超浅埋隧道下穿交通密集路段变形控制效果分析

                                                                                                     

摘要:以某工程为背景，通过资料调研及现场监控量测手段，并结合地表下沉、拱顶下沉、周边位移等变形控制指标研究了超浅埋隧道下穿交通密集路段路面变形特征及控制效果，研究表明：①隧道开挖后，前期地表下沉速率较快，20天后，地表下沉变形逐渐趋于稳定，地表整体表现为“中间大，两边小”的沉降分布模式，沉降范围为10~30 mm；②开挖初期变形较大，进入稳定阶段，拱顶最大下沉为15 mm，隧道整体向内收敛，最大收敛变形为20 mm，满足收敛变形控制要求；③采用“双侧壁导坑+帷幕注浆”施工可以有效控制超浅埋隧道下穿交通密集路段路面变形，隧道结构整体变形较好。

关键词:超浅埋；隧道；下穿；双侧壁导坑；注浆施工

0　引　言

随着经济的发展，地上空间资源的利用日益饱和，地下工程呈现出微变形、小间距、大断面、超浅埋、高精度、长距离和超大规模等特点，同时，不可避免地会下穿交通密集区段，给我国地下工程施工带来了严峻挑战[1]。

周丁恒等[2]以北京地铁12号线为工程背景，建立暗挖隧道下穿京张隧道三维有限元模型,总结了京张隧道竖向位移和横向位移随施工步变化特征。李贺等[3]基于五棵松地下停车库工程分析了通道下穿既有地铁结构变形规律，提出了控制既有结构变形的相关理念和措施。姜伟[4]基于深圳地铁某区间隧道下穿兴海大道立交桥工程，采用FEM方法分析了隧道下穿对桥梁桩基的影响。邱军[5]对地铁盾构隧道与铁路出入线隧道施工进行模拟，获取施工过程中地铁隧道所引起的轨道沉降位移曲线。雒东强[6]采用非线性有限元软件分析了基于矿山法的城市隧道工程的施工力学行为，表明隧道下穿既有建筑物时，注浆加固可降低最大沉降值，从而增加上部建筑物的安全系数。

本文采用资料调研、现场监测等手段结合地表下沉、拱顶下沉、周边位移等变形控制指标研究了超浅埋隧道下穿交通密集路段路面变形特征及控制效果。

1　工程概况

1.1　现场工况

某隧道路幅宽35～60 m，主线双向6车道，全长3.3 km。其中YK1+050～YK1+135（左线ZK1+047～ZK1+132）里程段位于既有道路下方，考虑现状道路交通量较大且高架桥下施工作业空间狭小等因素，设计施工方案为浅埋暗挖法。隧道结构顶距既有道路路面约7.143～8.155 m,开挖断面为154.5 ㎡。

1.2　地质条件

根据场地补勘结果，场地分布情况如下。

（1）人工填土：主要由黏性土组成，不均匀分布少量石英砂，结构松散，未完成自重固结，层厚1.9～2.8 m。

（2）第四系坡洪积。①粉质黏土：局部含少量石英质中细砂，干强度及韧性中等，层厚3.7～9.2 m；②含砂粉质黏土：不均匀含约25%的石英质中粗砂，局部含少量砾石，呈稍湿，硬塑状态，干强度及韧性中等，层厚2.6～4.1 m。

（3）第四系残积砂质黏性土层：系中粗粒花岗岩风化残积而成，残留10%～20%石英颗粒（＞2 mm），呈稍湿，可塑—硬塑状态，干强度及韧性中等，层厚1.9～3.9 m。

（4）燕山期花岗岩。①全风化花岗岩：长石类矿物已风化成粉末状，风化裂隙极发育，岩芯呈土柱状，属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级，层厚3.7～8.5 m。②砂砾状强风化花岗岩：大部分长石类矿物已风化成黏土矿物，风化裂隙极发育，岩芯呈砂砾状，岩体极破碎，属软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级，层厚3.4 m。

