双层管棚在隧道下穿既有道路中的应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言随着山区高速公路建设项目越来越多，在隧道洞口施工过程中，管棚超前支护作为洞口超前辅助措施，能有效地抑制围岩变形及控制地表沉降，已被广泛应用1-2。但在一些隧道洞口下穿既有道路的工程案例中，为保证地表道路正常通行，需要严格控制地表沉降，因此需要采取较强的超前预支护措施3。本文以云茂高速黄楼隧道出口段洞口下穿既有乡道的实际工程为例，施工中采用双层管棚超前支护的穿越方案，并进行了数值模拟计算，在施工过程中进行了监控量测验证，较好地抑制了地层位移和沉降，确保了洞内施工及地表道路的通行安全，取得了很好的效果。1 工程概况黄楼隧道位于广东省信宜市，横跨钱排镇西垌、响水两村，为双向四车道隧道，设计时速100 km/h，为洞口小净距洞身分离式布设。左线隧道起讫里程为ZK59+863ZK60+845，长 995 m，右线隧道起讫里程为YK59+870K60+823，长955 m，属于中隧道。隧道进口端（云浮端）洞门采用削竹式，坡度1.8%，茂名端（出口端）洞门采用端墙式，坡度-0.73%，隧道最大埋深约124.9 m。1.1 工程地质条件隧址区为构造侵蚀中低山地貌，地形起伏大，地面标高547683 m，最大相对高差约136 m，山体植被茂密，云浮端坡形较缓，最大坡角约25，茂名端坡形较陡，最大坡角约35，出口地形存在一定的偏压。隧道主要地质条件为上覆第四系坡残积粉质黏土，进口段主要为加里东期全强风化花岗岩（r3），洞身段以加里东期强中风化花岗岩（r3）为主，出口段以元古代云开岩群变质砂岩及其风化层（Pt2）为主。隧道围岩以级、级、级为主。1.2 原隧道出口下穿既有乡道改路设计黄楼隧道出口上部为Y361乡道，与隧道左右轴线约 30 斜交，与左幅隧道交叉中心桩号为 ZK60+833，乡道路面宽度约 7 m，为水泥混凝土路面形式，厚约0.3 m。隧道处于偏压地段，左线与乡道交叉段埋深约为2.53.4 m，右线与乡道交叉段埋深约为57 m。隧道出口端左右幅净距约16.3 m，左右幅前后错开距离约7 m（右幅先出洞）。考虑该乡道与隧道洞口距离较近，并且下穿段处于全-强风化层，为确保隧道的质量、安全、技术等全面受控，在施工图设计阶段对原有乡道进行了改路设计。2 双层管棚穿越既有道路方案的确定在隧道施工过程中，经各方讨论，认为原设计改路方案工程规模较大，造价较高，改路后路线平纵指标较低，不利于行车安全，通过综合考虑后，决定采用隧道穿越既有道路的方案，主要技术措施为延长暗洞+洞口双层管棚超前支护+CD工法相结合，以抑制地表的沉降和变形，确保下穿段隧道施工过程中洞内施工及地表道路的行车安全。同时，在穿越施工过程中采取必要的交通管制、限速以及加强洞内和地表沉降位移观测措施，并制定相应的应急处置预案。2.1 延长隧道暗洞为避免破坏乡道，黄楼隧道出口端左线暗洞延长17 m，隧道明暗交界里程调整为ZK60+852，洞口终点里程为 ZK60+858。右线隧道 K60+815K60+825 采用暗挖施工。对暗洞进口位置露拱段采取回填水泥混合土+偏压挡墙进反压回填，尽量减少洞口的边仰坡开收稿日期：2022-10-28作者简介：万永涛（1989），男，河南商丘人，硕士，工程师，从事高速公路建设管理工作。双层管棚在隧道下穿既有道路中的应用万永涛1，黄景林2（1.广东云茂高速公路有限公司，广东 广州 510000；2.华杰工程咨询有限公司，北京 100029）摘要：云茂高速公路黄楼隧道洞口下穿既有道路，洞口段浅埋偏压严重，处于全-强风化变质砂岩地层，为保证隧道施工过程中洞内掌子面的稳定和上方道路正常通行，控制地表沉降位移十分关键。通过采用双层管棚超前支护方案，使用Midas-GTS软件对双层管棚的支护效果进行数值模拟计算，在下穿施工过程中监测初期支护的拱顶下沉及周边收敛，监测数据表明下沉值和收敛值均在安全允许范围内，验证了该双层管棚超前支护的穿越方案取得了很好的施工效果。