隧道浅埋下穿高速公路桥梁墩台沉降分析及控制技术

本文以中老铁路玉溪至磨憨段勐养隧道浅埋下穿思小高速公路桥梁为背景，采用Midas有限元软件对该段进行数值模拟，分析地面及桥梁桩台在不同的注浆加固工况下的沉降变形，优化支护参数，确定施工工艺和加固方案，并和现场实际监控量测数值进行对比，验证数值模拟的合理性，为今后同类工程提供借鉴参考。

In this paper， a bridge of Simao–Xiaomengyang Expressway over the shallow Mengyang Tunnel of Yuxi–Mohan Section of China–Laos Railway was taken as a study case， for which numerical simulation was made with Midas finite element software， to analyze the settlement and deformation of the ground and the bridge piles under different grouting reinforcement conditions. Then the support parameters were optimized， and the construction technology and reinforcement scheme were developed. Finally， the actual monitoring and measurement values on-site were compared with the numerical simulation results， to verify the rationality of this simulation. The conclusion will provide a reference for similar projects in the future.

近年来，隧道开挖引起的地表及既有公路等构筑物的沉降变形一直都是隧道设计及施工需要解决的难题。本文以中老铁路玉溪至磨憨段勐养隧道浅埋下穿思小高速公路桥梁为背景，采用Midas有限元软件对该段进行数值模拟，根据数值模拟计算分析，得到地表及桥梁墩台沉降值，并结合现场实际监控量测沉降值对比，Midas有限元数值模拟结果与现场监控量测数值较为吻合。研究表明：针对采用浅埋矿山法施工的隧道，地表不进行注浆加固、隧道内不进行超前加强支护时，地表及墩台沉降最大，反之沉降最小，且地表注浆加固对地表沉降控制效果优于洞内措施加强，浅层地表注浆加固对隧道内沉降影响不大。

一、工程概况

（一）新建隧道及既有高速公路桥梁概况

勐养隧道位于云南西双版纳傣族自治州景洪市境内，野象谷附近，进口里程为DK332+460，出口里程为DK345+999，全长13539m。为设计时速160km双线隧道。勐养隧道下穿思小高速公路段为Ⅴ级围岩，复合式衬砌，隧道开挖宽约13.5m、高11.9m，初支厚29cm，采用I22b型钢钢架，二次衬砌厚60cm，三台阶法开挖。

既有高速桥梁位于思小高速公路段，为双向四车道高速公路，路面宽21.5m，为目前连接中国和老挝的唯一高速通道，交通量极大。隧道下穿思小高速公路桥梁中心里程K87+705，该桥孔径布置为：上下行线均为5孔30米T型连续梁桥，4#桥墩中心里程K87+750，为双柱桩柱式桥墩，桩基础桩径1.6m，桩长20m，桩底高程780.112m～782.319m;5#桥台台前里程K87+780，为重力式桥台，明挖扩大基础，桥台扩大基础底高程左幅807m、右幅804.5m。

（二）桥隧位置关系

隧道于DK341+134处，从高速4#桥墩与5#桥台之间下穿而过，铁路與公路的平面交角约71°，高速公路行车路面宽约21.5m，桥面宽度对应隧道范围为DK341+123～+145段22m，该段隧道边缘与公路4#墩桩基最近水平距离为7.05m，桩底高程与隧道拱顶基本齐平，与5#桥台最小水平距离1.77m，与桥台扩大基础底最小水平距离0.77m，隧道拱顶与桥台底部竖向距离22.76m。

（三）工程地质

交叉段上覆第四系全新统人工填土（Q4ml）碎石土，冲洪积层（Q4al+pl）淤泥质土、粉质黏土、圆砾土，坡残积层（Q4dl+el）粉质黏土;下伏基岩为侏罗系上统坝注路组（J3b）泥岩，紫红色夹灰绿色，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落，具遇水软化崩解、失水收缩开裂等特性。

二、隧道支护与地表注浆设计

（一）隧道支护

隧道下穿思小高速段采用三台阶法加临时仰拱进行施工，机械开挖，衬砌类型为V级加强型复合衬砌，全环采用I22b型钢钢架，钢架间距0.5m/榀。拱墙范围施作一环Φ108大管棚及大外插角Φ42小导管进行超前支护。大管棚壁厚8mm，长45m，环向间距0.4m，每环63根，外插角1°～3°。大管棚内设置钢筋笼，钢筋笼采用4Φ20HRB400级钢筋固定连接而成。大外插角Φ42超前小导管，壁厚3.5mm，外插角40°，每根长6m，环向间距1.0m，纵向每4m一环，每环25根。注浆材料采用水泥浆，水灰比=0.8：1。

