超浅埋隧道下穿对既有高速公路的影响研究*

李 景 李 洋 杨阿龙 刘夏临

(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051; 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430056)

隧道工程作为长大线性工程,不可避免地将下穿各种地表建(构)筑物,这对隧道的工法、施工方案、环境保护等均提出了更高的要求,在不影响地表建(构)筑物结构安全和运营安全的前提下,隧道施工方案的选择将面临诸多挑战。

近年来,国内外诸多学者针对隧道下穿既有地表建(构)筑物开展了大量研究。Jeng F.S.等[1]研究了下穿施工过程中的施工加固措施,提出了降低地表沉降的有效控制方法。谭贝[2]研究了双线盾构隧道下穿既有高速公路过程中的沉降影响规律。刘鑫榕[3]依托某地铁双线隧道下穿既有高速公路工程,研究了隧道下穿对高速公路路基的扰动影响。郭瑞等[4]结合实际工程,研究了隧道下穿情况下对松散高填土路堤的沉降影响,并通过与现场监测数据进行对比分析,验证了结果的可靠性。张旭等[5]依托北京地铁区间隧道研究了地铁隧道下穿对既有车站结构沉降的影响,提出对应的沉降控制措施,为同类型的下穿工程提供了借鉴和思考。栗晓龙[6]依托实际工程,开展超深基坑开挖对既有地铁隧道的安全影响分析,提出了对应的支护体系。傅立磊[7]研究超浅埋软岩大断面隧道下穿路基施工过程中对路基和洞室变形的影响,在此基础上提出了相应的控制措施和控制标准。

综上所述,已有不少学者针对隧道下穿各种地表建(构)筑物的影响进行了详尽且富有成效的研究,但由于隧道工程下穿的复杂性和特殊工况的不可复制性,隧道下穿既有高速公路安全事故常有发生[8]。

因此,开展隧道下穿对既有高速公路的影响研究具有重要的现实意义。本文依托某公路隧道下穿既有高速公路工程,结合工程实际情况,拟提出预制装配式波形钢与混凝土组合结构箱拱型钢通道施工工艺下穿的建设方案,并通过数值分析手段对整体结构的安全性进行分析,以验证设计方案。

1 工程概况

新建某超浅埋隧道下穿高速公路工程,经调查,拟下穿的既有高速公路不具备明挖导改的条件,经与相关方沟通、对接,拟在下穿段采用暗挖通过。

根据工程地质调绘及钻探揭示,考虑地基土沉积环境、沉积韵律、堆积时代,以及工程性能,可将桥址区地层从上到下划分为6层,主要为素填土、湿陷性粉土、粉土、粉质黏土。

暗挖隧道全长91.1 m,拱顶覆土2.5～3.6 m,为保证既有高速公路安全,暗挖隧道采用管幕进行超前支护、采用CRD工法开挖。

双联拱隧道管幕下穿既有高速公路的最小覆土厚度为2.5 m,与高速公路47°角斜交,斜交长度约33 m,纵坡按1%考虑,横坡为2%～4%在洞室内调节,断面尺寸为2-10.25 m(宽)×5 m(高)双舱结构,采用整体式路基设计,路基宽22.5 m。

具体相对位置见图1。

图1 下穿隧道与既有高速公路相对位置图(单位:m)

2 下穿施工方案

为保障隧道下穿既有高速公路工程的施工安全和高速公路运营安全,结合本工程实际情况,通过方案比选论证及专家咨询,最终确定采用预制装配式波形钢与混凝土组合结构箱拱型钢通道施工工艺下穿的建设方案,控制地面沉降。隧道采用钢筋网、喷混凝土、型钢钢架及超前支护联合作为初期支护,以装配式波形钢与混凝土组合通道为二次衬砌组成,初期支护与二次衬砌间采用微膨胀混凝土充实。

根据工程实际特点,管幕施工方案为:钢通道轮廓线外侧管幕施工→上台阶拱脚水平旋喷加固施工→下台阶拱脚水平旋喷加固施工→钢通道内下台阶向下施工隧底垂直旋喷加固桩。

2.1 隧道支护方法

为保证钢通道施工安全和控制其对既有高速道路的影响,本钢通道工程采用直径402 mm锁扣管幕进行超前支护。隧道采用钢筋网、喷混凝土、型钢钢架及超前支护联合作为初期支护,施工时辅以临时支护,以装配式波形钢与混凝土组合结构通道为二次衬砌组成,初期支护与二次衬砌间采用微膨胀混凝土充实。拱脚采用水平旋喷加固,根据现场环境和地质条件,采用直径600 mm、间距400 mm水平旋喷桩进行加固。支护设计图见图2。

图2 管幕支护设计图(单位:m)

管幕施工采用“钢管液压顶进,管内螺旋出土”的顶管施工方法。隧道开挖高度为12.1 m,开挖跨度为9.5 m。

2.2 隧底加固方案

隧底采用垂直旋喷加固,为保证下穿钢通道的整体稳定性和通行性,对钢通道底部5 m范围内的原状土层进行加固改良。加固采用单管单介质(水泥浆)进行施工,加固深度5 m,旋喷设计桩径直径800 mm,断面横向间距100 cm,纵向排间距120 cm,梅花形布置,随开挖进度跟进加固。垂直旋喷加固及布置图见图3。

