双连拱浅埋暗挖隧道下穿高速公路沉降影响分析

邬 泽，朱 恺

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

莞惠城际惠环站—新客运南站区间于GDK91+340～GDK91+615段以双连拱隧道下穿惠盐高速公路，该段隧道埋深约 10～17 m，开挖宽度 16.7～19.19 m，开挖高度9.9 m，开挖面积为145～167 m2，是典型的浅埋暗挖大断面隧道。隧道沿途地质条件较差，地下水位埋深浅，隧道主要穿越全、强风化凝灰质粉砂岩层，部分段落隧道全断面位于全风化凝灰质粉砂岩层中。全风化凝灰质粉砂岩呈土状，工程力学性质较差;强风化凝灰质粉砂岩，节理裂隙较为发育，岩石强烈破碎。隧道开挖后，围岩易坍塌，易出现地表下沉(陷)或坍塌冒顶现象。

惠盐高速公路于1993年12月30日全线贯通，是连接惠州市和深圳市盐田区的高速干道。惠盐高速公路目前主线为双向4车道，路面宽度约24 m，设计时速100 km，是广东省境内建成较早、车流量大、设计时速较高的高速公路，隧道施工若造成高速公路沉降将对地面交通安全产生很大影响。

在地质条件较差，隧道埋深较浅的条件下施工大断面双连拱隧道，既要保证隧道结构自身的安全，又要保证高速公路的运营安全。因此，采取何种措施在保证高速公路运营安全的前提下，顺利完成该段双连拱隧道的施工是本工程的关键。经工程类比，制定了隧道下穿高速公路的地层变形控制措施，拟定了隧道的施工方法，通过数值模拟分析，对所采取措施和施工方法的有效性进行验证，以期指导类似工程的设计和施工。

2 隧道结构设计(图1)

图1 双连拱隧道支护结构(单位:mm)

隧道设计遵守相关现行标准、规范，结合实际情况，按“预堵水、管超前、强支护、弱爆破、短进尺、早封闭、勤监测、备预案”的原则，制定下穿段的设计和施工方案。

隧道按新奥法原理，采用复合式衬砌结构进行设计与施工。隧道采取以下支护及辅助措施控制地表沉降和保证隧道在无水条件下开挖，确保施工过程的安全。

(1)隧道半、全断面注浆

隧道采用半、全断面注浆加固止水措施，保证隧道的安全开挖。

(2)长管棚支护

隧道拱部120°范围设φ108 mm长管棚进行超前支护，保证隧道开挖安全。

(3)超前注浆小导管

隧道拱部120°范围内设φ42 mm超前注浆小导管对地层进行补强注浆。

(4)初期支护

初期支护厚350 mm，采用C25、抗渗等级P6喷射混凝土，全环设置I25a钢架，钢架间距0.5 m。边墙设置砂浆锚杆，梅花形布置。

(5)二次衬砌

二衬拱顶和边墙厚500 mm，仰拱厚550 mm，根据地下水的侵蚀性和隧道的埋置深度，二次衬砌采用C45，抗渗等级P10钢筋混凝土。

3 隧道施工方案

隧道按喷锚构筑法和浅埋暗挖法原理进行施工，以合理地利用围岩自承能力，尽量减少隧道开挖对围岩的扰动为原则，采用人工或机械开挖技术，结合爆破开挖，以锚杆、钢筋网、喷射混凝土及钢架作为主要施工支护手段，模筑钢筋混凝土为二次衬砌，并通过现场监控量测指导设计和施工。

双连拱隧道采用中洞法施工，中导洞先行，并施作中墙，探明围岩条件后再进行两侧隧道的开挖，具体施工步骤如图2所示。

图2 双连拱隧道中洞法施工步骤

4 数值模拟分析

4.1 分析内容

(1)选取隧道埋深最浅、风险最大的断面进行数值分析。

(2)分析隧道横断面上地面沉降规律，确定地面沉降最大点的位置和沉降值。

(3)分析路面上较大沉降点处隧道通过前后的沉降规律，验证隧道开挖步骤及措施的可靠性。

4.2 计算软件

本文采用目前国际上较通用的岩土工程软件FLAC－3D对隧道开挖后路面沉降进行数值模拟分析。

4.3 计算假定

(1)隧道施工期间，既有公路结构仅考虑正常使用工况，不考虑地震、人防工况。

(2)高速公路路面车辆荷载采用20 kPa的均布荷载替代。

(3)土体是连续的、非线性材料，隧道结构及路基结构是线弹性材料。

(4)假定区间隧道结构与高速公路路基结构间土体符合变形协调原则。

(5)本分析的前提是施工处于正常良好控制条件下。

(6)土体变形为小变形。

4.4 三维分析模型

模拟区域沿隧道线路方向取45 m长，深度取隧道底部下50 m深，横向取结构外两侧45 m，结构埋深约10 m，隧道正上方高速公路路基宽取24 m。建立的计算模型如图3所示，模型上边界为自由边界，底部约束竖向位移，各侧边限制横向位移。模型共计85 815个单元，90 022个节点，全部采用实体单元建模。