（二）地表注浆加固

对隧道下穿高速公路桥梁段两侧地表采用Φ108钢管桩注浆加固，4#墩左幅距离隧道开挖轮廓线较近，采用斜向+竖向注浆结合方式。竖向注浆加固区范围：隧道线路右侧开挖轮廓线2m以外进行地面注浆加固，顺桥向4m，横桥向12m;斜向注浆加固区范围：顺桥向约4m，横桥向11m，共布设5×5排钢管桩，注浆孔间距0.5m（横桥向）*1m（顺桥向），终孔间距按照3m控制，斜向注浆孔与水平面夹角75°～87°，梅花型布置。注浆深度均至隧道仰拱底，竖向注浆区平均钻孔注浆深约34m，斜向注浆区平均钻孔深36m。

5#桥台采用斜向注浆，范围：顺桥向台前扩大基础外5m至右幅橋台台后2m，横桥向与高速路面水平投影同宽，加固面积为26.06m×22.52m，注浆深至对应里程处隧道拱顶以上2m;Φ108钢管桩采用发散布置形式，终孔间距3m，注浆孔与水平面夹角15°～72°。5#桥台斜向注浆加固区最小钻孔深约23m，最大钻孔深约32m。

三、数值模拟与沉降分析

（一）桥隧参数

1.高速公路参数：

思小高速公路汽车荷载等级采用公路-Ⅰ级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，车道荷载由均布荷载qk和一个集中荷载Pk组成。结构整体计算应采用车道荷载。

公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5kN/m。集中荷载标准值Pk按以下规定选取：

桥涵计算跨径L0≤5m，Pk=180kN;

L0≥50m，Pk=360kN;

5<L0<50m，Pk值采用直线内插求得。

思小高速公路桥梁4#桥墩基础设计为一排4根桩径160cm的桩基础，桩长20m，钢筋混凝土结构。考虑车道荷载以及上部单跨30m长T型梁重量荷载，单根桩按照承受1200kN集中荷载进行分析。5#桥台高5.83m，底面宽3.5m，为双台阶扩大基础，每台阶厚1.0m，底面尺寸11m×6m，埋深2.5m，考虑车道荷载及上部半跨15m长T型梁重量荷载，桥台荷载采用800kN/m进行模型分析。

2.隧道支护参数

勐养隧道下穿高速公路段衬砌类型为Ⅴ级复合式衬砌，初支全环设置工22b钢架，间距0.5m/榀，二衬为C40钢筋混凝土，厚60cm。

初期支护弹性模量按照喷射混凝土和钢架折合计算。由于喷射混凝土和钢拱架是紧裹在一起的，共同变形、共同受力，所以钢拱架根据钢筋混凝土计算原理采用等效截面计算，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土，其计算方法为：

式中：E’h为考虑钢拱架后喷射混凝土弹性模量;

E⁰h为原始喷射混凝土弹性模量，C25混凝土为30GPa;

Ag为钢拱架截面积;

Eg为钢拱架弹性模量，取200GPa;

Ah为喷射混凝土截面积。

计算得到钢拱架与喷射混凝土共同作用综合弹性模量E’h为35.86Gpa。

大管棚超前支护注浆加固区厚度按照以下公式计算：

式中：D为大管棚注浆加固区厚度;

R为浆液扩散半径;

S为相邻两注浆孔间距，取0.2m。

浆液扩散半径由下式计算：

L₀为管棚中心距，为0.4m。

经计算得到大管棚加固区厚0.5m。围岩注浆后其粘聚力可提高2～3倍，根据地质情况综合考虑，计算中对加固区的弹性模量E提高一倍（2.5×106kPa）处理，按照弹性体分析。

（二）计算模型

1.模型说明

分别选取上行线桩基础和下行线桥台与隧道开挖外轮廓最小距离的断面位置关系进行分析。

计算模型中地层和桥梁基础采用平面应变单元模拟，隧道衬砌采用梁单元，为理想弹性体;本构模型为摩尔-库伦弹塑性体;隧道三台阶开挖过程采用钝化对应台阶单元网格来实现，隧道支护采用激活对应的网格进行模拟，桥梁墩台所受荷载采用集中荷载，对模型左右两侧进行水平向约束，底部进行水平向和竖向约束，以模拟大地半无限体。

