大跨隧道超浅埋段护拱反吊暗挖法设计及作用分析

吕勇刚，秦辉辉

(1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088;2.北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

0 引言

在高速公路、铁路修建中，单座隧道同时下穿数座山岭的情况时有发生。受地形条件及平纵线型指标等因素的影响，隧道中部两山间的沟谷部位往往出现超浅埋甚至部分露头的情况，而沟谷部位往往是地质条件极差、断层破碎带发育、地表汇水集中的地带。在以往工程案例中多采用明(盖)挖方式［1-3］或者半明半暗开挖技术［4］通过浅埋冲沟地段。但明(盖)挖施工及半明半暗开挖往往因受地形条件限制、交通不便、征地量大、环境破坏严重等因素的影响而难以实施，亟需一种安全高效的暗挖技术来解决此类工程难题。

以往关于大跨隧道暗挖穿越沟谷地段的研究和工程实践，取得了一定的工程经验。单士军等［5］结合羊台山隧道，介绍客运专线隧道采用地表加固与洞内控制爆破施工相结合的方法顺利通过暗挖浅埋段;张英才［6］以函谷关隧道下穿新黄土冲沟为例，介绍了采用水泥回填及混凝土咬合桩打设加固冲沟，洞内小导管注浆加固洞周的方法成功穿越冲沟的施工方法。但这些案例仅采用对地表及土层的普通加固方案，且论述大多局限于对施工方案的描述，未对工程方案进行进一步的理论分析，揭示作用机制。本文结合二广高速大崛坑1号隧道超浅埋冲沟段复杂地质条件，提出护拱反吊法加固地层，采用暗挖法通过冲沟段的方案，并结合数值分析揭示其作用机制。

1 工程概况

大崛坑1号隧道位于二广高速怀集至三水段，按设计速度80 km/h，双向六车道高速公路标准设计［7］，为上下行分离式长隧道。隧道最大埋深126.5m，左线隧道长约955 m，右线隧道长1 052 m，单洞最大开挖跨度为16.61m，最大开挖高度为11.51m，属大跨扁平隧道。隧道地质条件非常差，95%长度为Ⅳ、Ⅴ级围岩，为全线工期控制性工程之一。

该隧道在桩号ZK45+560处横穿一大型山间沟谷(如图1所示)，该处左线隧道最小埋深仅1.8 m。沟谷两侧地形较陡，植被发育;沟谷地表有常年溪流，雨季短时汇水量非常大。该浅埋段围岩为全-强风化变质粉砂岩和千枚岩夹薄层煤层，受区域地质构造硅化带(震旦纪与三叠纪的接触带F3)影响，岩石破碎，裂隙发育，岩石呈角砾状松散结构，且由于地表水下渗呈饱和状态，围岩自承能力非常差，为Ⅴ级围岩。

图1 大崛坑1号隧道中部超浅埋段平面布置图Fig.1 Plan layout of super-shallow-covered middle section of Dajuekeng No.1 tunnel

2 超浅埋段设计思路

根据该超浅埋冲沟段地质及埋深情况，不考虑外部条件，采用明挖法安全且经济，是不二的选择。但由于该沟谷距离既有道路达2 km，如采用明挖法需修建进场便道，工程代价及社会影响非常大，故最终选用暗挖方案，并采用护拱反吊、里外兼治的综合加固方法。主要思路如下:

1)地表水处治。沟谷地表有常年溪流，通过设置混凝土梯形沟，避免地表水漫流及下渗，为暗挖创造有利的施工条件。

2)创造进场条件。由于外部施工便道难以解决，通过在左线隧道设置临时导坑及竖井连通冲沟地表，利用该临时通道实现地表作业所需小型机具、材料的输送及人员的进出。

3)地表预加固。针对冲沟段断层破碎带围岩松散破碎、注浆固结效果较理想的特点，采用地表小导管注浆措施改善围岩力学性能，提高围岩自成拱能力，同时起到止水防渗的作用。

4)护拱反吊。在冲沟地表施作钢筋网混凝土护拱。一方面，将钢筋网片与地表注浆小导管预留杆体焊接，使护拱与注浆小导管及固结改良围岩一起形成反吊体系;另一方面护拱作为地表注浆预加固的止浆盘，阻止地表水下渗。

