浅埋引水隧洞下穿高速公路超前支护体系研究

张翼翔，郭治岳，赵笑然，代崇锐，何复生

(1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031； 2.中铁二局第一工程有限公司，贵州 贵阳 550007)

0 引言

随着国家经济和社会需求的增长，水利水电建设事业发展迅速，长大隧洞在水利工程中的应用较多，在建设过程中通常会遇到下穿高速的情况。隧洞下穿高速时埋深较浅，上覆土体工程地质条件较差，施工时容易引发地表沉降影响高速公路的运营安全。

对于浅埋隧道下穿高速公路的研究，赵慧龙等[1]以格鲁吉亚某公路隧道工程为背景,研究了隧道围岩变形及公路沉降规律。黄智刚等[2]结合大樟溪—东张水库输水隧洞工程,通过支护体系与爆破参数两方面对长距离小断面输水隧洞施工下穿高速公路控制技术探究分析。樊一平[3]依托新疆某输水工程，研究了隧道下穿高速时的支护体系与开挖方式，保证了工程顺利进行。时晓贝[4]基于弹性地基梁理论,建立了下穿高速隧道管棚和初支的计算模型,并从控制沉降、防止坍塌2个方面进行了管棚变形和受力计算。通过Peck沉降公式,计算了管棚变形引起的路面沉降。赵弟明[5]通过施工方案、防护措施、控制要点等方面介绍了山西省中部引黄引水隧洞下穿忻保高速的工程情况。

本文结合云南滇中引水工程老尖山隧洞下穿玉江高速段，通过MIDAS/GTS有限元软件进行三维模型的建立，探究超前支护体系下地表沉降、围岩变形及支护结构受力情况，为类似工程提供理论经验。

1 工程概况

云南滇中引水工程老尖山隧洞里程桩号YX44+901.550～YX44+953.601段下穿玉溪—江川高速公路，平面交叉角度86.3°，长68.7 m，其中下穿高速公路段里程桩号为YX44+901.550～YX44+928.780,长度约27.2 m,该段公路路面高程1 850.70 m,输水线路底板高程1 837.79 m,隧洞顶部埋深约7.41 m。玉江高速公路为双向六车道公路，与老尖山隧洞交叉处为挖方路基，公路路面宽度约27.2 m,公路路面高程为1 850.70 m。老尖山隧洞下穿玉江高速公路平面位置见图1。

老尖山隧洞下穿玉江高速公路浅埋段主要为公路路面段，隧洞埋深约7.41 m，开挖断面宽为5.82 m，高为6.66 m，最小埋深7.41 m。开挖每循环进尺1.2 m。下穿公路隧洞变形主要发生在开挖和支护两个环节，为确保隧洞开挖安全，在施工过程中对老尖山隧洞YX44+844～YX44+994段进行超前加强支护。

隧道全段采用160 mm厚C20喷射混凝土与Ⅰ16钢拱架施作隧道初支，管棚工作室与公路下穿段内部施加300 mm厚C20喷射混凝土临时支护。考虑模型计算规模的影响，取YX44+885～YX44+957作为分析段，分析段隧洞长78 m。分为一般加固段、管棚工作室和下穿公路段共三个部分，其示意图如图2所示。

隧道每段具体支护形式见表1。

表1 隧道支护体系

2 地层-结构模型建立

2.1 有限元模型

采用MIDAS/GTS对隧道进行数值模拟。建立“超前支护+初期支护+临时支护”的支护体系，有限元计算中隧道开挖模型宽度通常为3倍～5倍洞泾，取隧道断面左右各30 m,隧道底板向下至模型边界取30 m，地表进行简化，隧道上部埋深7.41 m，模型纵向长度取78 m。在隧道土体表面高速公路段施加10 kPa车辆荷载，整体水头高于拱顶2 m，模型顶部为自由面，底部约束竖向位移，四周约束水平位移。整体模型网格划分见图3。

土体采用摩尔-库仑本构模型，3D实体单元模拟；初期支护采用2D板单元模拟；临时衬砌采用3D实体单元模拟；超前小导管和超前大管棚注浆区采用3D实体单元模拟；锚杆采用1D植入式桁架单元、超前小导管和管棚采用1D植入式梁单元模拟。各支护形式网格划分如图4所示。

2.2 计算参数

根据地勘资料，该隧道下穿高速公路段土体分为两层，上层土为含碎石砂土，下层为强烈砂化白云岩，由于围岩较为破碎，隧道开挖前需先采用超前小导管与管棚进行注浆加固。围岩和注浆加固圈的物理力学参数见表2。

表2 围岩和注浆加固圈的力学参数

初支和临时支护看作是混凝土与钢拱架的组合体，其混凝土的弹性模量根据等效刚度原则[6]，按照式(1)进行计算。

(1)

其中，E为综合弹性模量，MPa;Ec为混凝土弹性模量,MPa;Eg为钢拱架弹性模量,MPa;Sg为钢拱架截面面积,m2;Sc为混凝土截面面积,m2。

各支护结构的物理力学参数见表3。

表3 支护结构的物理力学参数

3 计算结果分析

3.1 地表沉降

3.1.1 横向沉降曲线

沿高速公路走向方向取隧道里程YX44+915断面地表沉降值，并绘制成曲线图，如图5所示。

由图5可知，在隧道贯通后，地表沉降关于隧道中心线呈V字型，隧道开挖对地表横向的影响范围在隧道轴线左右15 m内较为明显，地表沉降的峰值位于隧道正上方，为0.293 mm。

