下穿省道公路隧道施工变形与控制技术研究

卢超波,陀楚明,姜洪亮,杨庭伟,张 伟

(1.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;2.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心,广西 南宁 530007;3.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北 武汉 430071)

0 引言

对高速公路隧道穿越特殊结构物[1-3]、特殊地质[4-5]隧道开挖围岩变形的问题,大量学者进行了系统细致的研究,隧道施工开挖造成围岩变形,对周边既有结构将会造成影响。本文通过对某高速公路下穿省道的隧道单洞进洞段施工开挖进行数值试验分析,并结合施工过程监测数据对其变形机制进行研究,提出变形控制技术措施,为其他类似隧道工程设计与施工提供参考。

1 工程背景

某高速公路隧道设计为洞身分离式隧道,速度 100 km/h,路基宽度为 26 m,路面采用沥青混凝土结构。隧道左线隧道起讫桩号2ZK44+285～2ZK49+075,右线隧道起讫桩号2K44+265～2K49+073,隧道进洞口位于山体斜坡上,上部约22 m为省道,与隧道成斜交60°穿越,省道路面为沥青混凝土结构,进洞段围岩表层主要为碎石土,局部为粉质黏土,厚度1～4 m,下伏围岩主要为强-中风化砂岩,岩质较软,节理裂隙极发育,岩体破碎。隧道开挖断面净宽13.76 m,断面开挖面积约113 m2。如图1所示。

2 数值试验

2.1 数值试验模型

为进一步分析进洞段施工开挖对地表变形影响的机制,根据隧址所处地形与岩性情况,建立图2所示的数值试验模型,模型Y轴走向为隧道走向,数值试验模型为几何阶梯模型,模型长、宽、高(Y、X、Z轴方向)分别为103 m、120 m、70 m,模型网格数量为334 101。数值试验模型的物理力学参数是根据室内试验结果结合现场揭露围岩破碎程度取值,模型计算本构模型采用M-C本构模型,初次支护采用实体单元,围岩的初始地应力场为自重场,计算平衡后进行隧道开挖数值试验,模型围岩及初期支护参数如表1所示。

图1 隧道进洞段地质平纵断面图

图2 数值分析模型图

表1 模型参数表

2.2 数值试验结果

隧道采用上台阶预留核心土的两台阶法进行开挖,上台阶开挖进尺每循环为0.5 m,图3为开挖进尺0.5 m、10 m、20 m、30 m时的无支护地表变形与沉降变形云图,对应实际隧道掌子面里程为分别为2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(a)进尺0.5 m地表位移

(b)进尺0.5 m地表沉降

(c)进尺10 m地表位移

(d)进尺10 m地表沉降

(e)进尺20 m地表位移

(f)进尺20 m地表沉降

下页图4为采取超期支护措施后,隧道上台阶预留核心土法按每榀钢支架间距即开挖支护步距为0.5 m的循环开挖支护,开挖进尺0.5 m、10 m、20 m、30 m时地表变形与沉降变形云图。在循环开挖支护后均进行模型平衡计算,并开挖支护下一循环,对应实际隧道掌子面里程为分别为2K44+273.5、2K44+283、2K44+293、2K44+303。

(c)进尺10 m地表位移

(d)进尺10 m地表沉降

(e)进尺20 m地表位移

(f)进尺20 m地表沉降

(g)进尺30 m地表位移

(h)进尺30 m地表沉降

从数值试验结果看,随着隧道开挖,地表影响范围逐渐增加,其地表变形、沉降累计值随着开挖进尺增加而增加。隧道开挖进尺10 m后,有无支护情况下隧道开挖均会对省道基底产生影响,进尺20 m后,省道基底形成半沉降盘,省道外侧路肩无支护时最大沉降值约10 mm,有支护时最大约5 mm;进尺30 m后,有无支护均将对隧道拱顶上方1.0倍路基区域范围产生较大影响。此外,隧道进洞20 m后,省道的基底变形主要为沉降变形。

循环小步距开挖支护对变形的发展起到良好的控制,进尺20 m时,有支护时开挖对路肩的变形、沉降变形从无支护的8～14 mm、5～7.5 mm降至4～6 mm、2.5～5 mm;进尺30 m时,有支护时开挖对路肩的变形、沉降变形从无支护的12～17 mm、10～15 mm降至5～7.5 mm、5～7.5 mm,位移控制降幅50%左右,各区间内的变形、沉降变形影响范围大幅降低。

洞内变形主要为拱顶沉降与地板鼓起,进一步分析支护结构锚杆受力情况,隧道拱部范围系统锚杆受力较大,两侧边墙系统锚杆受力较小,如图5所示。

通过数值试验,设计的支护体系满足隧道施工开挖安全控制要求,但仍无法有效消除隧道施工对既有省道基底的影响。

(a)进尺0.5 m系统锚杆受力图

(b)进尺10 m系统锚杆受力图

(c)进尺20 m系统锚杆受力图

(d)进尺30 m系统锚杆受力图

3 变形控制方案

通过数值分析可知,提高支护刚度、减少开挖循环步距对路基变形有良好的控制效果,但仍未能绝对控制路基基底变形与沉降变形。在隧道进尺20 m时,路肩的变形、沉降变形为4～6 mm、2.5～5 mm;进尺30 m时,路肩的变形、沉降变形约5～7.5 mm、5～7.5 mm,基底最大沉降变形约7.5 mm,可能对省道路面结构基底造成脱空。为有效控制隧道进洞下穿开挖支护变形,对开挖变形控制主要采用洞口边仰坡稳定控制、洞内隧道开挖变形控制等措施;洞内隧道开挖变形控制主要采取循环施作超前支护、开挖方法与及时初期封闭成环进行控制等措施。进洞里程为2K44+273,2K44+273～2K44+295段采用超前长管棚27 m+超前小导管,2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚。开挖方法采用上台阶法预留核心土开挖,开挖方式采用机械凿除法,每循环进尺为1榀钢拱架间距,即≤50 cm,支护紧跟开挖面。