5)加强支护。洞内采用强有力的衬砌形式及超前预支护手段，确保结构安全。

6)施工控制。洞内采用双侧壁导坑法进行开挖及临时支护，加强施工过程监控量测。

3 护拱反吊法方案

3.1 护拱设计

对超浅埋段隧道轴线左右各14 m范围地表顺地形等高线浇筑40 cm厚C20双层钢筋网混凝土护拱，如图2和图3所示。

图2 超浅埋冲沟段护拱设计平面图Fig.2 Plan of protection arch of super-shallow-covered tunnel section

图3 超浅埋冲沟段护拱设计纵断面图Fig.3 Longitudinal profile of protection arch of super-shallowcovered tunnel section

3.2 地表注浆设计

ZK45+545～+575段隧道轴线左右各12 m范围采用直径50 cm×4mm小导管进行地表注浆，间距为2 m×2 m，采用梅花形布置。其中ZK45+553～+567超浅埋段注浆管出露至护拱表面，与护拱结合成为整体。隧道侧部注浆管深至隧道起拱线位置，拱部注浆管深至隧道开挖轮廓线外50 cm。对于护拱范围内的注浆管，尾部50 cm不设压浆孔，对于护拱范围外的注浆管，小导管尾部2.5 m不设压浆孔作为止浆段。由于沟底超浅埋段围岩饱和富水，注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，对于沟底外的浅埋段，视地下水的富水情况，以保证注浆效果为前提可在单液浆和双液浆间做选择。

为防止注浆过程中管孔缝隙往上返浆或对地表现浇混凝土护拱止浆盘造成隆起破坏而影响注浆效果，注浆前应进行冲孔，注浆后应对孔口进行夯实封闭，对管孔缝隙采用CS胶泥和速凝砂进行糊缝处理并设置止浆环。

3.3 施工方案

1)洞内由ZK45+536起在拱部提前施作2m宽先行导坑，通至ZK45+555沟谷地面向洞外输送风、水、电、人员及相关设备材料。

2)施作洞外改沟工程。

3)打设注浆管、施作地表护拱、施作地表注浆。

4)上述3步施作时，洞内同步进行暗洞的开挖至ZK45+545处，内、外双工作面同时作业。

5)采用双侧壁导坑法进行下穿冲沟段暗挖施工。

3.4 洞内支护结构设计

对ZK45+545～+575段衬砌结构采用Ⅴ级加强型进行支护，并通过有效的超前预支护措施确保暗挖施工安全［8］。主要支护参数如表1所示。

表1 ZK45+545～+575段结构支护参数表Table 1 Support parameters of tunnel section from ZK45+545 to ZK45+575

3.5 施工效果

超浅埋段在洞顶沟底护拱及地表注浆施作后，经暗挖施工揭示:该沟谷F3断层部位的松散破碎围岩注浆固结反吊及堵水效果良好，洞内围岩干燥稳定，为洞内施工提供了一个良好的环境。经施工现场监控量测，各项指标均在正常范围内，如ZK45+560断面最终地表沉降值在2 cm内(如图4所示)。

通过采用护拱反吊法加固地层，整个浅埋沟谷段的暗挖施工进展十分顺利，相比传统的明挖法大大节约了工期及临时工程费用，也取得了非常好的社会效益。

4 数值模型

4.1 基本假定

采用有限差分程序FLAC3D，基于以下基本假定开挖动态过程进行模拟:

1)假定土层成层均质水平分布，采用摩尔-库仑准则计算，且地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化;

2)初期衬砌及地表钢筋混凝土护拱采用壳单元模拟，地表注浆小导管采用cable单元模拟;

3)不考虑隧道开挖对土体力学指标的影响。

图4 ZK45+560断面地表变形曲线Fig.4 Surface deformation curve of ZK45+560

4.2 计算模型及计算工况

计算采用大崛坑1号隧道超浅埋冲沟段隧道设计断面，根据圣维南原理，取计算模型长90 m，宽50 m，竖直向上沿山体走势取至地表，竖直向下取至距隧道中心线45 m，整个模型共划分18 800个单元和23 012个节点。采用位移边界作为边界条件，除上表面外，其余各外表面均按约束法线方向的位移。模拟过程中简化双侧壁导坑法开挖，开挖循环进尺2.5 m，依次开挖两侧导坑①、核心土上台阶②、核心土下台阶③、开挖步距取5 m［9］。图5为隧道模拟开挖工序及模型网格。

