杜曉峰

(山西路橋第一工程有限公司一分公司，山西 太原 030000)

某隧道工程起迄樁號為DK5+095～DK13+294，是一條單洞雙線隧道。該隧道進口段需從某既有公路下部穿過，和既有公路之間夾49°角，相交段總長130 m左右，且為淺埋段，覆土厚度只有4.1～4.9 m。結合地勘報告，既有公路路基以人工填土為主；山坡表面主要為粉質黏土，層厚在0.5～4.0 m范圍內；隧道進口以全風化花崗閃長巖為主，其巖性相對較差。相交段處在隧道的進口，不僅范圍不大，而且基本沒有節(jié)理裂隙和地下水發(fā)育，但所處環(huán)境條件比較復雜，是整條隧道的重點控制項目。

1 模型建立與材料參數確定

1.1 荷載模擬

交通荷載一般借助半波正弦荷載進行模擬，考慮到交通荷載具有的特性并充分參考前人經驗，此次將交通荷載全部簡化成易于分析的半波正弦荷載。

1.2 三維建模

通過數值模擬確定隧道、地層和公路三者形成的體系在受到隧道開挖作用影響后導致既有公路產生的變形。結合現場具體情況進行三維建模，并為模型施加和集體工程一一對應的各種邊界條件及初始條件。參考該隧道具體情況建立一個三維模型，將覆土深度取4.1 m，其中，土層和路基均選擇摩爾-庫倫模型來模擬，隧道襯砌支護體系選擇彈性本構模型來模擬，而隧道開挖則選擇空模型來模擬。若未考慮交通荷載，則只借助摩爾-庫倫模型來模擬，但需要對初始自重應力予以考慮，除了上部屬于自由邊界，其它面均為固定邊界。而考慮交通荷載的情況下，需進行靜態(tài)邊界的合理設置，對于靜態(tài)邊界，實際上就是黏性邊界，它你能為模型創(chuàng)造類似于無線場的效果，避免波產生扭曲，進而防止反射[1]。

1.3 參數確定

根據室內試驗結果，結地勘成果將各類材料的基本參數確定如表1所示。

表1 材料參數確定

1.4 路基沉降控制基本標準

如前所述，相交段隧道的最小埋深確定為4.1 m，因既有公路的路面存在一定不平整性，所以將不平整度確定為20%，同時由于公路自身使用年限有限且地質條件復雜，故將安全系數確定為1.5。目前對于路基沉降控制，主要采用三種基準，經計算可得不同基準對應的值為79.18 mm、32.8 mm和66.02 mm，相應的修正值分別為44 mm、18 mm和36 mm。綜合上述結果，為切實保證隧道的施工安全，將修正值確定為36 mm。為便于管控，基于該基準進一步劃分得到預警值和報警值，分別為21.6 mm、28.8 mm。

2 結果分析

2.1 開挖方法和路基沉降控制

目前常用的隧道開挖方法主要有三種，即雙側壁導坑法、臺階法與CD法。通過模擬可知，這三種方法對應的路基沉降無顯著差別。在隧道從路基段穿過后，既有公路的路基產生不均勻沉降，最大沉降產生在隧道軸線上，與隧道軸線相距越遠沉降值越小。根據數值計算結果，采用雙側壁導坑法進行開挖時，路基沉降的最大值為27.3 mm；采用臺階法進行開挖時，路基沉降的最大值為44.2 mm；采用CD法進行開挖時，路基沉降的最大值為35.5 mm。相較于臺階法，采用CD法進行開挖能減少約19.7%的沉降，采用雙側壁導坑法能減少約38.2%的沉降，可見，三種方法中以雙側壁導坑法開挖導致路基產生的沉降最小[2]。

2.2 開挖進尺和路基沉降控制

將開挖方法確定為雙側壁導坑法，對不同開挖進尺對應的路基沉降進行模擬和數值計算，根據結果可知，不同開挖進尺對應的路基沉降有明顯差異。當開挖進尺為0.5 m時，路基沉降的最大值為44.2 mm；當開挖進尺為1 m時，路基沉降的最大值為47.5 mm；當開挖進尺為2 m時，路基沉降的最大值為50.3 mm；當開挖進尺為3m時，路基沉降的最大值為53.4 mm?？梢姡坊两岛烷_挖進尺之間為正相關，即當開挖進尺較大時，路基沉降也較大。相較于0.5 m的開挖進尺，當開挖進尺增加至3 m時，路基產生的沉降增加約20.8%，直接說明開挖進尺會給路基沉降造成很大影響。

