超浅埋隧道下穿高速路基沉降控制标准与技术

杜晓峰

(山西路桥第一工程有限公司一分公司，山西 太原 030000)

某隧道工程起迄桩号为DK5+095～DK13+294，是一条单洞双线隧道。该隧道进口段需从某既有公路下部穿过，和既有公路之间夹49°角，相交段总长130 m左右，且为浅埋段，覆土厚度只有4.1～4.9 m。结合地勘报告，既有公路路基以人工填土为主；山坡表面主要为粉质黏土，层厚在0.5～4.0 m范围内；隧道进口以全风化花岗闪长岩为主，其岩性相对较差。相交段处在隧道的进口，不仅范围不大，而且基本没有节理裂隙和地下水发育，但所处环境条件比较复杂，是整条隧道的重点控制项目。

1 模型建立与材料参数确定

1.1 荷载模拟

交通荷载一般借助半波正弦荷载进行模拟，考虑到交通荷载具有的特性并充分参考前人经验，此次将交通荷载全部简化成易于分析的半波正弦荷载。

1.2 三维建模

通过数值模拟确定隧道、地层和公路三者形成的体系在受到隧道开挖作用影响后导致既有公路产生的变形。结合现场具体情况进行三维建模，并为模型施加和集体工程一一对应的各种边界条件及初始条件。参考该隧道具体情况建立一个三维模型，将覆土深度取4.1 m，其中，土层和路基均选择摩尔-库伦模型来模拟，隧道衬砌支护体系选择弹性本构模型来模拟，而隧道开挖则选择空模型来模拟。若未考虑交通荷载，则只借助摩尔-库伦模型来模拟，但需要对初始自重应力予以考虑，除了上部属于自由边界，其它面均为固定边界。而考虑交通荷载的情况下，需进行静态边界的合理设置，对于静态边界，实际上就是黏性边界，它你能为模型创造类似于无线场的效果，避免波产生扭曲，进而防止反射[1]。

1.3 参数确定

根据室内试验结果，结地勘成果将各类材料的基本参数确定如表1所示。

表1 材料参数确定

1.4 路基沉降控制基本标准

如前所述，相交段隧道的最小埋深确定为4.1 m，因既有公路的路面存在一定不平整性，所以将不平整度确定为20%，同时由于公路自身使用年限有限且地质条件复杂，故将安全系数确定为1.5。目前对于路基沉降控制，主要采用三种基准，经计算可得不同基准对应的值为79.18 mm、32.8 mm和66.02 mm，相应的修正值分别为44 mm、18 mm和36 mm。综合上述结果，为切实保证隧道的施工安全，将修正值确定为36 mm。为便于管控，基于该基准进一步划分得到预警值和报警值，分别为21.6 mm、28.8 mm。

2 结果分析

2.1 开挖方法和路基沉降控制

目前常用的隧道开挖方法主要有三种，即双侧壁导坑法、台阶法与CD法。通过模拟可知，这三种方法对应的路基沉降无显著差别。在隧道从路基段穿过后，既有公路的路基产生不均匀沉降，最大沉降产生在隧道轴线上，与隧道轴线相距越远沉降值越小。根据数值计算结果，采用双侧壁导坑法进行开挖时，路基沉降的最大值为27.3 mm；采用台阶法进行开挖时，路基沉降的最大值为44.2 mm；采用CD法进行开挖时，路基沉降的最大值为35.5 mm。相较于台阶法，采用CD法进行开挖能减少约19.7%的沉降，采用双侧壁导坑法能减少约38.2%的沉降，可见，三种方法中以双侧壁导坑法开挖导致路基产生的沉降最小[2]。

2.2 开挖进尺和路基沉降控制

将开挖方法确定为双侧壁导坑法，对不同开挖进尺对应的路基沉降进行模拟和数值计算，根据结果可知，不同开挖进尺对应的路基沉降有明显差异。当开挖进尺为0.5 m时，路基沉降的最大值为44.2 mm；当开挖进尺为1 m时，路基沉降的最大值为47.5 mm；当开挖进尺为2 m时，路基沉降的最大值为50.3 mm；当开挖进尺为3m时，路基沉降的最大值为53.4 mm。可见，路基沉降和开挖进尺之间为正相关，即当开挖进尺较大时，路基沉降也较大。相较于0.5 m的开挖进尺，当开挖进尺增加至3 m时，路基产生的沉降增加约20.8%，直接说明开挖进尺会给路基沉降造成很大影响。