2　隧道下穿对既有道路变形控制措施

2.1　套拱施工

套拱作为第一循环大管棚的导向墙,套拱截面尺寸为0.8 m × 2 m(厚×长)，在明暗分界线YK1+050（ZK1+047）处施做2 m；套拱内设4榀

工字钢，钢架纵向间距50 cm，每榀拱架由7个单元组成，钢支撑架设之前必须对基底进行夯实加固，套拱基底承载力应大于250 kPa，否则增设C15片石混凝土扩大基础，钢拱架纵向采用钢筋连接，并焊接牢固。

导向管采用203 mm×5 mm，长2.0 m的钢管，环向中心间距25 cm，仰角2°，方向与线路中线平行，安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用全站仪在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。导向管与钢架之间采用12 mm钢筋焊接牢固，防止浇筑套拱混凝土时产生位移。套拱模板底模、端头及顶模采用5 cm厚木板，底模板下方采用3榀20a工字钢拱架做支撑，底模支撑拱架根据套拱的轮廓线加工，确保模板安装位置正确。为满足承受混凝土自重及施工荷载，保证底模支撑拱架稳定性，在套拱处预留核心土，在核心土上采用10 cm的圆木（间距1 m）支撑底模支撑拱架。套拱采用C30商品混凝土进行浇筑，插入式捣固器进行捣固，浇筑混凝土时必须两侧对称进行，以免产生偏压而使导向墙横断面中心及标高偏移。导向墙拆模后及时补喷射10 cm厚C20混凝土封闭被破坏的基坑喷射面，防止注浆浆液从其渗漏。

2.2　隧道帷幕注浆施工

帷幕注浆每一循环注浆长度为15 m，开挖12 m，注浆搭接为3 m，注浆扩散半径为0.7 m，注浆孔间距为0.8 m，注浆孔共计204个，注浆孔开孔直径不小于108 mm，终孔直径不小于90 mm，孔口管采用110×5 mm的热轧无缝钢管，管长3 m，孔口管借助锚固剂埋设牢固，并在孔口管焊接止浆阀。隧道开挖轮廓线内注浆材料采用1∶1水泥浆，开挖轮廓线外采用1∶（0.6～1）超细水泥-水玻璃双浆液，注浆压力为1.5～2.0 MPa。帷幕注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外3 m，形成止水帷幕，达到堵水及加固土体的目的。注浆施工通过注浆试验等措施，具体实施可根据实际情况及设计要求在过程中作合理调整。

注浆形式采用后退式注浆，钻孔注浆一体化；当前方岩层较破碎容易造成塌孔时采用前进式注浆。钻孔及注浆总体思路为由外向内、先下后上、同一圈隔孔钻注、边钻孔边注浆、注浆及时紧跟、减少空孔暴露时间。钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，进行注浆扫孔后再行钻进。

第一循环管棚施工完成后进行帷幕注浆，注浆前进行挂网喷浆封闭掌子面，进行全断面帷幕注浆，注浆孔共计204个，如图1所示。

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图1　双侧壁钻孔注浆

3　隧道下穿既有道路段监测方案

在施工过程中应加强地质预报和监控量测工作，特别是对既有道路高架桥浅埋段地表下沉、隧道拱顶下沉、隧道周边位移加强监测，隧道初期支护拱顶下沉、周边位移监测点应布设于隧道轴线横向监测断面，间距宜为5 m，监测点宜在隧道拱顶、左右拱腰部位及拱脚布设。拱顶的沉降监测点可兼作周边位移监测点，分部开挖施工的每个导洞均应布设横向监测断面，监测点应在初期支护结构完成后及时布设，若出现异常，应适当加密监测，拱顶下沉、周边位移如图2所示，地表下沉监测测点布置如图3所示。

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图2　拱顶下沉、周边位移测点布点示意

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图3　地表下沉测点布点示意图（单位：m）4　隧道下穿对既有道路变形控制效果分析

