特大斷面公路隧道下穿淺埋沖溝綜合處置技術(shù)

特大斷面公路隧道下穿淺埋沖溝綜合處置技術(shù)摘要：針對昆明福宜高速公路徐家莊隧道開挖斷面大、整體埋深淺、下穿過水沖溝、臨近發(fā)震斷層的特點，采用靜力法、時程分析法對隧道主體結(jié)構(gòu)進行抗震驗算，并提出了施工期間的綜合治水措施、超前預加固措施以及開挖支護控制要點。經(jīng)實際驗證，在隧道下穿沖溝段施工期間未發(fā)生塌方、透水風險，地表最大沉降為8.6mm，設計方案及施工措施有效的滿足了安全控制要求，實現(xiàn)了預期的建設目標。關鍵詞：大斷面隧道，淺埋隧道，高烈度區(qū)，下穿沖溝引言滇東地區(qū)公路建設普遍面臨著地勢高陡、溝谷深切、空間狹窄的地形條件[1]隧道建設期間不可避免的下穿各種溝谷地形，條件較差時隧道將面臨埋深淺、圍巖差、洞身富水等不利因素的組合，如處理不當，易對施工及運營安全造成各種隱患[2]。因此，隧道下穿過水沖溝的處置非常重要，本文以徐家莊隧道下穿過水沖溝為例，在依托行業(yè)規(guī)范的基礎上，以結(jié)構(gòu)驗算、施工控制為重點，提出了安全穿越的設計方案及施工措施，有效的保證了隧道的安全，可為類似工程提供有益的借鑒。工程概況項目概況徐家莊隧道位于昆明市宜良縣境內(nèi)，是福宜高速公路終點段的一座長隧道，設計速度為100km/h，雙向六車道（單洞三車道）標準，其中右幅隧道全長1957m，左幅隧道全長2014m。隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌，整體位于南北走向的脊狀山群中，地形地勢較陡，溝谷切割較深，空間狹窄，與線路近似垂直相交，隧道最大埋深約214m。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土及角礫、下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)翠峰山組鈣質(zhì)粉砂巖、砂巖呈互層產(chǎn)出，巖石強度一般。隧道地表水及地下水賦存情況一般，涌水量為11553m：/d。2.2主要建設特點特大斷面公路隧道。隧道行車主洞內(nèi)輪廓路面以上采用三心圓曲墻斷面，洞內(nèi)路面橫坡超高范圍為-3%~＋3%，標準內(nèi)輪廓斷面面積123.11平，隧道一般V級淺埋圍巖段開挖面積為168.47平，隧道扁平率為0.62。開挖斷面大、扁平率小是本隧道的重要特點。圖2.1V級圍巖淺埋段隧道襯砌斷面圖線路K51+728?+788為淺埋溝谷段，下游500m處分布有地方水庫，隧道最小埋深為5.0m，旱季水量較小，在豐水雨季時有大量過水，建設期間塌方冒頂及透水風險高。

圖2.2地表沖溝照片隧道淺埋溝谷過水段，圍巖主要為鈣質(zhì)粉砂巖與砂巖共生互層，裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較軟，巖體較破碎，穩(wěn)定性一般。地下水主要為基巖裂隙水，受補給影響，該段水量較豐富，施工時以股狀或淋雨狀或涌流狀出水為主，圍巖級別為V級。隧道緊鄰小江斷裂東支［3］隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.30g,動反應譜特征周期為0.45s，相應的地震基本烈度為訓度。隧道抗震設計根據(jù)工程類比法，在當前襯砌支護參數(shù)下，隧道初期支護及二次襯砌的可滿足施工及運營期間的承載能力要求，隧道支護參數(shù)如下表3.1。表3.1襯砌主要支護參數(shù)表支護結(jié)構(gòu)C25噴射混凝土厚29cm全環(huán)初期|工22b型鋼鋼架支護支護結(jié)構(gòu)C25噴射混凝土厚29cm全環(huán)初期|工22b型鋼鋼架支護封閉間距0.6m①25中空系統(tǒng)錨桿0.6X0.6m 拱墻二次 C35鋼筋混凝土二襯厚70cm 全環(huán)結(jié)合高烈度區(qū)隧道震害的調(diào)查統(tǒng)計資料以及工程經(jīng)驗，隧道埋深對于地震破壞程度的影響很大，尤其是在嚴重震害的隧道統(tǒng)計比例中，埋深小于50m的隧道占比為45%[4]，因此應重視淺埋隧道的抗震設計。本項目隧道臨近小江斷裂東支該斷層屬于8級地震發(fā)震斷層，抗震驗算是本隧道關注的重點。單洞三車道高速公路隧道抗震設防類別為B類，抗震設防措施等級為四級。