王 楓

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

供熱隧道工程如何安全下穿公路，如何減少公路的整體沉降和不均勻沉降，如何減輕下穿工程導(dǎo)致的公路平整度下降，是下穿隧道設(shè)計(jì)階段和施工階段需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文以山西省晉城市城鎮(zhèn)集中供熱隧道下穿省道S332的K118+735處路基工程為例，通過(guò)建立地層結(jié)構(gòu)模型，對(duì)該工程下穿公路的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，分析得到下穿處路面地表沉降、圍巖變形位移規(guī)律[3]，由計(jì)算結(jié)果確定設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合施工實(shí)測(cè)路面沉降最大值驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。

1 工程概況

山西省晉城市城鎮(zhèn)集中供熱項(xiàng)目位于晉城市陽(yáng)城縣境內(nèi)，該項(xiàng)目起點(diǎn)為陽(yáng)城熱電廠，終點(diǎn)為陽(yáng)城城區(qū)。供熱管線需下穿省道S332，下穿處位于陽(yáng)城縣勞動(dòng)就業(yè)和社會(huì)保障中心大門口，供熱管線采用隧道的方式穿越省道S332至陽(yáng)城縣消防中隊(duì)西側(cè)。

供熱隧道全長(zhǎng)179 m。其中敞開(kāi)段為14 m、明挖段為8 m、暗挖段為157 m，省道S332側(cè)施工1個(gè)豎井與隧道連通，豎井深約17 m。該供熱隧道斜穿省道S332，由于隧道北側(cè)為社會(huì)保障中心，隧道南側(cè)為陽(yáng)城縣消防隊(duì)，社會(huì)保障中心西側(cè)地塊已有產(chǎn)權(quán)單位，隧道南側(cè)和消防隊(duì)北側(cè)的夾角范圍內(nèi)為當(dāng)?shù)鼐用駢灥亍Ｊ艿貕K限制，只有省道S332東北角和西南角兩個(gè)地塊可用，故供熱管道采用隧道形式下穿省道S332。供熱隧道起點(diǎn)至過(guò)省道S332處縱坡采用1%，過(guò)省道S332后坡度調(diào)整為2%，減小豎井深度。鑒于豎井較深，初期支護(hù)采用拱形支護(hù)。

供熱隧道下穿段省道S332為雙向兩車道二級(jí)公路，路基寬度12 m，瀝青混凝土路面，穿越處公路為曲線段。下穿處省道S332交叉樁號(hào)為K118+735，隧道下穿里程為K0+000—K0+179，隧道頂距離路面最小埋深為10.6 m，平面交叉角度為60°，下穿處平面位置見(jiàn)圖1。下穿段范圍內(nèi)場(chǎng)地地基土自上而下分為5層，素填土、粉質(zhì)黏土、卵石、砂巖、石灰?guī)r，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度值0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值0.45 s，地震基本烈度為Ⅵ度。

圖1 下穿處平面位置圖

2 供熱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

供熱隧道采用明挖法和暗挖法兩種工法，其中K0+000—K0+022段采用坡率1∶1明挖放坡開(kāi)挖，坡面采用噴錨護(hù)坡，隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置柔性全包水層。敞開(kāi)段側(cè)墻、底板厚度均為0.4 m，出地面部分厚度為0.25 m，采用C35 P8級(jí)防水混凝土；頂部為拱形結(jié)構(gòu)，厚度為0.4 m，采用C35 P8級(jí)防水混凝土；墊層為0.2 m厚C20混凝土。K0+022—K0+179段隧道采用鋼格柵架[4]+噴射混凝土初期支護(hù)及模筑混凝土結(jié)構(gòu)的二襯構(gòu)成，初支與二襯間設(shè)置柔性防水層。開(kāi)挖時(shí)，采用雙排Ф42×3.25小導(dǎo)管，L=3.5 m超前預(yù)注漿加固。

表1 暗挖段隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 供熱隧道下穿公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及施工方案制定