4.1　地表沉降分析

在隧道开挖地表上方布设16个监测测点，隧道采用双侧壁导坑法进行施工，隧道开挖后，地表下沉曲线如图4所示，从图4可以看出，隧道开挖后，前期地表下沉速率较快，20天后，地表下沉变形逐渐趋于稳定，地表整体呈现为下沉趋势，隧道拱顶上方左测地表下沉测点监测数据呈现出先上浮后下沉变化趋势，地表下沉稳定后，隧道拱顶正上方地表沉降最大，拱顶两侧沉降较小，整体表现为“中间大，两边小”的沉降分布模式，沉降范围为10~30 mm，设计地表下沉控制值为30 mm，满足地表下沉变形控制要求。

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图4　地表下沉曲线

4.2　拱顶下沉分析

拱顶下沉变化曲线如图5所示，隧道开挖后，由于上部行车荷载以及两侧土压荷载作用导致隧道产生偏压，拱顶G1测点监测数据呈现缓慢下沉变化趋势，拱顶G2、G3测点监测数据呈现出先上浮后下沉变化趋势。开挖初期拱顶变形较大，主要是距离掌子面较近，随着掌子面向前推进，拱顶部位逐渐进入稳定阶段，整体拱顶最大沉降为15 mm，设计拱顶下沉控制值为50 mm，满足拱顶下沉变形控制要求。

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图5　拱顶下沉曲线

4.3　周边位移变形分析

隧道断面周边位移变化曲线如图6所示，从图中可以看出，隧道开挖后，隧道周边位移变形先快速增加，随后逐渐趋于稳定，隧道整体向内收敛，测线DE最大收敛变形为20 mm，测线BC最大收敛变形为7 mm，设计周边位移控制值为30 mm，满足周边位移变形控制要求，整体变形控制效果较好。

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图6　周边位移曲线

5　结　论

本文采用资料调研、现场监测等手段研究了超浅埋隧道下穿交通密集路段路面变形特征及控制效果，结果表明：

（1）通过对隧道监测数据多方面的量化分析，可第一时间发现隧道变形的变化规律及趋势，能够达到动态指导设计施工，降低隧道施工风险的目的，有效保证隧道结构及人员安全。

（2）隧道开挖后，前期地表下沉速率较快，20天后，地表下沉变形逐渐趋于稳定，地表整体呈现为下沉趋势，隧道拱顶正上方地表下沉最大，拱顶两侧沉降较小，整体表现为“中间大，两边小”的沉降分布模式，沉降范围为10~30 mm，满足地表下沉变形控制要求。

（3）隧道开挖后，拱顶部位逐渐出现下沉，进入稳定阶段，整体拱顶最大沉降为15 mm，隧道整体向内收敛，最大收敛变形为20 mm，隧道整体变形量较小，满足周边位移及拱顶下沉控制要求，隧道结构安全。

（4）超浅埋隧道下穿交通密集路段路面时，采用“双侧壁导坑+帷幕注浆”施工可以有效控制路面变形，隧道结构整体变形控制效果较好。

参考文献：

［1］陈湘生,付艳斌,陈曦,等.地下空间施工技术进展及数智化技术现状［J］.中国公路学报,2022(1):1-12.［2］周丁恒,田雪娟,李长安,等.暗挖地铁隧道下穿高速铁路隧道保护措施研究［J］.重庆交通大学学报(自然科学版),2021(9):86-91+108.［3］李贺,李菲,李雨株.大断面平顶直墙暗挖通道下穿地铁变形控制研究［J］.岩土工程技术,2020(5):268-272.［4］姜伟.复杂条件下暗挖隧道近距离穿越施工对既有桥梁的影响研究［J］.隧道建设(中英文),2018(S2):53-59.［5］邱军.三管隧道开挖对周边构筑物影响分析研究［J］.铁道标准设计,2018(5):90-94.［6］雒东强.基于矿山法的城市隧道工程的施工力学行为分析［J］.公路工程,2016(4):171-175+201.

原文刊登于《建筑安全》2023 年第 6 期

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