下穿省道公路隧道施工变形与控制技术研究.pdf

桥|隧|工|程下穿省道公路隧道施工变形与控制技术研究卢超波1-2,陀楚明1-2,姜洪亮1-2,杨庭伟1-2,张伟3（1.广西交科集团有限公司，广西南宁53 0 0 0 7;2.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心，广西南宁53 0 0 0 7;3.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉43 0 0 7 1)摘要：文章对某高速公路下穿省道的隧道单洞进洞段施工开挖进行数值试验分析，并结合施工过程监测数据对其变形机制进行研究。结果表明：随着隧道进洞开挖，对地表影响范围逐渐增加，其表面变形、地表沉降随着开挖进尺增加而增加；地表变形主要以沉降变形为主，有无支护均对隧道拱顶上方1.0 倍路基区域范围产生较大影响；采取对下穿隧道进行地表变形控制、提高超前支护以及初期支护刚度、减少开挖循环步距等措施对路基变形进行控制能够取得良好效果，但绝对控制路基基底变形与沉降变形存在较大难度。关键词：开挖变形；变形控制；下穿省道中图分类号：U455.4文献标识码：ADOl：10.13 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 3 9文章编号：16 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 12 0-0 50引言对高速公路隧道穿越特殊结构物 1-3、特殊地质 4-5隧道开挖围岩变形的问题，大量学者进行了系统细致的研究，隧道施工开挖造成围岩变形，对周边既有结构将会造成影响。本文通过对某高速公路下穿省道的隧道单洞进洞段施工开挖进行数值试验分析，并结合施工过程监测数据对其变形机制进行研究，提出变形控制技术措施，为其他类似隧道工程设计与施工提供参考。1工程背景某高速公路隧道设计为洞身分离式隧道，速度100km/h，路基宽度为2 6 m，路面采用沥青混凝土结构。隧道左线隧道起桩号2 ZK44+2852 Z K 49+0 7 5,右线隧道起桩号2 K44+2652 K 49+0 7 3 隧道进洞口位于山体斜坡上，上部约2 2 m为省道，与隧道成斜交6 0 穿越，省道路面为沥青混凝土结构，进洞段围岩表层主要为碎石土，局部为粉质黏土，厚度14m，下伏围岩主要为强一中风化砂岩，岩质较软，节理裂隙极发育，岩体破碎。隧道开挖断面净宽13.7 6 m，断面开挖面积约113 m。如图1所示。2楼数值试验2.1数值试验模型为进一步分析进洞段施工开挖对地表变形影响的机制，根据隧址所处地形与岩性情况，建立图2 所示的数值试验模型，模型Y轴走向为隧道走向，数值试验模型为几何阶梯模型，模型长、宽、高（Y、X、Z 轴方向）分别为10 3 m、12 0 m、7 0 m，模型网格数量为3 3 410 1。数值试验模型的物理力学参数是根据室内试验结果结合现场揭露围岩破碎程度取值，模型计算本构模型采用M-C本构模型，初次支护采用实体单元，围岩的初始地应力场为自重场，计算平衡后进行隧道开挖数值试验，模型围岩作者简介：卢超波（198 2 一），高级工程师，主要从事岩土与隧道工程方面地质灾害防治、安全预警与结构安全评估技术研究工作。及初期支护参数如表1所示。24-1S518省道路面标高约48 8.10 2+CSK44-1481.34E79.34466.64458.34X图1际隧道进洞段地质平纵断面图路阶司围岩隧道右幅图2 数值分析模型图表1模型参数表体积剪切内摩材料容重模量模量擦角类型(kg/m3)(GPa)围岩2.6500.278初期支护2.3601人行横通道3ZK44+504.6R-1500c0SK443-1SK4-1R-1500SK443-1512.13510.135013Q470.73462.031(GPa)0.20817.2611.892K44+5001人行横通道540.65532.45用486.05一467.15入XL57.05粘聚力强度(MPa)(MPa)260.2422人行横2K44+抗拉0.32.5120西部交通科技VemiemncinsCommunications Science&Technology下穿省道公路隧道施工变形与控制技术研究/卢超波，陀楚明，姜洪亮，杨庭伟，张伟2.2数值试验结果隧道采用上台阶预留核心土的两台阶法进行开挖，上台阶开挖进尺每循环为0.5m，图3 为开挖进尺Displacement