3.1.2 随开挖步的沉降曲线

沿隧道纵向开挖方向，随着开挖步的推进，分步骤取高速路中点处地表沉降值，如图6所示。由图6可知，在开挖步30之前，隧道开挖对于高速公路的沉降影响不大，开挖步30～60为公路下穿段施工，受路面车辆荷载的影响，地面沉降会产生一个突变，开挖步30～60对于地表的沉降影响较大，路面沉降的增长速率加快。通过公路下穿段后，沉降将缓慢增大并趋于恒定。

3.2 围岩位移

开挖完成后隧道的围岩位移如图7,图8所示。

由图7，图8可知，隧道开挖后水平向位移最大为0.643 mm，出现在隧道边墙位置。对于竖向位移而言，其最大值出现在拱顶和底板部位，其中拱顶沉降值为0.648 mm，底板隆起值为1.81 mm。

3.3 支护受力

3.3.1 系统锚杆内力分析

由图9系统锚杆的轴力图可知，锚杆轴力从拱顶向两侧锚杆轴力逐渐增大,拱顶锚杆受压，最大压力为3.02 kN。边墙锚杆受拉，最大拉力为2.02 kN。

3.3.2 衬砌支护内力分析

初期支护和临时支护内力云图见图10，图11，由图可知，初期支护和临时支护在边墙底部附近均出现应力集中的现象。其中初期支护最大拉应力为2.299 MPa,最大压应力为4.449 MPa，由于公路下穿段采用管棚超前支护与内部临时支护，其初期支护内力相较于公路两端明显减小。对于临时支护而言，其最大拉应力为2.148 MPa，最大压应力为3.226 MPa。

3.3.3 超前小导管受力分析

提取超前小导管的轴力弯矩如图12，图13所示，由图可知，随着掌子面不断向前推进，超前小导管轴力及弯矩的最大值整体变化的幅度不大，对于超前小导管而言，越靠近高速路下穿段受力越大。超前小导管受拉轴力最大值为17.055 kN，受压为3.682 kN。最大弯矩为0.041 kN·m。

3.3.4 管棚受力分析

提取管棚的轴力弯矩如图14，图15所示，由图可知，管棚受拉轴力最大值为7.589 kN，受压为3.447 kN。最大弯矩为0.098 kN·m。

4 超前支护施工工艺

4.1 制作工艺

1)管棚钢管采用热轧无缝钢花管，直径φ108 mm、壁厚6 mm,前端加工成不大于45°尖角的锥形。注浆管棚管壁四周应钻φ10 mm～φ15 mm注浆孔，间距30 cm，采用梅花形布置，尾部应预留3.0 m的无孔止桨段。

2)超前小导管长4.5 m,钢管采用热轧无缝钢管，直径φ42 mm、壁厚3.5 mm，前端加工成不大于45°尖角的锥形。注浆管棚管壁四周应钻8 mm～10 mm注浆孔，间距15 cm,采用梅花形布置，尾部应预留1.5 m的无孔止浆段。

4.2 钻孔与安装

管棚孔根据设计要求确定孔位并做出标记，开孔允许偏差为40 mm。超前小导管的开孔孔位偏差应不大于100 mm。钻孔孔径应大于钢管直径，钻头直径应大于管子直径25 mm以上。

钻孔时应严格控制钻杆轴向，保证管棚施工钻进方向的准确，脚手架应搭设可靠，钻机应固定牢固，钻进过程中应采用测斜仪器。钻孔顺序由高孔位向低孔位进行，并间隔错开;钻到一定深度时，应用测斜仪器检查孔的倾角是否正确，以便及时纠正。钻孔完成后，孔内的岩粉和积水应洗吹干净，并保护好孔口。

管棚和超前小导管安装前应对开孔进行检查，对不符合要求的管棚孔进行处理。钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15 cm,奇数孔与偶数孔接头应错开。钢管末端应与套拱导向管或钢拱架焊接牢固。

4.3 注浆

采用纯水泥浆液注浆。注浆前进行注浆试验，并根据试验的情况调整注浆参数。初始注浆试验时，水泥浆水灰比(质量比)可采用1∶0.5～1∶1,先稀浆后浓浆。注浆压力暂定为0.2 MPa～0.5 MPa,具体需根据围岩地质条件及外水压力情况经现场灌浆试验确定。注浆结束后及时清除管内浆液，并用M20水泥砂浆紧密充填，增强钢管的刚度。

5 结论

对老尖山隧洞下穿高速公路段支护结构进行优化，采用超前支护+初期支护+临时支护的支护体系，得出以下结论：

1)在该支护体系下，开挖对玉江高速的沉降影响范围为隧道轴线上方地表左右各15 m范围内。随着开挖的推进，地表的最大沉降值为0.292 mm，说明在该支护体系下能有效地减小地表沉降值。

2)由于隧道埋深较浅，支护结构受力较小。公路下穿段因采用加强支护措施，其初期支护内力明显减小。隧道全段支护在材料的允许范围内，可以判定隧道结构处于安全状态。

3)下穿高速公路隧洞开挖应采取合理的地层超前加固措施，同时做好施工准备和施工组织，加强监控并及时掌握和提供围岩和支护系统变化信息和工作状态，以确保施工安全和高速公路车辆行驶安全。