矿山法区间在砂层地段穿越高速公路的设计与分析

顾 锋 （广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

1 工程概况

某区间采用矿山法施工，左右线各分别有约150m、260m两段拱顶位于软弱地层。区间隧道在DK27+350～DK27+392段正穿共42m宽的沈海高速，隧道拱顶埋深约18.8m，沈海高速下方存在过水箱涵以及中石油、中海油等高压石化管线，隧道拱顶距过水箱涵底部14.3m。同时根据工程筹划需要，本区间在距沈海高速约19m处设置2号竖井及施工横通道。区间下穿沈海高速段隧道拱顶为淤泥质土、淤泥质砂、全新统冲洪积粗砂，洞身范围地层主要为全新统冲洪积粗砂、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩等，如图1、图2所示。由于本区间穿越地层孤石极为发育，矿山法区间穿越沈海高速可能会遇到孤石。

在地下水丰富的Ⅰ、Ⅱ类围岩的淤泥质土层、砂层地段，矿山法隧道开挖时极易发生涌砂、塌顶，导致地面下沉，隧道变形、失稳，造成严重后果，且区间隧道上方为正在运行的沈海高速以及中石油、中海油高压石化管线，一旦发生事故，造成的社会影响和经济影响将极为重大。

2 设计方案

2.1 全断面注浆加固

矿山法隧道开挖之前采用洞内深孔注浆对软弱土层进行全断面加固，加固范围如图3所示。

2.2 支护参数

本区间为单洞单线标准马蹄形隧道，开挖断面净高7.048m，净宽6.5m，初期支护采用厚度300mm的喷射混凝土（C25、P6）；在隧道拱部150°范围采用Φ89长管棚（L=90m）以及Φ42WSS管（L=6.5m），环向间距300mm；边墙设置间距1m×1m的Φ25中空锚杆（梅花形布置）；格栅钢架间距为0.5m，并设置工18型钢临时支撑；开挖时在每榀钢架拱脚处设Φ42锁脚锚管（L=3m）。二次衬砌采用厚度350mm的钢筋混凝土（C40、P10）。

容许工后沉降 表1

2.3 变形限值

参考《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）见表1。

隧道施工引起的地面沉降和隆起均应控制在环境条件允许的范围以内。采用暗挖法施工时，一般地段地面沉降量宜控制在30mm以内，隆起量控制在10mm以内；当穿越建筑物、重要地下管线时，上述数值应按相应的规范和规程允许值从严确定，对于空旷地区考虑适当放宽。因此区间穿越沈海高速变形限值为：地面沉降量宜控制在30mm以内，隆起量控制在10mm以内。

3 影响分析

由于隧道开挖引起地层变形的计算，目前基本有3种方法：第1种是以Peck教授提出的Gaussian曲线为代表的经验方法；第2种是理论预测法，包括解析方法和数值模拟法等;第3种是国内外一些学者所做的模型试验方法。本文利用第2种方法中的有限元分析法进行分析。

3.1 边界条件及本构关系

对于设计方案，我们建立有限元模型进行数值模拟分析计算，计算过程中的主要荷载包括单元自重、施工过程中考虑竖井基坑内降水开挖、区间矿山法隧道施工，周边环境按无限刚度体模拟，约束有限元模型底部的竖向位移及各侧面的法向位移。

本次分析的土层参数关系如表2，采用Mohr-Coulomb破坏准则模拟岩土体的材料特性。

地层的主要物理力学性质指标表 表2

本工程施工工序步骤如下：先施工竖井的围护结构，再开挖土方，随挖随撑，再施做横通道，矿山法隧道开挖前降水，全断面注浆加固土体，最后矿山法开挖，施做隧道衬砌。本次分析针对本工程的全过程进行数值模拟，共分10个工况即10个施工步骤，具体如表3。

分析施工步骤 表3

3.2 有限元模型

本次三维分析选择MIDAS-GTS计算软件，采用板单元模拟竖井围护结构、隧道衬砌结构，四面体实体单元模拟地层，梁单元模拟冠梁、圈梁，并采用摩尔-库伦破坏准则仿真模拟地层情况，计算范围为164m×100m×50m。计算模型见图5和图6。