magnitude6.5026E036.5000E-036.0000E-035.5000E035.0000E034.5000E034.0000E033.5000E033.0000E032.5000E-032.0000E-031.5000E-031.0000E-035.0000E040.0000E-00(a)进尺 0.5 m地表位移Displacementmagnitude1.7788E021.7000E021.6000E-021.5000E-021.4000E-021.3000E021.2000E-021.1000E-021.0000E-029.0000E-038.0000E-037.0000E-036.0000E035.0000E-034.0000E-033.0000E-032.0000E-031.0000E-030.0000E-000.5m、10 m、2 0 m、3 0 m 时的无支护地表变形与沉降变形云图，对应实际隧道掌子面里程为分别为2 K44+273.5、2 K 44+2 8 3、2 K 44+2 93、2 K 44+3 0 3。(b)进尺0.5m地表沉降Z-displacement4.5189E034.5000E034.0000E033.5000E-033.0000E032.5000E-032.0000E031.5000E-031.0000E035.0000E-040.0000E03-5.0000E03-1.0000E-03-1.5000E03-2.0000E032.5000E033.0000E033.5000E-034.0000E03-4.5000E03-4.8886E03Z-displacement1.1720E-021.0000E027.5000E-035.0000E-032.500E-030.0000E+002.5000E035.0000E03-7.5000E03-1.0000E02-1.2500E-021.5000E-02-1.5958E02(c)进尺10 m地表位移(d)进尺10 m地表沉降Displacement magnitude2.1635E-022.0000E021.8000E-021.6000E021.4000E-021.2000E021.000E-028.0000E036.0000E-034.0000E-032.0000E030.0000E+00Z-displacement1.8296E021.7500E-021.5000E-021.2500E021.0000E-027.5000E-035.0000E032.5000E030.0000E+002.5000E03-5.0000E-03-7.5000E03-1.0000E-02-1.2500E02-1.5000E02-1.7500E02-1.9483E02(e)进尺2 0 m地表位移(f)进尺 2 0 m地表沉降Displacementmagnitude2.8349E022.7500E-022.5000E-022.2500E-022.000E-021.7500E021.5000E021.2500E-021.0000E-027.5000E035.000E-032.5000E030.000E+00Z-displacement2.6843E022.5000E-022.0000E-021.5000E021.0000E-025.0000E-030.0000E+00-5.0000E-03-1.0000E02-1.5000E+002.0000E02-2.5000E022.6490E02(g)进尺3 0 m地表位移图3 各开挖进尺无支护地表位移与沉降云图下页图4为采取超期支护措施后，隧道上台阶预留核心土法按每榻钢支架间距即开挖支护步距为0.5m的循环开挖支护，开挖进尺0.5m、10 m、2 0 m、3 0 m 时地表变形与沉降变形云图。在循环开挖支护后均进行模型(h)进尺3 0 m地表沉降平衡计算，并开挖支护下一循环，对应实际隧道掌子面里程为分别为2 K44+273.5、2 K 44+2 8 3、2 K 44+2 9 3、2K44+303。