3.1 路面平整度

路面平整度指標(biāo)[5]是針對(duì)路面平整情況做出定量評(píng)價(jià)或作為公路施工完驗(yàn)收時(shí)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。路面平整度是通過(guò)測(cè)量路面沿縱向的高差，當(dāng)測(cè)量高差數(shù)據(jù)相差大時(shí)平整度差，測(cè)量高差數(shù)據(jù)小時(shí)則平整度好。

供熱隧道下穿公路施工時(shí)，其路面平整度的大小應(yīng)滿足其上部車輛安全運(yùn)營(yíng)的要求。公路路面平整度測(cè)試有以下兩種方法較為常用：響應(yīng)式檢測(cè)，是通過(guò)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算平整度；直接式檢測(cè)，是通過(guò)3 m直尺法和平整度儀法測(cè)量平整度。

表2 瀝青路面平整度標(biāo)準(zhǔn)

3.2 制定沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于類似淺埋隧道下穿公路時(shí)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量的理論計(jì)算、數(shù)值模擬、監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)工作[6]，經(jīng)研究其現(xiàn)有研究成果，可知此類下穿工程施工階段引起的路面沉降較大，且需采用較合理的超前支護(hù)和相應(yīng)輔助工法方可降低并控制路面沉降。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[7]可知，金雞嶺隧道臺(tái)階法施工并采用管棚超前支護(hù)下穿G205國(guó)道工程，路面沉降實(shí)測(cè)值為13.2 mm；觀音堂鐵路隧道CRD法施工并采用管棚超前支護(hù)下穿連霍高速工程，路面沉降實(shí)測(cè)值為9.0 mm；函谷關(guān)公路隧道CRD法施工并采用管棚超前支護(hù)下穿連霍高速工程，路面沉降實(shí)測(cè)值為52.9 mm；寶蘭鐵路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿G310工程，路面沉降實(shí)測(cè)值為16.0 mm；石太鐵路隧道CRD法施工并采用管棚超前支護(hù)下穿連霍高速工程，路面沉降實(shí)測(cè)值為10.5 mm。

參考類似工程的路面沉降值，確定本項(xiàng)目下穿時(shí)省道S332路面沉降值不超過(guò)20 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)采取相應(yīng)措施確保省道S332安全運(yùn)營(yíng)。

3.3 制定隧道開(kāi)挖及支護(hù)方案

通過(guò)分析上述不同工程實(shí)例，在隧道下穿施工時(shí)超前支護(hù)及隧道開(kāi)挖工法的選擇對(duì)控制路面沉降起著至關(guān)重要的作用，晉城市供熱隧道下穿省道S332，下穿處為單線隧道，隧道頂距離路面最小埋深為10.6 m，為淺埋隧道。本次下穿采用預(yù)留核心法開(kāi)挖施工，具體施工步驟為：a）施工拱部小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)。b）環(huán)狀開(kāi)挖上半斷面，預(yù)留核心土，初噴混凝土，安裝鎖腳錨桿，復(fù)噴混凝土。c）環(huán)狀開(kāi)挖下半斷面，初噴混凝土，架立鋼格柵架，復(fù)噴混凝土；待初期支護(hù)收斂穩(wěn)定后，在初期支護(hù)背后注漿，使初期支護(hù)與地層密貼。

4 供熱隧道下穿公路有限元數(shù)值分析

4.1 有限元模型概況

有限元計(jì)算模型共有33 019個(gè)節(jié)點(diǎn)，160 512個(gè)單元。模型平行于隧道軸線方向?qū)挾葹?0 m，模型垂直于隧道軸線方向長(zhǎng)度為50 m，模型高度為40 m。有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型及網(wǎng)格劃分

模型邊界條件[8]：沿隧道軸線X軸方向，對(duì)X軸向兩邊界面結(jié)點(diǎn)施加X(jué)向水平約束；對(duì)Y軸向兩邊界面施加Y向水平約束，模型底面結(jié)點(diǎn)施加Z向豎向約束，以考慮周圍土體的約束作用。