采用兩水平設防、兩階段設計，要求在E1地震作用下，地震后襯砌的結(jié)構(gòu)應力低于彈性極限，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)無破壞（由安全系數(shù)控制，鋼混結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)大于1.5）；在E2地震作用下，地震后襯砌結(jié)構(gòu)應力在屈服強度以內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于彈性向塑性過渡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)輕微損傷，不需維修或簡單加固后可繼續(xù)使用（采用二襯最大收斂值作為驗算指標，最大收斂界限值應小于隧道跨度、高度的5%。）。為保證計算結(jié)果的可靠性，分別采用靜力法、時程分析法進行驗3.1靜力法計算計算所選用的軟件為Midas-NX有限元軟件，采用二維荷載一結(jié)構(gòu)模型進行計算。由于淺埋偏壓襯砌所在圍巖為V級，二次襯砌按照承擔70%的圍巖壓力計算。本地區(qū)地震動峰值加速度為0.3g，B類隧道E1地震作用重要性修正系數(shù)為0.43,E1地震作用重要性修正系數(shù)為1.3；水平地震動峰值加速度為0.3,豎向地震動峰值加速度取0.255。計算結(jié)果如下圖。圖3.1E1階段地震作用下二襯彎矩圖圖3.1E1階段地震作用下二襯彎矩圖圖3.2E1階段地震作用下二襯軸力圖圖3.3E2階段地震作用下二襯豎向變形圖3.2E1階段地震作用下二襯軸力圖圖3.3E2階段地震作用下二襯豎向變形圖3.4E2階段地震作用下二襯水平收斂采用綜合安全系數(shù)法驗算鋼筋混凝土襯砌在E1地震作用下的受力、E2地震作用下變形收斂計算結(jié)果如下表3.2。表3.2靜力法驗算地震作用結(jié)果驗算項目拱拱墻腳頂肩仰拱E彎矩（kN?m）636716608

驗算項目拱拱墻腳頂肩仰拱E彎矩（kN?m）636716608地地震震地地震震主要結(jié)論：由表3.2可知，采用靜力法計算時，在E1地震作用下，結(jié)構(gòu)典型截面綜合安全系數(shù)均大于1.5；在E2地震作用下結(jié)構(gòu)收斂值小于5%。，可滿足抗震驗算要求。時程分析計算進行時程分析法計算時，采用二維“地層-結(jié)構(gòu)法”模型，地震動力響應數(shù)值分析分為以下三步：①各工況模型條件下的初始地應力計算；②對隧道施工開挖過程進行模擬得到隧道建成后的應力場；③施加地震動力荷載進行抗震分析⑸

根據(jù)地震安評成果，在El、E2地震作用下隧道時程分析輸入加速度時程曲線如圖3.5、3.6所示。圖3.5E1階段加速度時程曲線圖3.6E2階段加速度時程曲線圖3.6E2階段加速度時程曲線襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，圍巖采用二維平面應變單元模擬，模型底部采取動力固定約束，兩側(cè)采用無限邊界自由場約束，防止地震波抵達邊界反射造成干擾，結(jié)構(gòu)計算模型如圖3.7所示。圖3.8El階段地震作用下二襯彎矩圖圖3.9E1階段地震作用下二襯軸力圖圖3.10E2階段地震作用下二襯豎向變形圖3.11E2階段地震作用下二襯水平收斂采用時程分析法驗算的主要結(jié)果如下表3.3。表3.3時程分析法驗算地震作用結(jié)果位置拱頂{拱肩E 墻腳i仰拱1E彎矩(kN?m)16120418164水平收斂E(cm)地豎直變形0.99(0.9%)(cm)由表3.2可知，采用時程分析法計算時，在E1地震作用下結(jié)構(gòu)綜合安全系數(shù)、在E2地震作用下結(jié)構(gòu)收斂值均遠小于靜力法，可滿足抗震驗算要求。故按照靜力法計算結(jié)果作為抗震控制性驗算。施工過程控制施工期間，遵循“先治水，再超前加固，后開挖支護”的工序原則組織施工。4.1綜合治水措施（1）為降低透水風險，選擇在2021年10月~2022年2月旱季枯水期施工淺埋沖溝段。（2）由于本段隧道臨近出口，洞身位于-2.5%的單面下坡段（順坡），利于排水，尤其是在發(fā)生塌方、透水等極端風險時，有利于洞內(nèi)搶險，故選擇從出口工區(qū)通過沖溝段。