2023年第8 期总第193 期12 1桥隧工程Displacementmagnitude6.2981E036.0000E035.5000E035.0000E034.5000E-033.5000E034.0000E-032.5000E033.0000E032.0000E031.5000E-031.0000E-035.0000E-040.0000E+00Z-displacement4.3952E-034.0000E-033.5000E033.0000E-032.5000E032.0000E-031.5000E-035.0000E-041.0000F-030.0000E+00-5.0000E-041.0000E03-1.5000E-03-1.9232E03(a)进尺0.5m地表位移(b)进尺0.5 m地表沉降Displacement magnitude1.2768E021.2000E021.1000E021.0000E-029.0000E038.0000E037.0000E036.0000E035.0000E034.0000E033.0000E032.0000E-031.0000E030.0000E+00Z-displacement1.1077E021.1000E-021.0000E-028.0000E039.0000E-037.0000E-036.0000E035.0000E-034.0000E033.0000E032.0000E-031.0000E030.0000E+00-1.0000E032.0000E03-3.0000E034.0000E034.9070E-03(c)进尺10 m地表位移(e)进尺2 0 m地表位移(d)进尺10 m地表沉降Displacement magnitude1.8701E-021.8000E-021.7000E-021.6000E-021.5000E-021.4000E-021.3000E021.2000E021.1000E-021.0000E-029.0000E-038.0000E037.0000E-036.0000E035.0000E034.0000E-033.0000E-032.0000E-031.0000E-030.0000E+00Displacementmagnitude2.80-47E022.7500E-022.5000E022.2500E-022.0000E-021.7500E021.5000E-021.2500E-021.0000E-027.5000E-035.0000E032.5000E-030.0000E+00Z-displacement1,7994E-021.7500E-021.5000E-0212500E-021.0000E027.5000E-035.0000E032.5000E-030.0000E+00-2.5000E035.0000E037.5000E038.1082E-03(f)进尺2 0 m地表沉降L-displacement2.7108E022.5000E022.2500E022.0000E021.7500E021.5000E-021.2500E021.0000E027.5000E035.0000E032.5000E030.0000E+002.5000E03-5.0000E-03-7.5000E03-1.0000E-02-1.2436E02(g)进尺3 0 m地表位移图4循环开挖支护地表位移与沉降云图从数值试验结果看，随着隧道开挖，地表影响范围5mm;进尺3 0 m时，有支护时开挖对路肩的变形、沉降逐渐增加，其地表变形、沉降累计值随着开挖进尺增加而变形从无支护的 12 17 mm、10 15 m m 降至 5 增加。隧道开挖进尺10 m后，有无支护情况下隧道开挖7.5mm、5 7.5m m 位移控制降幅50%左右，各区间内均会对省道基底产生影响，进尺2 0 m后，省道基底形成的变形、沉降变形影响范围大幅降低。半沉降盘，省道外侧路肩无支护时最大沉降值约10 mm，洞内变形主要为拱顶沉降与地板鼓起，进一步分析有支护时最大约5mm；进尺3 0 m后，有无支护均将对隧支护结构锚杆受力情况，隧道拱部范围系统锚杆受力较道拱顶上方1.0 倍路基区域范围产生较大影响。此外，大，两侧边墙系统锚杆受力较小，如图5所示。隧道进洞2 0 m后，省道的基底变形主要为沉降变形。通过数值试验，设计的支护体系满足隧道施工开挖循环小步距开挖支护对变形的发展起到良好的控安全控制要求，但仍无法有效消除隧道施工对既有省道制，进尺2 0 m时，有支护时开挖对路肩的变形、沉降变形基底的影响。