2.3 支护方法和路基沉降控制

根据上述结果可知，双侧壁导坑法对控制既有公路的路基沉降更有利，能减少开挖导致的路基沉降；同时采用最小的开挖进尺也能起到对路基沉降予以有效控制的作用。然而，不论开挖方法还是开挖进尺，均为施工要素方面的优化，要想更有效的控制沉降，还应采取有效预加固方法[3]。初步编制的预加固方案为：方案一：无预支护；方案二：单层大管棚超前预支护；方案三：单层大管棚超前预支护+小导管；方案四：双层大管棚超前预支护。通过模拟与数值计算可得，相较于方案一，采用方案二能减少16%的路基沉降，采用方案三能减少36%的路基沉降，采用方案四能减少50.9%的路基沉降。可见，以方案四的支护效果最好[4]。若隧道与既有公路之间相交段施工中能采用双侧壁导坑法进行开挖，同时采用0.5 m的开挖进尺，并辅以方案四的支护，则能将既有公路路基产生的沉降限制在20 mm之内，这与标准要求的不超过38 mm完全相符，能将隧道施工对既有公路路基造成的影响降至最低[5]。

在新建隧道开挖施工中，超前管棚支护基本原理为将上覆地层荷载均匀传递至管棚，再由管棚将荷载传递至钢支撑，最后由钢支撑将荷载传递至基座，以此有效控制或避免围岩拱顶发生变形。在荷载不断传递时，管棚除了能为上部地层荷载提供可靠支承，还能起到与梁结构类似的作用，使弯矩与剪力均传递到钢支撑处。在超前管棚基础上进行注浆是指在开挖轮廓以上以适当的间隔距离和与开挖方向保持1°～3°的角度设置钢管，并使其成环，然后通过为钢管压力注浆得到一种与钢管砼结构类似的结构形式。采用这一工法后，钢管可起到以下两方面作用：其一，起到和超前管棚支护完全一致的作用；其二，为浆液进入到地层中提供通道，使地层得以有效加固。采用该方法进行加固后，上部围岩会在浆液渗入作用下形成结晶体，进而使上覆地层得到有效改善，同时钢管还能为上覆地层荷载提供一定支承。管棚结构主要作用机理为将其上部围岩荷载分散至掌子面之前土体与格栅拱架处，以此减小掌子面之前土体承受的压力，大幅提高掌子面土体安全稳定系数。在松散地层中，将隧道开挖完成后，围岩可能出现片帮冒顶，产生一定松动压力，以岩柱与普氏理论为代表性理论。

2.4 辅助加固工法

除超前管棚支护外，还有很多类似工程开始采用MJS法与CFG桩板联合加固法。MJS法是指全方位高压喷射，最初用于解决水平旋喷存在的排浆缺陷和环境污染问题，后期由于该方法优势独特，所以开始在倾斜与垂直施工中使用。该方法以传统高压喷射为基础，使用一种全新的多孔管与前端造成装置，通过多孔进行强制排浆，并能对地内压力予以实时监测，通过对强制排浆量的适当调整实现对地内压力的有效控制，从而减小对环境造成的不利影响。另外，地内压力降低还能起到保证成桩直径的作用。该方法理论上能在任意角度和方向进行喷射，加以排浆方式特殊，所以能使富水土层和需要对孔口进行密封处理等复杂情况下的水平施工成为可能。在过去的高压喷射施工中，多余泥浆主要由土体和钻杆形成的间隙排出。该排浆方式会使地层内压力变大，导致周围地层出现明显的变形。而在深度较大的部位进行排浆还有很大难度，使钻杆与喷枪周围受到较大压力，降低喷浆效率，最终对地层加固效果造成影响。采用该方法后，由于能对地内压力进行实时监测，并采取强制排浆方法，所以能实现对地内压力的有效调控，将施工给周围环境造成的影响和扰动将至最低，最终保证超深条件下的加固效果。