根据圣维南原理，在进行隧道数值仿真时，为保证边界条件，根据不同的施工条件和地质情况，模型大小应取开挖洞室尺寸B的3～5倍，以保证模型边界的位移基本为零。本次模型竖向范围模型计算深约50m，上侧取至自然地面，下侧取至隧道仰拱底15m，横向桥台一侧取至隧道边墙外20m，桩基一侧取至隧道边墙外25m。以足够大的范围保证计算精度，隧道与桥梁4-1#桩基础、5#桥台最小水平距离分析模型如图所示：

桥梁为既有运营中，分析时桥梁及墩台荷载和地层合并为初始地应力状态。分析隧道开挖对桥梁影响的二维有限元分析的具体施工阶段如图：

2.工况分析

本文选取三种不同的工况进行分析比较，三种工况桥隧断面位置关系不变。

工况一：隧道不进行超前支护等洞内加强支护措施，地表不进行注浆加固，为天然地层;

工况二：隧道内进行Φ108大管棚超前注浆支护，地表不进行注浆加固，为天然地层;

工况三：隧道内进行Φ108大管棚超前注浆支护，地表进行注浆加固，注浆加固后地层力学参数同W3泥岩地层力学参数。

3.参数选取

（三）位移分析

1.整体位移

隧道二衬施作后工况一条件下模型整体最大位移出现在桥台台后人工填土区域及隧道拱部上方地表，约20mm，工况二和工况一整体位移近乎相等。工况三条件下整体最大位移位于隧道拱部，最大约8.2mm。

2.隧道衬砌位移

三种工况下隧道衬砌最大总位移分别为8.8mm、8.0mm、7.4mm，均位于拱顶。

隧道在三种不同工况下的位移统计如下图，其中竖向沉降位于拱顶，仰拱发生向上的隆起变形。

工况一和二条件下，勐养隧道开挖支护后桥梁4#墩桩基础最大位移沉降位于桩顶，分别为2.2mm和2.3mm，工况三条件下，桩基础最大位移为1.2mm，位于桩底。

三种工况条件下，勐养隧道开挖支护后桥梁5#桥台最大位移沉降均位于台顶承受梁端荷载处，最大总位移分别为15.1mm、15.4mm和5.2mm。

从上图看出，工况三桥梁墩台周边地表注浆加固后，地表沉降位移、桥梁墩台位移、隧道衬砌位移均不同程度减小，对地表沉降量及桥梁墩台位移影响较为显著，对隧道衬砌位移影响较小，地表注浆加固后桥台位移及地表沉降量大幅减小，效果显著。隧道施工对4#墩桩基础影响不大，对桥台影响较大。

勐养隧道下穿思小高速公路段正洞施工期间地表监测最大沉降约10mm，最小沉降约3mm。施工期间高速桥梁墩台沉降观测最大沉降量为4号墩约1.9mm，桥台最大沉降约1.1mm。

根据数值模拟计算分析，得到地表及桥梁墩台沉降值，并结合现场实际监控量测沉降值对比，Midas有限元数值模拟结果与现场监控量测数值较为吻合，整体数据可靠。

四、结语

（一）地表不注浆加固、隧道内不进行超前支护时，地表及桩台沉降最大，地表、桥墩、桥台沉降值分别为：20.2mm、2.2mm、15.1mm，隧道及地表加固后，对应沉降值减小为8.2mm、1.2mm、5.2mm，较未采取加固措施时分别减小59%、45%、66%，加固效果显著。

（二）通过对工况二、三的数值模拟结果对比分析，浅埋隧道地表覆土较厚时支护措施对地表桩台沉降控制效果远小于地表注浆加固对桩台沉降的控制效果，地表注浆加固对桥梁墩台沉降控制效果更为显著。

（三）通过对工况二和工况三的隧道沉降数值模拟结果对比分析，地表注浆前后隧道衬砌位移沉降值变化不大，隧道施工期间浅埋地表是否注浆加固对隧道洞内沉降变形效果不显著，应注重洞内加强支护措施。

刘强

中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司

Liu Qiang， Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd. of CREEC