关键词：下穿既有道路；双层管棚；数值模拟；位移监测中图分类号：U455文献标识码：A127总651期2023年第21期（7月 下）挖。隧道暗洞采取小净距深埋五级围岩 a型（XS-Va）的衬砌类型，具体支护参数为：初期支护采用I20a的型钢拱架，纵向间距60 cm，6 mm钢筋网（20 cm20cm间距布设），喷射厚度为 26 cm的 C25混凝土，25mm中空注浆锚杆（100 cm60 cm间距布设），锚杆的长度为3.5 m；二衬采用50 cm厚C30钢筋混凝土。图1为XS-Va衬砌断面图。单位：cm图1 XS-Va衬砌断面图2.2 双层管棚超前支护108 mm管棚超前支护具有强度高、刚度大、可超前支护距离长、打设角度容易控制、超前注浆加固效果较好等优点。其主要机理为：一是通过管棚注浆加固隧道周边围岩，改善围岩的物理力学性质，使环向形成拱效应，增强围岩的自稳能力；二是在以掌子面和后方支撑为支点，纵向形成一个梁式结构，隧道在梁拱效应的情形下形成一个保护壳，在施工过程中有效地抑制了地层的沉降位移。隧道下穿段埋深较浅，且处于全-强风化地层，因此，在施工过程中需要控制地表沉降位移，确保上方道路安全和路面交通正常，经综合考虑，决定采取双层管棚的超前支护方案，一次性快速穿越地表道路。2.2.1 双层超前管棚技术参数108 mm6 mm管棚支护参数如下：套拱纵向长度2 m，厚度110 cm，采用C25混凝土，里层钢支撑采用120a型钢，间距50 cm，外层采用I18型钢拱架，间距80 cm；管棚长度40 m，里层37根，拱顶120 范围布设，环向间距40 cm，外层25根，拱顶100 范围布设，环向间距50 cm。管棚搭设角度13。管棚注浆采用水泥浆液，水灰比11，注浆初压1.0 MPa，终压2.02.5 MPa。2.2.2 双层管棚施工注意事项为确保管棚的施工作用效果和质量，施工过程中需要注意以下事项：1）套拱基础需要落到实处，要求地基承载力不得小于300 kPa，避免管棚基础因承载力不足发生套拱整体下沉、开裂、失稳等现象。2）108 mm6 mm管棚的打设角度宜控制在12 以内，角度不宜过大，管棚角度打设过大易造成管棚尾端悬高较大，不利于管棚尾端围岩加固。3）管棚每一节段宜为46 m，采用丝扣连接，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%。4）管棚注浆采用隔孔的注浆顺序，先进行里层管棚注浆，后外层管棚注浆。2.3 CD法施工在隧道穿越施工过程中，掌子面的稳定和地表沉降控制是关键因素，CD法施工通过将掌子面一分为二，分部开挖的步骤，具有有效控制初期支护沉降位移等优点。为减少地面沉降对道路行车的影响，下穿过程中隧道采用CD法施工，施工过程中应注意待初期支护封闭成环，沉降变形趋于稳定后方可拆除临时支撑。施工过程中尽量采用机械开挖，先进行左洞施工，左洞施工完成后再进行右洞施工。应注意竖向临时支撑拆除的标准为初期支护拱顶竖向沉降小于0.5 mm/d，一次性拆除长度不得大于3 m。3 数值模拟3.1 模型建立由于隧道为长条形结构，为简化计算，选取黄楼隧道进口典型断面建立二维模型。采用Midas-GTS软件进行数值模拟，假定围岩为均质弹塑性体，初期支护为线弹性体，隧道的受力和变形为平面应变问题，岩体的变形为各向同性的，岩体的初始应力场只考虑其自重应力。本计算模型在水平方向上（x轴），模型宽度取120 m；竖向上（z轴），上边界取到实际地表面，隧道底部距离下边界取40 m；模型按照CD法进行开挖，先行导洞贯通后再开挖后行导洞，隧道开挖荷载释放系数比例为4 6，即隧道开挖第一步释放40%，第二步释放60%。3.2 参数选取本文数值模拟中，钢拱架的弹性模量将根据面积等效原理折算到初期支护喷射混凝土的弹性模量中，以提高混凝土的弹性模量，折算公式见式（1）：E=E0+SgEg/Sc（1）式（1）中：E为折算后混凝土的弹性模量；E0为原混凝土的弹性模量；Eg为钢材弹性模量；Sg为钢拱架截面积；Sc为混凝土截面积。