（3）隧址區(qū)地震活動頻繁、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，故洞身圍巖裂隙較發(fā)育、巖體較破碎、地層透水性強是本段隧道的重要特點，為避免施工期間沖溝內(nèi)流水下滲，采用臨時地表封閉、永久溝底防護等措施防治地表水。施工前對溝底采用夯填粉質(zhì)黏土找平、鋪砌M10漿砌片石等措施臨時封閉溝底，避免地表水下滲；由于隧道開挖期間，地表不可避免的產(chǎn)生沉降，且本段隧道巖質(zhì)較軟，為避免地表水沖刷，影響洞身長期安全性，待本段隧道通過后，沿溝底施做C25混凝土永久排水溝。超前加固措施隧道下穿沖溝段的總長度約300m,為了兼顧施工期間的安全控制與工效平衡,采取加強超前預支護、簡化工法的基本原則［6。］（1）加強超前預支護。超前管棚具有縱向加固距離長、支撐剛度大的優(yōu)點,特別適用于淺埋、破碎地層,本段隧道采用洞身管棚套打小導管預支護,以防止塌方、冒頂。管棚的鋼管均采用①89（壁厚5mm）熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距40cm,每循環(huán)長度為12m,縱向搭接長度3.0m，外插角5°；管棚間設直徑①42mm、壁厚3.5mm注漿鋼花管，L=4.5m，外插角40°。嚴格落實超前預注漿。管棚及小導管應嚴格注漿，加固洞頂圍巖，封閉拱部巖體的微小裂隙，降低地層的滲透系數(shù)。注漿材料采用水泥漿液，水灰比為1：0.5(重量比)，注漿壓力為0.5?l.OMPa。開挖支護措施采用三臺階環(huán)形開挖留核心土法施工。嚴格控制開挖進尺，各級臺階每循環(huán)開挖支護進尺為1榀鋼架間距，且加強工序銜接，保證開挖后及時立架、噴混封閉［7］。采用光面爆破作業(yè)，以最大限度地保護周邊巖體的完整性，同時減少超挖量，提高圍巖自身承載能力［8］。盡管本段隧道線間距較大(52~59m)，為控制施工擾動，左、右幅隧道掌子面錯開距離不宜小于40m。嚴控鎖腳質(zhì)量。立架到位后，立即施做①42mm鎖腳錨管，為確保鎖腳質(zhì)量，各臺階錨管與鋼架采用眼鏡鋼板連接，并焊接牢固，及時在錨管內(nèi)充填M30水泥砂漿，保證錨固剛度。限制仰拱、二次襯砌與掌子面的距離。要求仰拱與掌子面距離小于40m二次襯砌與掌子面的距離小于50m。監(jiān)控量測為了掌握地表沖溝沉降情況、圍巖的整體穩(wěn)定性、初期支護工作狀態(tài)，將監(jiān)控量測全程納入施工工序管理［9］。主要監(jiān)測項目為地表沉降、地表(溝底)開裂初支沉降、水平收斂，監(jiān)測方案如圖5.1所示。圖5.2隧道監(jiān)測方案橫斷面圖（沿溝底縱向）從掌子面開挖至本段隧道二襯施工完成，地表沖溝溝底最大沉降量為8.6mm溝底未出現(xiàn)明顯開裂，沖溝整體滲漏程度較輕，隧道掌子面呈淋雨狀出水。洞內(nèi)初期支護整體變形量較小，隧道拱部最大沉降量為14.9mm，隧道順利通過淺埋過水沖溝，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5.2。結(jié)論（1） 針對本項目臨近8級發(fā)震斷層，地形淺埋的特點，采用多種方法對比分析，加強結(jié)構(gòu)抗震驗算是保證隧道長期安全的重點。（2） 開挖斷面大、洞頂埋深淺、洞身破碎富水地段，應嚴格遵循“先治水再超前加固，后開挖支護”的綜合處置原則，這也是控制成敗的決定性因素。（3） 加固距離長、支撐剛度大的洞身管棚預支護，產(chǎn)生的時空支護效果十分顯著，充分發(fā)揮了控制洞內(nèi)外變形的輔助作用。參考文獻柏松平.云南復雜地質(zhì)環(huán)境公路地質(zhì)病害誘發(fā)機理及其對策研究[D].昆明理工大學,2008.朱浩波.大斷面淺埋高速鐵路隧道施工關鍵技術(shù)研究[D].北京交通大學,2015.周春景,吳中海,馬曉雪,李家存,王繼龍.滇中城市群重要活動斷裂與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價[J].地質(zhì)力學學報,2016,22(03):454-477.《公路隧道抗震設計規(guī)范》(JTG2232-2019)[S].陳興濤.山嶺隧道地震破壞模式及其性能指標研究[D].重慶交通大學，2019.D0I:10.27671/ki.gcjtc.2019.000499.[6]嚴健，何川，陳四來,姚志軍.德格隧道施工過程分析及冒落成因機