2.3 支護方法和路基沉降控制

根據上述結果可知，雙側壁導坑法對控制既有公路的路基沉降更有利，能減少開挖導致的路基沉降；同時采用最小的開挖進尺也能起到對路基沉降予以有效控制的作用。然而，不論開挖方法還是開挖進尺，均為施工要素方面的優(yōu)化，要想更有效的控制沉降，還應采取有效預加固方法[3]。初步編制的預加固方案為：方案一：無預支護；方案二：單層大管棚超前預支護；方案三：單層大管棚超前預支護+小導管；方案四：雙層大管棚超前預支護。通過模擬與數值計算可得，相較于方案一，采用方案二能減少16%的路基沉降，采用方案三能減少36%的路基沉降，采用方案四能減少50.9%的路基沉降?？梢?，以方案四的支護效果最好[4]。若隧道與既有公路之間相交段施工中能采用雙側壁導坑法進行開挖，同時采用0.5 m的開挖進尺，并輔以方案四的支護，則能將既有公路路基產生的沉降限制在20 mm之內，這與標準要求的不超過38 mm完全相符，能將隧道施工對既有公路路基造成的影響降至最低[5]。

在新建隧道開挖施工中，超前管棚支護基本原理為將上覆地層荷載均勻傳遞至管棚，再由管棚將荷載傳遞至鋼支撐，最后由鋼支撐將荷載傳遞至基座，以此有效控制或避免圍巖拱頂發(fā)生變形。在荷載不斷傳遞時，管棚除了能為上部地層荷載提供可靠支承，還能起到與梁結構類似的作用，使彎矩與剪力均傳遞到鋼支撐處。在超前管棚基礎上進行注漿是指在開挖輪廓以上以適當的間隔距離和與開挖方向保持1°～3°的角度設置鋼管，并使其成環(huán)，然后通過為鋼管壓力注漿得到一種與鋼管砼結構類似的結構形式。采用這一工法后，鋼管可起到以下兩方面作用：其一，起到和超前管棚支護完全一致的作用；其二，為漿液進入到地層中提供通道，使地層得以有效加固。采用該方法進行加固后，上部圍巖會在漿液滲入作用下形成結晶體，進而使上覆地層得到有效改善，同時鋼管還能為上覆地層荷載提供一定支承。管棚結構主要作用機理為將其上部圍巖荷載分散至掌子面之前土體與格柵拱架處，以此減小掌子面之前土體承受的壓力，大幅提高掌子面土體安全穩(wěn)定系數。在松散地層中，將隧道開挖完成后，圍巖可能出現片幫冒頂，產生一定松動壓力，以巖柱與普氏理論為代表性理論。

2.4 輔助加固工法

除超前管棚支護外，還有很多類似工程開始采用MJS法與CFG樁板聯合加固法。MJS法是指全方位高壓噴射，最初用于解決水平旋噴存在的排漿缺陷和環(huán)境污染問題，后期由于該方法優(yōu)勢獨特，所以開始在傾斜與垂直施工中使用。該方法以傳統高壓噴射為基礎，使用一種全新的多孔管與前端造成裝置，通過多孔進行強制排漿，并能對地內壓力予以實時監(jiān)測，通過對強制排漿量的適當調整實現對地內壓力的有效控制，從而減小對環(huán)境造成的不利影響。另外，地內壓力降低還能起到保證成樁直徑的作用。該方法理論上能在任意角度和方向進行噴射，加以排漿方式特殊，所以能使富水土層和需要對孔口進行密封處理等復雜情況下的水平施工成為可能。在過去的高壓噴射施工中，多余泥漿主要由土體和鉆桿形成的間隙排出。該排漿方式會使地層內壓力變大，導致周圍地層出現明顯的變形。而在深度較大的部位進行排漿還有很大難度，使鉆桿與噴槍周圍受到較大壓力，降低噴漿效率，最終對地層加固效果造成影響。采用該方法后，由于能對地內壓力進行實時監(jiān)測，并采取強制排漿方法，所以能實現對地內壓力的有效調控，將施工給周圍環(huán)境造成的影響和擾動將至最低，最終保證超深條件下的加固效果。