3.3 计算结果

计算中首先得到地铁隧道初始阶段在土压力下的变形、内力、应力等数值，并将位移清零。从第3至第10计算步骤计算出由于隧道开挖引起的位移、内力、应力等的变化，根据该变化值来判断隧道开挖对沈海高速的影响。

矿山法隧道穿越沈海高速完成后竖向位移为18.89mm，详见图7。

矿山法隧道施工过程中，各个施工节点时的沈海高速的竖向位移如表4所示。

沈海高速的竖向位移汇总表（mm） 表4

从上述图表可知，随着矿山法隧道竖井基坑和横通道的开挖，沈海高速发生了竖向沉降，最大变形达到了9.08mm，占总沉降量的48.1%，出现在雨水箱涵与沈海高速交汇处；矿山法隧道开挖前降水引起沈海高速竖向的位移达到了7.55mm，占总沉降量的40%；而开挖矿山法隧道使得沈海高速产生了1.92mm的竖向位移，占总沉降量的10.2%，出现在矿山法隧道的正上方，并且累计沉降达到了18.89mm。

矿山法隧道穿越沈海高速完成后水平位移为4.31mm，详见图8。

矿山法隧道施工过程中，各个施工节点时的沈海高速的竖向位移如表5所示。

各施工阶段引起沈海高速的水平位移汇总表（mm） 表5

从上述图表可知，随着矿山法隧道竖井基坑和横通道的开挖，沈海高速发生了水平沉降，最大变形达到了2.16mm，占总水平位移的50.1%，出现在靠近竖井的一侧路基上；矿山法隧道开挖前降水使得沈海高速产生了1.34mm的水平位移，占总水平位移的31.1%，并且累计水平位移达到了3.5mm；而开挖矿山法隧道使得沈海高速产生了0.8mm的水平位移，占总水平位移的18.6%，并且累计水平位移达到了4.31mm。

4 保护措施

4.1 施工方法及主要施工工艺

区间隧道下穿沈海高速采用马蹄型复合式衬砌结构。可利用相邻竖井井位做试验井，进行降水试验及注浆试验，取得降水参数、注浆参数后再确定相关方案。矿山法隧道施工前需进行降水，把水位降到隧道底部0.5m。初期支护采用WSS管、长管棚加强，同时在开挖之前对土体采用深孔注浆进行加固处理，并对加固体进行检测，采用超短台阶法开挖，上台阶增加临时仰拱，及时封闭支护结构，严格控制沈海高速地面沉降。

4.2 特殊工程措施

①施工前，应对下穿段地质、水文及道路基础及周边管线情况进行详细调查，以确认地质条件、基础形式等。

②穿越过程隧道开挖控制开挖步距，缩小为0.5m，初支及时封闭，控制掌子面暴露时间。

③加强对初支背后进行充填注浆，控制地层变形。

④加强路面及路基底部沉降监测，并及时反馈监测结果，根据监测结果调整加固措施。

⑤当开挖过程中遇到涌水地层，需采用全断面注浆方式进行开挖面预加固。

⑥隧道超挖变形为10cm，施工严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的原则，开挖后及时支护及时封闭成环。

⑦对于过高速段可能存在的孤石，为避免爆破对地面的影响应采用非爆破或控制爆破技术进行隧道开挖，减少对围岩的扰动，防止塌方。

5 结论及建议

①做好信息化施工、加强监测，矿山法隧道下穿沈海高速的地表沉降值在合理范围内，并且能够满足高速公路使用要求。

②在城市地铁暗挖隧道施工中水的治理一直贯穿始终，水不仅危及施工过程中人员、设备的安全，也影响后续隧道运营的质量，同样也影响周边建（构）筑物的安全。由于地下水对隧道施工影响很大，本工程可利用相临近竖井做降水试验，以获取地下水量、水压等资料，并制定合理的降水方案。

③矿山区间砂层地段的施工，关键是砂层注浆固结效果；本工程可利用相临近竖井做注浆试验，确定注浆量和注浆压力等参数。

④在隧道开挖中，严格做好初期支护和监测工作；在预加固基础上，超短台阶法开挖，上台阶增加临时仰拱，施工中严防坍塌，以防注浆帷幕失稳。

[1] 孙钧，侯学渊.地下结构[M].北京：科学出版社，1988.

[2] JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 赵建平.浅埋暗挖隧道管棚预支护机理极其效用研究[D].长沙：中南大学，2005.