结构的安全性影响，具体结论如下：

(1)有、无隔振沟情况下，强夯作用下隧道洞内壁测点最大振速分别为0.533 cm/s和0.483 cm/s，无法准确判断隔振沟对振速的影响。

(2)随着夯击次数递增，拱顶拉应变有增加的趋势，隔振沟的存在能有效降低隧道壁面拉应变值，保护隧道的安全性。

(3) 有、无隔振沟情况下隧道衬砌最大水平位移及最大沉降发生的部位不相同，需重点关注的衬砌壁面位置也不相同，开挖隔振沟能降低衬砌结构水平及垂直变形量，有利于隧道的稳定。