CFG樁板是一種常用軟弱地基加固方式，由CFG樁、鋼混樁與鋼筋砼承載板三部分構成，其具體工作機理為：由承臺板將上部荷載傳遞至樁體，再由樁體將荷載傳遞至樁間土、下臥層等處，以此實現對路基沉降的有效控制，并防止變形破壞產生。CFG樁和混凝土筏板相結合的加固形式，其作用機理為：采用CFG樁具有的置換作用對地層進行擠密，同時由筏板為上覆地層荷載提供支承。上覆地層荷載不斷傳遞時，在筏板結構承載作用下，增大樁間土自身壓縮模量，進而最大限度發(fā)揮出土體自身承載力。CFG樁成樁時，粉煤灰與水泥粉等樁體材料會在發(fā)生水化反應時與周圍土體之間產生一系列反應，如吸水、發(fā)熱與膨脹，在這些反應的作用下，使土體達到擠密或壓密。與此同時，采用CFG樁不僅能提高地基自身承載力，而且還能增加抗剪強度，使路基保持穩(wěn)定。當地層較為軟弱和破碎時，因隧道開挖施工可能引起地層變形或路基沉降，所以可能導致穿越工程失敗。對此，有必要采取適當的輔助工法加固地層與路基，以此對上覆路基和隧道底板產生的變形進行有效控制，確保隧道安全運營。

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，還可通過對下列控制措施的應用將隧道開挖給路基造成的擾動降至最低。

(1)減慢行車速度。隧道下穿路基期間，因隧道開挖產生的地表沉降使路基產生變形，導致公路運行受到影響。根據以往相關經驗，如果減慢行車速度，則可起到減小路基沉降可能造成的影響的作用，同時也能減小對已經沉降的路基造成的沖擊。

(2)采取合理可行的聯合加固措施。在實際工程中如果地層條件較差，則可同時采用兩種方法進行加固，比如在CFG樁基礎上聯合使用注漿加固的方法。結合工程具體情況與特點，采取至少兩種輔助工法進行加固能有效減小或避免穿越施工中路基發(fā)生的沉降變形。

(3)注漿補償和路基抬升。當隧道施工需要從路基段下部穿越時，應采取措施嚴格控制路基沉降與變形，如果施工中因控制不到位導致既有路基產生明顯的沉降與變形，則應立即采取措施進行恢復，目前最常用的恢復方法為注漿抬升。該方法的作用機理可分為以下四個階段：第一階段為將土體初步填充密實；第二階段為通過注入漿液和土體之間達到固結；第三階段為通過對土體進行加密注漿或劈裂注漿產生一定頂升力；第四階段為使目標上覆土體得到明顯的抬升。如果隧道穿越的路基出現過量沉降，則可采用注漿的方法使路基向上抬升，這樣能有效補償因隧道開挖產生的路基沉陷，防止路面結構破壞，保證行車安全與質量。

3 結 語

根據相關調查與研究資料可知，覆土只有4.1 m左右的隧道從既有公路下部穿過的情況在國內十分少見，要想將既有公路路基產生的沉降控制在允許范圍內有很大的困難。對此，通過數值模擬來分析確定不同因素和既有公路路基沉降之間的關系：

(1)臺階法、CD法和雙側壁導坑法三種常用開挖方法相比，以雙側壁導坑法引起的既有路基沉降最小，其次為CD法，最后為臺階法。

(2)當開挖方法選定為雙側壁導坑法時，如果開挖進尺增加，則既有公路路基產生的沉降增大，即采用最小開挖進尺能減少對既有路基造成的擾動，減小沉降。

(3)相較于無預支護方案，采用雙層大管棚超前預支護方案時，既有路基產生的沉降最小。

(4)隧道與既有公路之間相交段施工中若能采用雙側壁導坑法進行開挖，同時采用0.5 m的開挖進尺，并輔以方案四的支護，則能將既有公路路基產生的沉降限制在20 mm之內，這與標準要求的不超過38 mm完全相符。