取C25混凝土的弹性模量E0为28.0 GPa，钢材的弹性模量Eg为210 GPa，初支混凝土厚度为26 cm，钢拱架间距为0.6 m。取单位长度1 m计算，钢拱架总截面积Sg=1/0.60.003 55=0.005 9 m2，混凝土总截面积为Sc=10.26=0.26 m2。初期支护的弹性模量为 E=28.0+2100.005 9/0.26=32.8 GPa。128交通世界TRANSPOWORLD中隔壁采用 I16 钢拱架，喷射 18 cm C25 混凝土，每0.6 m架设1榀钢拱架。取单位长度1 m计算，钢拱架总截面积Sg=1/0.60.00261=0.0044 m2，混凝土总截面积为Sc=10.18=0.18 m2。初期支护的弹性模量为E=28.0+2100.0044/0.18=33.1 GPa。在实际模拟中，围岩采用修正摩尔库伦模型模拟，初期支护采用线弹性模型模拟，超前大管棚采用加固圈模拟，用植入式桁架模拟锚杆，用梁单元模拟初期支护和临时支护4。根据黄楼隧道工程地勘报告、施工图文件和相关规范选取本次模拟的黄楼隧道各项材料物理力学参数，具体如表1所示。表1 黄楼隧道材料物理力学参数表介质类型强风化变质砂岩初期支护中隔壁锚杆注浆加固弹性模量/GPa0.132.833.12101.0泊松比0.320.20.20.20.26重度/（kN/m3）21232378.522黏聚力/kPa120-内摩擦角/22-3.3 计算结果及分析围岩位移云图如图2所示。（a）竖向位移（b）水平位移图2 围岩位移云图由图2（a）可知，隧道开挖后解除了开挖面围岩约束，原应力平衡状态被打破，由于土体偏压，隧道右拱顶沉降量较大，最大沉降量为2.7 mm；同时因隧道距离地表较近，使地表最大沉降量为2.7 mm。仰拱处产生竖直向上的位移，最大值为4.4 mm。由图2（b）可知，隧道开挖后，由于土体偏压，隧道右上侧发生较大负向水平位移，最大值位于右侧边坡上，为 1.3mm。隧道左下侧发生较大正向水平位移，最大值位于左拱脚处，为1.1 mm。通过以上数据，表明黄楼隧道采取双层大管棚支护对围岩变化控制较好。4 监控量测及支护效果分析在隧道下穿既有乡道施工过程中，为掌握和了解围岩的变形情况，穿越施工过程中对初期支护拱顶下沉和周边收敛进行了变形监测，监测断面按照每3 m一个断面布设，穿越段共布置了10个断面。初期支护拱顶最大沉降量及周边最大位移量分别为8 mm和7 mm，未出现异常，下沉收敛均在安全范围内，拱顶下沉位移监测在第20 d时出现急剧增长，这也与隧道CD开挖工法竖向临时支撑拆除时初期支护受力转换的情况较为吻合。由此表明双层管棚支护取得了较好的效果，施工过程中确保了地表道路的正常通行。5 结论综上所述，随着高速公路隧道下穿既有道路工程案例的增多，采取合适的下穿技术极其关键。本文通过在隧道下穿段采用双层管棚超前预支护技术，较好地控制了地层沉降，顺利地穿越了既有道路，取得了一定的经验和效果，可供同类工程参考。主要结论如下：1）隧道在浅埋段下穿既有道路时，采用双层管棚超前支护施工难度较小，一次性可超前预支护长度较大，施工周期短，施工质量易于控制；2）双层管棚支护强度和刚度较大，具有较好的地表加固作用，增强了围岩的自稳能力，能有效抑制地表沉降；3）双层管棚布设的环向间距、里外层管棚的层间距、管棚支护长度等参数的确定，应结合工程实际选用，以节省施工成本和确保工期。参考文献：1 钟放平.下穿既有公路的土江冲隧道双层管棚设计及监测分析J.现代隧道技术，2007（4）：36-40.2 赵晨阳，曹豪荣，彭立敏，等.隧道双层预支护力学分析模型J.中南大学学报（自然科学版），2020（1）：145-155.3 李明亮.浅埋膨胀岩隧道下穿既有道路施工技术J.四川建筑，2014（6）：105-106.4 黄帆，金建伟，李博.公路山岭隧道洞口“零开挖”单向出洞施工技术研究J.公路，2021（4）：371-375.129