图3 双连拱隧道三维分析模型

土体和注浆加固区采用Mohr-Coulomb本构模型，隧道初期支护、二次衬砌及公路路基采用弹性本构模型。

双连拱隧道开挖前长管棚及小导管注浆加固通过增强该区域内土体参数方法进行模拟。

4.5 计算参数

隧道所处地层从上往下依次为素填土、全风化凝灰质粉砂岩，其具体围岩计算参数及土体加固区计算参数见表1。

双连拱隧道初支、二衬混凝土及路基混凝土材料参数如表2所示。

4.6 计算工况

本次数值模拟的计算工况根据实际施工工序进行简化，模型的开挖支护共分为5个工况进行模拟，见表3。

表1 土体力学参数

表2 隧道初支、二衬及路基材料力学参数

表3 双连拱隧道施工计算工况

在施工模拟过程中，每一个工况的开挖长度均为3 m，并以此确定每15 m范围内为一个开挖循环。从工况二起，都在前一工况再继续向前开挖3 m的基础上进行下一步的模拟，直至完成全部开挖。如图4所示。

4.7 计算结果分析

为减少模型边界效应对计算结果的影响，选取纵向15～30 m范围内的开挖循环进行分析。图5为不同计算工况下15～30 m范围内土体竖向变形云图。

从图5中可以看出，由于开挖产生的应力释放，隧道拱部出现向下的沉降，下部土体(核心土)处会有部分的隆起。随着隧道不断向前开挖，隧道拱顶的沉降也在不断增加，当完成工况五时，隧道拱部土体沉降达到9.5 mm，此时模型15 m处的地表沉降曲线如图6所示。从沉降曲线可以看出，隧道施工引起的地面位移以下沉为主，最大沉降量出现在中隔墙上方土体，沉降槽为以中隔墙上方为最低点呈正态分布，隧道开挖主要影响为中线左右两侧20 m。

图4 双连拱隧道开挖工序示意

图5 15～30 m开挖循环土体竖向位移

图6 完成工况五时隧道15 m处地表沉降曲线

模型15 m处隧道断面上部地表在隧道开挖全过程中的沉降值变化如图7所示。从图7中可以看出，土体在15～30 m范围内(即一个开挖循环)沉降变化最大，30 m以后(15 m处已完成二衬施作)变化趋于平缓，最终沉降达到9.5 mm左右。

图7 模型15 m处隧道断面上部地表沉降曲线

5 结论及建议

5.1 结论

(1)在双连拱隧道段埋深最浅处(约10 m)，隧道采用中洞法施工引起的惠盐高速公路的路面最大沉降为9.5 mm，满足高速公路的运营安全。

(2)隧道施工引起的地面位移以下沉为主，最大沉降量出现在中隔墙上方土体，沉降槽为以中隔墙上方为最低点呈正态曲线分布，根据沉降曲线，隧道开挖主要影响范围为隧道中线两侧20 m。

(3)从掌子面的开挖对地表沉降的影响看，在土体开挖到隧道二衬浇筑完毕这一个循环内，地表沉降速率最快，二衬浇筑完毕后，地面沉降将趋于稳定。因此应遵循“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”的原则，尽早封闭初支和二衬紧跟的做法可以较好地控制地表沉降。

5.2 建议

为实现隧道施工对上方高速公路影响尽量最小的目标，控制隧道暗挖法施工引起的变形，提出以下建议。

(1)施工应按“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、早支护、快封闭、勤量测、速反馈”的原则进行。开挖前应先进行加固及护顶，施工过程中加强对隧道开挖支护和路面监控量测。根据监测反馈信息，必要时增加临时支撑或调整开挖支护顺序，或提前施作二次衬砌。

(2)采用合理的开挖方式，变大跨为中跨或小跨，边开挖边支护，步步为营，当采用留核心土环形开挖时，核心土断面应大于开挖断面的50%。

(3)施工中应尽量减少对围岩的扰动，尽量采用人工或机械开挖，当不得不爆破开挖时，应采用光面或预裂等控制爆破技术，采取短进尺，弱爆破施工。

(4)钢架拱脚需认真处理，拱脚未落脚处需设置锁脚锚杆，在软弱围岩加垫槽钢。

(5)对于软弱围岩隧道，在开挖超前15～30 m后，应及时施作该段的二次衬砌，以使隧道尽快形成完整的受力结构。隧道二衬拱部应进行充填注浆，以防止隧道拱部二衬与防水层之间形成空隙。

(6)施工中加强管理，严格按有关标准、施工工艺、细则进行施工，保证施工质量。

(7)应做好应急预案，确保出现险情后有足够的应对措施及人员。

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