图5 开挖工序及模型网格图Fig.5 Excavation sequence and model grid

根据现场勘查，采用计算物理力学参数如表2所示。

表2 地层物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of strata

为比较分析护拱反吊法对地层加固作用及反吊作用，模拟以下2种工况:1)工况1。普通地层条件下隧道开挖过程动态模拟;2)工况2。采用护拱反吊法加固后隧道开挖过程动态模拟。

5 计算结果与分析

5.1 围岩变形

图6为2种工况下超浅埋段地层沉降变形云图，比较分析，可以得出:

1)超浅埋段工况1拱顶最大沉降达62.86 mm，地表沉降达50 mm，工况2拱顶最大沉降17.84 mm，地表沉降最大达14 mm，由此可见，护拱反吊法对控制拱顶沉降效果明显。且在实际施工中，超浅埋段若产生63 mm的拱顶沉降，极易发生坍塌事故。

2)超浅埋段工况1拱底隆起53.6 mm，工况2拱底隆起53.84 mm，可见，护拱反吊法对控制拱底隆起作用不大。

图6 超浅埋段地层沉降示意图Fig.6 Ground settlement of super-shallow-covered tunnel section

5.2 塑性区分布

图7为2种工况下隧道开挖超浅埋地段围岩塑性区分布示意图，比较分析，可以得出:

1)隧道开挖到超浅埋段，掌子面正前方塑性区范围工况2略小于工况1，掌子面前方上部塑性区范围工况2远小于工况1，且已开挖完成段隧道周边围岩塑性区工况2远小于工况1。

2)护拱反吊加固能够有效抑制塑性区发展，对地层加固作用明显。

图7 开挖到超浅埋段围岩塑性区分布示意图Fig.7 Distribution of plasticized zone when the excavation reaching the super-shallow-covered section

5.3 支护结构及地表小导管受力

图8—10为2种工况下超浅埋地段支护结构及地表小导管受力示意图，比较分析，可以得出:

1)2种工况下支护结构大主应力最大值均发生在拱脚位置，拱脚为整个支护结构的最不利受力位置，设计施工中应予以注意。

2)工况1大主应力最大值为7.7MPa，工况2大主应力最大值为4.56 MPa，支护结构各处大主应力工况2均小于工况1，可见护拱反吊结构能有效降低支护结构受力。

3)由图10可以看出，隧道拱顶上部小导管承受拉力，最大值为49 kN，护拱两侧隧道范围外小导管承受压力。

4)护拱反吊体系不仅可以加固地层，而且还对隧洞上部土层具有较好的反吊作用，地表混凝土结构起到反吊梁的作用，护拱中间部分小导管通过注浆产生摩擦力对隧道上部土体起到反吊作用，因此受拉，护拱两侧小导管对地表护拱梁起到支撑作用，因此受压。

图8 超浅埋段工况1支护结构大主应力σ1Fig.8 Major principal stressσ1 on support structure of supershallow-covered tunnel section in case 1

图9 超浅埋段工况2支护结构大主应力σ1Fig.9 Major principal stressσ1 on support structure of supershallow-covered tunnel section in case 2

图10 工况2地表小导管轴力示意Fig.10 Axial force of small duct on ground surface in case 2

6 结论与讨论

1)经大崛坑1号隧道现场监控量测发现:整个超浅埋段地表沉降及水平收敛等均在正常范围内，且较三维分析值略小，暗挖施工质量及施工进度都得到很好的保证。该护拱反吊法暗挖方案，在施工实践中取得良好效果。

2)利用三维数值模拟，分析得出护拱反吊方案能够很好地降低拱顶沉降，抑制塑性区发展，改善支护结构受力状况。

3)护拱反吊综合加固法作用机制:一方面，通过地表注浆固结超浅埋段拱墙部及周边岩体，改善围岩力学性能，形成自成拱能力;另一方面，通过地表钢筋混凝土充当反吊梁，护拱两侧部分小导管充当支撑，护拱中部小导管形成悬吊体系，从而有效抑制隧道上部岩体下沉，抑制塑性区发展，改善支护结构受力。

4)护拱反吊法不仅能够加固地层，而且能够形成反吊体系，确保超浅埋段暗挖施工安全，为类似工程提供借鉴。

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