(1)洞口边仰坡稳定控制:采用3.5 m长、φ42 mm×4 mm注浆小导管,间距1.0 m×1.0 m,梅花形布置,挂设φ8 mm@20 cm×20 cm钢筋网,喷射10 cm厚C25早强喷射混凝土防护。

(2)洞内隧道开挖变形控制:2K44+273～2K44+295段主要采用27 m长管棚+超前小导管,长管棚套拱导向墙混凝土为C30,厚度60 cm,长1.5～5 m,管棚钢管采用热轧无缝钢管φ108 mm×6 mm,方向与路线中线平行,长管棚布设于隧道上半拱130°范围内,管棚环向间距为50 cm,管棚钢管外插角0.5°～1°(不包括路线纵坡),管棚钢管内插4根φ16 mm二级钢筋笼,满注强度等级不低于M20水泥砂浆。小导管采用φ42 mm×4 mm双环注浆小导管,环向间距40 cm,长4.5 m,纵向间距2.0 m,外插角10°～15°,导管从工字钢腹部开孔穿过,尾部焊接于钢架上,导管搭接≥1.5 m,小导管注浆材料为42.5水泥净浆,水灰比0.6～0.8,注浆压力初压为0.5～1.0 MPa,终压为2.0 MPa。初期支护采用50 cm间距Ⅰ20b工字钢,φ8 mm@15 cm×15 cm钢筋网,C25喷射混凝土26 cm。系统锚杆采用φ25 mm中空注浆锚杆,长度4 m,环纵向间距120 cm×50 cm。

(3)2K44+295～2K44+325段采用超前短管棚,钢管采用φ89 mm×6 mm超前钢管,布设于隧道上半拱120°范围内,环向间距40 cm,长9.0 m,纵向间距4.5 m,外插角10°～15°,钢管从工字钢腹部开孔穿过,尾部焊接于钢架上。初期支护采用50 cm间距的Ⅰ22b工字钢,φ8 mm@15 cm×15 cm钢筋网,C25喷射混凝土28 cm。系统锚杆采用φ25 mm中空注浆锚杆,长度4 m,环纵向间距120 cm×50 cm。

(4)由于上跨隧道的省道为主要交通要道,重载车辆较多,为了确保隧道开挖过程中省道运营安全,施工过程中加强对省道路基沉降监测后,对重载车辆动态加压可能引起路面结构变形开裂,后期可根据路面结构出现的病害进行注浆与裂缝堵水动态处理。

4 开挖变形监测分析

开挖前在地表布置了17个地表沉降监测点,如图6所示,D1～D7位于隧道仰坡中部,D8～D13位于省道路肩外侧,D14～D18位于省道路面中心;对洞内围岩变形监测断面如图7所示,里程分别为2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295,测点在初期支护后埋设并开始监测。

如图8所示,地表测点沉降变形随着开挖进尺在不同时间内逐步增加,结合施工开挖进尺,在掌子面距离测点约1倍洞径时,地表沉降变形开始显现,并随着开挖进程而增加。由于开挖进尺中断于2K44+295,位于省道路面中心,D14～D18在掌子面停止开挖后,仍随着时间缓慢变形,详见图9。掌子面开挖至距离测点约1.0倍洞径时,掌子面停止开挖后,地表沉降在3 d内急速增加,3 d后减缓并缓慢增长。

各断面里程的拱顶沉降与收敛变形监测点曲线如图10所示,从监测的结果看,各断面稳定累计变形值均较小,2K44+281、2K44+285、2K44+290、2K44+295最大拱顶沉降稳定值分别为20.2 mm、30.5 mm、19.1 mm、19.3 mm,收敛稳定值分别为16.2 mm、24.3 mm、14.1 mm、15.2 mm,采取变形控制方案对地表变形进行控制能取得良好的效果,可安全穿越省道。

图6 地表测点布置示意图

图7 洞内上台阶核心土开挖测点布置示意图

图8 地表测点监测曲线图

图9 掌子面中断于2K44+295测点时D14～D18沉降随时间增长曲线图

图10 测点监测曲线图

5 结语

本文针对下穿省道公路隧道施工变形与控制技术研究,提出了经济科学处治方案,取得良好效果,结论如下:

(1)随着隧道进洞开挖,对地表影响范围逐渐增加,其表面变形、地表沉降随着开挖进尺增加而增加。地表变形主要以沉降变形为主,有无支护均将对隧道拱顶上方1.0倍路基区域范围产生较大影响。

(2)采取对下穿隧道地表变形控制、提高超前支护以及初期支护刚度、减少开挖循环步距等措施对路基变形控制能够取得良好效果,但绝对控制路基基底变形与沉降变形存在较大难度。

(3)对埋深不大的隧道,掌子面开挖至距离测点约1.0倍洞径时开始出现地表变形,掌子面停止开挖后,地表沉降约3 d内急速增加,3 d后减缓并缓慢增长。