CFG桩板是一种常用软弱地基加固方式，由CFG桩、钢混桩与钢筋砼承载板三部分构成，其具体工作机理为：由承台板将上部荷载传递至桩体，再由桩体将荷载传递至桩间土、下卧层等处，以此实现对路基沉降的有效控制，并防止变形破坏产生。CFG桩和混凝土筏板相结合的加固形式，其作用机理为：采用CFG桩具有的置换作用对地层进行挤密，同时由筏板为上覆地层荷载提供支承。上覆地层荷载不断传递时，在筏板结构承载作用下，增大桩间土自身压缩模量，进而最大限度发挥出土体自身承载力。CFG桩成桩时，粉煤灰与水泥粉等桩体材料会在发生水化反应时与周围土体之间产生一系列反应，如吸水、发热与膨胀，在这些反应的作用下，使土体达到挤密或压密。与此同时，采用CFG桩不仅能提高地基自身承载力，而且还能增加抗剪强度，使路基保持稳定。当地层较为软弱和破碎时，因隧道开挖施工可能引起地层变形或路基沉降，所以可能导致穿越工程失败。对此，有必要采取适当的辅助工法加固地层与路基，以此对上覆路基和隧道底板产生的变形进行有效控制，确保隧道安全运营。

2.5 其它控制措施

在隧道穿越路基段施工中，除了可以采取以上工程措施，还可通过对下列控制措施的应用将隧道开挖给路基造成的扰动降至最低。

(1)减慢行车速度。隧道下穿路基期间，因隧道开挖产生的地表沉降使路基产生变形，导致公路运行受到影响。根据以往相关经验，如果减慢行车速度，则可起到减小路基沉降可能造成的影响的作用，同时也能减小对已经沉降的路基造成的冲击。

(2)采取合理可行的联合加固措施。在实际工程中如果地层条件较差，则可同时采用两种方法进行加固，比如在CFG桩基础上联合使用注浆加固的方法。结合工程具体情况与特点，采取至少两种辅助工法进行加固能有效减小或避免穿越施工中路基发生的沉降变形。

(3)注浆补偿和路基抬升。当隧道施工需要从路基段下部穿越时，应采取措施严格控制路基沉降与变形，如果施工中因控制不到位导致既有路基产生明显的沉降与变形，则应立即采取措施进行恢复，目前最常用的恢复方法为注浆抬升。该方法的作用机理可分为以下四个阶段：第一阶段为将土体初步填充密实；第二阶段为通过注入浆液和土体之间达到固结；第三阶段为通过对土体进行加密注浆或劈裂注浆产生一定顶升力；第四阶段为使目标上覆土体得到明显的抬升。如果隧道穿越的路基出现过量沉降，则可采用注浆的方法使路基向上抬升，这样能有效补偿因隧道开挖产生的路基沉陷，防止路面结构破坏，保证行车安全与质量。

3 结 语

根据相关调查与研究资料可知，覆土只有4.1 m左右的隧道从既有公路下部穿过的情况在国内十分少见，要想将既有公路路基产生的沉降控制在允许范围内有很大的困难。对此，通过数值模拟来分析确定不同因素和既有公路路基沉降之间的关系：

(1)台阶法、CD法和双侧壁导坑法三种常用开挖方法相比，以双侧壁导坑法引起的既有路基沉降最小，其次为CD法，最后为台阶法。

(2)当开挖方法选定为双侧壁导坑法时，如果开挖进尺增加，则既有公路路基产生的沉降增大，即采用最小开挖进尺能减少对既有路基造成的扰动，减小沉降。

(3)相较于无预支护方案，采用双层大管棚超前预支护方案时，既有路基产生的沉降最小。

(4)隧道与既有公路之间相交段施工中若能采用双侧壁导坑法进行开挖，同时采用0.5 m的开挖进尺，并辅以方案四的支护，则能将既有公路路基产生的沉降限制在20 mm之内，这与标准要求的不超过38 mm完全相符。