从无支护的 8 14mm、5 7.5m m 降至 4 6 mm、2.5(h)进尺3 0 m地表沉降122西部交通科技 wesencinsCommunications Science&Technology下穿省道公路隧道施工变形与控制技术研究/卢超波，陀楚明，姜洪亮，杨庭伟，张伟Bars:Cableaxial force(Tension-)0.0000E+001.0000E+032.0000E+033.0000E+034.0000E+03-5.00E+036.0000E+037.0000E+038.0000E+039.0000E+031.0000E+04-1.0913E+04Bars;Cable axial force(Tension-)0.00E+002.0000E+034.0000E+036.0000E+038.0000E+03-1.0000E+04-1.2000E+041.4000E+041.6000E+041.8000E+042.0000E+042.2000E+042.2974E+04(a)进尺0.5m系统锚杆受力图0.0000E+002.5000E+03-5.0000E+03-7.5000E+03-1.0000E+04-1.2500E+04-1.5000E+04-1.7500E+04-2.0000E+042.2500E+042.5000E+042.7500E+04-2.8700E+04(b)进尺10 m系统锚杆受力图Bars:Cable axial foree(Tension-)-1.0814E06-2.5000E+03-5.0000E+03-7.5000E+03-1.0000E+04-1.2500E+04-1.5000E+04-1.7500E+04-2.0000E+04-2.2500E+04-2.5000E+042.7500E+042.9076E+04Bars:;Cableaxial force(Tension-)(c)进尺2 0 m系统锚杆受力图3变形控制方案通过数值分析可知，提高支护刚度、减少开挖循环步距对路基变形有良好的控制效果，但仍未能绝对控制路基基底变形与沉降变形。在隧道进尺2 0 m时,路肩的变形、沉降变形为4 6 mm、2.5 5m m；进尺3 0 m时,路肩的变形、沉降变形约5 7.5mm、5 7.5m m,基底最大沉降变形约7.5mm，可能对省道路面结构基底造成脱空。为有效控制隧道进洞下穿开挖支护变形，对开挖变形控制主要采用洞口边仰坡稳定控制、洞内隧道开挖变形控制等措施；洞内隧道开挖变形控制主要采取循环施作超前支护、开挖方法与及时初期封闭成环进行控制等措施。进洞里程为2 K44+273,2K44+2732K44+295段采用超前长管棚2 7 m+超前小导管，2 K44+2952K44+325段采用超前短管棚。开挖方法采用上台阶法预留核心土开挖，开挖方式采用机械凿除法，每循环进尺为1榻钢拱架间距，即 50 cm，支护紧跟开挖面。(1)洞口边仰坡稳定控制：采用3.5m长、g42mm4mm注浆小导管，间距1.0 m1.0m,梅花形布置，挂设g8mm20 cm20cm钢筋网，喷射10 cm厚C25早强喷射混凝土防护。(2)洞内隧道开挖变形控制：2 K44+2732K44+295段主要采用2 7 m长管棚+超前小导管，长管棚套拱导向墙混凝土为C30,厚度6 0 cm，长1.5 5m，管棚钢管采用热轧无缝钢管10 8 mm6mm，方向与路线中线平行，长管棚布设于隧道上半拱13 0 范围内，管棚环向间距为50cm，管棚钢管外插角0.51（不包括路线纵坡），管(d)进尺3 0 m系统锚杆受力图图5各开挖进尺系统锚杆受力云图棚钢管内插4根16 mm二级钢筋笼，满注强度等级不低于M20水泥砂浆。小导管采用42 mm4mm双环注浆小导管，环向间距40 cm，长4.5m,纵向间距2.0 m,外插角10 15导管从工字钢腹部开孔穿过，尾部焊接于钢架上，导管搭接1.5m，小导管注浆材料为42.5水泥净浆,水灰比0.6 0.8,注浆压力初压为0.51.0 MPa，终压为2.0 MPa。初期支护采用50 cm间距I20b工字钢，g8mm15cm15cm钢筋网,C25喷射混凝土2 6 cm。系统锚杆采用g25mm中空注浆锚杆，长度4m,环纵向间距12 0 cm 50 cm。(3)2K44+2952K44+325段采用超前短管棚，钢管采用g89mm6mm超前钢管，布设于隧道上半拱120范围内，环向间距40 cm，长9.0 m，纵向间距4.5m，外插角10 15，钢管从工字钢腹部开孔穿过，尾部焊接于钢架上。初期支护采用50 cm间距的I22b工字钢，g8mm15 cm15cm钢筋网,C25喷射混凝土2 8 cm。系统锚杆采用2 5mm中空注浆锚杆，长度4m，环纵向间距12 0 cm50cm。(4)由于上跨隧道的省道为主要交通要道，重载车辆较多，为了确保隧道开挖过程中省道运营安全，施工过程中加强对省道路基沉降监测后，对重载车辆动态加压可能引起路面结构变形开裂，后期可根据路面结构出现的病害进行注浆与裂缝堵水动态处理。