图3 隧底垂直旋加固示意图

2.3 隧道开挖方案

开挖和衬砌顺序如下:①上台阶开挖:浇筑洞门圈梁→上台阶开挖掘进→上台阶型钢衬砌安装→喷锚填充缝隙→安装临时型钢支撑→循环开挖上台阶20～25 m;②下台阶开挖:开挖下台阶→下台阶型钢衬砌安装→喷锚填充缝隙→续接中台阶型钢支撑→循环开挖下台阶5～10 m→转换上台阶开挖支护;③开挖贯通:循环上、下台阶开挖→型钢衬砌安装→喷锚填充缝隙→临时型钢支撑安装→下台阶隧底加固→隧道闭合成环,临时支撑建立→安装波纹管衬砌。开挖示意图见图4。

图4 台阶法开挖断面示意图

2.4 装配式箱拱型钢通道施工方案

箱拱型钢通道从起点到终点,沿直线安装,主要施工方案为:拆除第一节临时支撑→设定位支撑→底板吊装(叉车吊)并调平及定位→法兰面涂抹密封胶→侧板吊装→螺栓初拧→法兰面涂抹密封胶→顶板吊装→螺栓初拧→设定位支撑→外形校正→螺栓终拧→固定定位支撑→初始节混凝土模板安装→底板外缝隙浇注C25→自流平微膨胀混凝土→侧板外浇注C25→自流密微膨胀混凝土→顶板外浇注C25自流平微膨胀混凝土→顶板最顶端注浆→初凝后拆模→底板内部临时路面浇筑混凝土→节间环向密封垫铺设→下一节临时支撑拆除→下一节装配式箱拱型钢通道安装→紧固节间螺栓→依次循环施工→钢通道内外露螺栓装修。

3 隧道下穿既有高速公路的安全影响分析

3.1 计算模型

考虑工程的有效影响范围及既有结构的差异变形,模型尺寸为80 m×75 m×45 m,模型图见图5。计算模型中土体采用实体单元,不同土层采用不同材料模拟,土体本构关系采用Mohr-Coulomb屈服准则,波纹钢板采用板单元,隧道底部旋喷加固桩采用梁单元模拟,边界条件选取顶面为自由边界,底面为固定约束,其他面均采取法向约束。内部结构示意图见图6。

图5 三维计算模型图

图6 模型内部结构示意图

3.2 计算参数

根据工程地质勘探报告、既有高速公路资料及相关规范,计算过程中的模型材料参数见表1。

表1 模型计算参数表

3.3 隧道下穿既有高速公路的施工过程模拟

为分析隧道开挖过程对东吕高速的影响,整个计算过程采用施工阶段分析,主要包括:初始地应力平衡、外侧管幕及旋喷桩加固施工、台阶开挖等。整个计算过程共模拟了111个施工步,左洞贯通和右洞贯通后的高速公路路面沉降和附件地表沉降云图见图7～图10。

图7 左洞全断面通过道路时地表道路沉降云图

图8 左洞贯通时地表沉降云图

图9 右洞全断面通过道路时地表道路沉降云图

图10 右洞贯通时地表沉降云图

综合各个施工阶段的结果,在下穿隧道施工过程中,不同阶段开挖卸荷引起的既有高速公路及附近地表沉降见表2。由表2可知,在隧道下穿既有高速公路过程中,随着掘进的进行,既有高速公路范围内及附近地表最大沉降呈现逐渐增大的趋势。既有高速公路范围最大沉降为9.5 mm,既有高速公路附近地表最大沉降为10.2 mm,隧道下穿施工引起的既有高速公路路面相邻区域最大差异沉降值为2.9 mm。根据相关规范[9],结合《建筑地基基础设计规范》[10]中对各种建筑物控制标准,对于区间隧道侧穿既有建筑物时,地表沉降极限值为0.005L,(L为相邻基础间距),对于本工程而言,取高速公路的单向行车道的宽度3.75 m,故地表沉降控制值为18.75 mm,通过计算可知,采用预制装配式波形钢与混凝土组合结构箱拱型钢通道施工工艺下穿的建设方案,下穿隧道贯通后,高速公路交叉段范围最大沉降为9.2 mm,同时地表最大沉降值为10.2 mm,满足安全规定的限制。

表2 不同开挖阶段东吕高速公路范围内及附近地表最大沉降统计值 mm

4 结语

1) 本文提出了复杂条件下超浅埋暗挖下穿既有高速公路的施工方案,详细介绍了隧道支护、管幕支护,拱脚加固、隧底加固、隧道开挖及装配式箱拱型钢通道施工方案,采用该方案,可有效控制高速公路路面及影响区域的地面沉降,可为国内同类型的工程提供借鉴。

2) 借助三维精细化数值分析,计算了预制装配式波形钢与混凝土组合结构箱拱型钢通道施工工艺下穿建设方案的安全影响,计算结果表明通过有效的加固措施和合理的施工组织设计,可以较好地控制沉降和差异沉降。

3) 通过计算结果可知,在隧道下穿既有高速公路过程中,随着掘进的进行,既有高速公路范围内及附近地表最大沉降呈现逐渐增大的趋势,而且在高速公路内的沉降范围逐渐扩大,直至右线接近贯通时,沉降趋于稳定,新建隧道施工对既有高速公路的安全运营影响较小。

本文提出的下穿施工方案的各个部分可在实际类似工程中灵活选用,具体应用时应综合考虑现场的实际情况、工程地质条件、水文地质条件及现场施工条件等,在此基础上针对局部危险区域,增设拱脚的锁脚锚杆控制初支沉降变形,确保工程的安全施工。