4.2 荷載的確定及本構(gòu)模型

數(shù)值分析時(shí)采用地層－結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)荷載釋放系數(shù)將地應(yīng)力按隧道施工步序分步釋放，達(dá)到初支和二襯能按比例共同承受釋放荷載的作用[9]。公路車輛荷載作為靜載處理，轉(zhuǎn)換成面荷載施加于結(jié)構(gòu)，作用于公路路面的荷載取20 kPa[10]。計(jì)算時(shí)不考慮構(gòu)造應(yīng)力及地下水的影響，超前小導(dǎo)管注漿通過(guò)提高圍巖強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行等效模擬。巖土和構(gòu)件的有限元參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

4.3 圍巖豎向位移分析

經(jīng)數(shù)值分析計(jì)算，供熱隧道下穿省道S332后圍巖最大沉降發(fā)生在隧道拱頂處，其值約為1.41 cm，最大隆起值發(fā)生在隧道仰拱處，其值約為1.33 cm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。圍巖最終豎向位移云圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 圍巖最終豎向位移云圖

4.4 路面位移沉降分析

供熱隧道下穿省道S332后，路面豎向沉降成正態(tài)分布，符合Peck公式[11]計(jì)算沉降時(shí)的規(guī)律，路面沉降呈現(xiàn)出沉降槽形狀，沉降槽寬度為供熱隧道中心線兩側(cè)各約18 m，沉降槽長(zhǎng)度約為29 m，路面最大沉降點(diǎn)位于隧道拱頂正上方，在中心處沉降值達(dá)到最大，沉降值從隧道中心線向兩側(cè)逐漸減小，路面最大沉降值約為8.3 mm，最大沉降滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)20 mm，且差異沉降較小，可以保證行車的舒適性。路面最終豎向位移云圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 路面最終豎向位移云圖

5 路面沉降控制技術(shù)措施

a）通過(guò)超前探孔、地質(zhì)素描等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，進(jìn)一步核實(shí)地質(zhì)資料，完善施工方案，為施工提供可靠的技術(shù)保證。

b）超前支護(hù)輔助措施有縱向支撐梁、橫向拱形支護(hù)的作用，故可有效控制掌子面前方圍巖變形位移，及時(shí)合理的超前支護(hù)輔助措施大大提高掌子面穩(wěn)定性，有效控制圍巖變位，減少了對(duì)被穿越公路的擾動(dòng)及影響。

c）鎖腳錨桿與鋼格柵拱架共同形成受力體系，可較好地控制鋼格柵拱架下沉位移，故下穿時(shí)要保證鎖腳錨桿施工質(zhì)量及其受力性能的充分發(fā)揮。

d）優(yōu)化隧道施工工法，及時(shí)施作初期支護(hù)，并增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，且每開(kāi)挖一步盡早封閉成環(huán)，盡快施工二襯以實(shí)現(xiàn)圍巖變形控制。

e）下穿施工時(shí)實(shí)行交通管制，對(duì)省道車輛限速，距跨越處200 m限速50 km/h，距跨越處100 m限速30 km/h，減小隧道下穿時(shí)動(dòng)荷載對(duì)路面沉降的影響。

f）加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)，應(yīng)將施工階段路面沉降實(shí)測(cè)值與控制值進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)路面沉降臨近、超過(guò)控制值或沉降速率過(guò)大時(shí)，立即增加監(jiān)測(cè)頻率，立即如實(shí)告知業(yè)主及公路管理部門，并采取應(yīng)急措施控制路面沉降。

6 結(jié)論

a）分析研究類似淺埋隧道下穿公路時(shí)路面沉降實(shí)測(cè)值，確定本項(xiàng)目下穿工程路面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為20 mm，合理預(yù)測(cè)路面沉降，經(jīng)數(shù)值分析，路面最大沉降點(diǎn)位于隧道拱頂正上方，路面最大沉降值約8.3 mm，施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)路面沉降最大值約11.5 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果較接近，最大沉降滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，下穿施工對(duì)公路路面沉降影響較小。

b）下穿過(guò)程中隧道施工引起的路面沉降與隧道超前支護(hù)、施工工法、隧道施工輔助措施等均有關(guān)，還與工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件的不確定性有關(guān)，鑒于隧道施工的復(fù)雜性，應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，收集分析隧道施工信息，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以保障下穿施工安全性。