4开挖变形监测分析开挖前在地表布置了17 个地表沉降监测点，如图6所示,D1D7位于隧道仰坡中部，D8D 13 位于省道路2023年第8 期总第193 期12 3桥隧工程肩外侧,D14D18位于省道路面中心；对洞内围岩变形2.5监测断面如图7 所示，里程分别为2 K44+281、2 K 44+2285、2 K 44+2 90、2 K 44+2 95，测点在初期支护后埋设并开(uu.5始监测。如图8 所示，地表测点沉降变形随着开挖进尺在不同时间内逐步增加，结合施工开挖进尺，在掌子面距离测点约1倍洞径时，地表沉降变形开始显现，并随着开挖进程而增加。由于开挖进尺中断于2 K44+295,位于省道路面中心，D14D 18 在掌子面停止开挖后，仍随着时间缓慢变形，详见图9。掌子面开挖至距离测点约1.0 倍洞径时，掌子面停止开挖后，地表沉降在3 d内急速增加，3 d后减缓并缓慢增长。各断面里程的拱顶沉降与收敛变形监测点曲线如图10 所示，从监测的结果看，各断面稳定累计变形值均较小,2 K44+281、2 K 44+2 8 5、2 K 44+2 9 0、2 K 44+2 9 5最大拱顶沉降稳定值分别为2 0.2 mm、3 0.5m m、19.1m m、19.3mm，收敛稳定值分别为16.2 mm、2 4.3 m m、14.1mm、15.2 m m,采取变形控制方案对地表变形进行控制能取得良好的效果，可安全穿越省道。489.0DiDi5D948D8D17018Di473.1D21D3D4隧道投影463.4隧道右幅图6 地表测点布置示意图CDSL上台阶核心土下台阶图7洞内上台阶核心土开挖测点布置示意图8070+DBI-DB2+DB3+DB4+DB5+DB660+DB7+DB13+DB8-DB14+DB9DB15+DB10+DB11-DB16DB17+DB250-DB18(um)4030200-102021/10/122021/10/222021/11/1202/11/12021/11/212021/12/12021/12/112021/12/212021/12/31隧道掌子面2 K44+273+DB140.52021/10/12202/10/222021/2021/1/202/1/212021/12/2021/12/112021/12/212021/12/31隧道掌子面2 K44+273图9掌子面中断于2 K44+295测点时D14D18沉降随时间增长曲线图35GD-281-SL-381CD-385SL-38530-GD-290SL-290+GD-295SL2952515102021/11/92021/11/195结语本文针对下穿省道公路隧道施工变形与控制技术研究，提出了经济科学处治方案，取得良好效果，结论2K44+315如下：2K44+305（1)随着隧道进洞开挖，对地表影响范围逐渐增加，487.6s518省道D1292K44+295TT471.12K44+285D6D72K44+2812K44+2852K44+290 2K44+295检测日期图8 地表测点监测曲线图-DB15-DB162K44+2812K44-285 2K44+290 2K44+2952021/11/29图10测点监测曲线图其表面变形、地表沉降随着开挖进尺增加而增加。地表变形主要以沉降变形为主，有无支护均将对隧道拱顶上方1.0 倍路基区域范围产生较大影响。(2)采取对下穿隧道地表变形控制、提高超前支护以截天水沟F2K44+2752K44+265DB17-DB18检测日期2021/12/9检测日期及初期支护刚度、减少开挖循环步距等措施对路基变形控制能够取得良好效果，但绝对控制路基基底变形与沉降变形存在较大难度。(3)对埋深不大的隧道，掌子面开挖至距离测点约1.0倍洞径时开始出现地表变形，掌子面停止开挖后，地表沉降约3 d内急速增加，3 d后减缓并缓慢增长。参考文献门李兆平，黄庆华，马天文.下穿大型铁路站场的地铁车站施工对线路变形影响的监测分析 J.岩石力学与工程学报,2 0 0 5,2 4(A2):5 569-5 575.2雷位冰.温福铁路琯头岭隧道下穿公路隧道施工技术J.地下空间与工程学报,2 0 0 8,3(4)：11-15.3李伟平.公路隧道穿越软弱围岩的变形与控制方法 J.现代隧道技术,2 0 0 9,46(2)：44-49.4温世儒.岩溶隧道土质围岩段地表沉降估算方法研究J.现代隧道技术,2 0 18,55(6)：7 3-7 9.5莫阳春，周晓军.岩溶隧道施工围岩变形动态监测与仿真分析 J.岩石力学与工程学报，2 0 0 8,2 7（A2)：3 8 16-3816.收稿日期：2 0 2 3-0 4-102021/12/192021/12/292022/1/8124西部交通科技 WwestemnchinsCommunications Science&Technoliogy