既有公路下超浅埋、偏压小间距隧道的设计与施工技术.pdf

第 2 9 卷 第4 期 2 0 0 9年 8月 中 外公路 3 5 9 文章编号 ： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 3 5 9 0 5 既有公路下超浅埋、 偏压小 间距隧道的设计与施工技术 赵永国 - - 。 张稚光 。 韩常领 。 ( 1 中交第一公路勘察设计研究院有限公 司，陕西 西安 7 1 0 0 7 5 ； 2 多年冻土 区公路建设 与养护技术交通行业重点实验室) 摘要 ： 依托穿越既有公路工程的实体隧道 ， 通 过偏 压 、 超浅埋 小间距隧道的不同施工 顺序、 不同支护结构条件的现场监测和三维数值模拟 ， 提出了合理的施 工方法和几何不对称 支护结构设计的理念 ， 并应用于该小 间距隧道 的现场施 工， 提高了干扰既有道路的超浅埋 隧 道设计与施工技术水平 ， 实现了在窄小走廊带 内合理布线的可行性。 关键词：既有公路 ； 浅埋 ；偏压；小间距隧道 在高速公路进入山区后 ， 由于路线走廊带内往往 会有既有低等级公路、 既有铁路或引水工程 、 城镇等， 使公路线形的选择受到很大制约， 因此就出现了连拱 隧道、 小间距隧道等多种布置方式， 另外还 出现了高速 公路与既有公路或铁路相交的情况 ， 当各种条件受到 制约时， 就出现了高速公路下穿既有道路工程的情况， 当路线标高 受到限制 时就 会 出现 浅埋 或超 浅埋 隧 道 ， 当路线平面受到限制时还会出现偏压隧道。对于浅埋 隧道工程 ， 其 显著 的特点 就是埋深浅 ， 由开挖施工 扰动 地层亏空而 引起地表 运移 明 显 ， 对 地表 工 程结 构 及周 边 环境会造 成很大 的影 响或破坏 。故 此 ， 对浅埋 隧道 ， 尤其是穿越既有道路工程的超浅埋隧道， 其设计与施 工技术均有 更高 的特殊要 求 。 本文依托陕西某高速公路 c x隧道的建设实践 ， 根 据不 同施 工顺序 、 不 同支护 结构 条件 的现场 监 测 和 三维数值仿真模拟分析结果， 依据工程调查研究及施 工设计经验 ， 对既有公路工程下超浅埋隧道的设计与 施 工方法进 行 了分 析总结 ， 提 出了可供 超 浅埋 隧 道及 穿越既有工程设计、 施工参考的方法与原则。 1 依 托 工程 概 况 s 1 0 2省道是西安通往安康的主要交通要道之一 ， 陕西某高速公路 c x隧道进 口段穿越既有 $ 1 0 2 公路 ， 由于地形条件制约， 形成 了隧道超浅埋 、 偏压、 小间距 的不利组合工况。 左线隧道进 口段属浅埋隧道段， 如图 1所示 。左 线施 工共分三 段进行 ， 第一段 开挖 1 5 m( l k1 0 8 +8 4 5 l k1 0 8 +8 3 0 ) ， 此段施工后用于 $ 1 0 2公路改道 ； 第 二段长 3 0 m(l k1 0 8 +8 3 0 l k1 0 8 +8 0 0 ) ， 其间穿越 s 1 0 2省道 ； 第三段位 于左 隧道 人 口段 ( l k 1 0 8 +8 0 0 l k1 0 8 +7 8 0 ) 。此浅埋 段埋深 4 6 0 1 t i ， 且上 覆层在 l k1 0 8 + 7 8 0 l k1 0 8 + 8 2 5段 为 人 工 填 土层 ， 比较 松散 。 褪 5 4 o 5 3 0 5 2 0 51 0 20120辇11 0 填 土 i 1 里程桩号 8 8 8 8 l 8 宾 8 8 i 8 8 8 8 晕 荤荤引量4- 晕 晕 量4-晕 i蕈 塞4- 晕 漳 + + + + i + + + i + + + 图 1左 线入 口处 纵 剖面 图 c x隧道 在 l k 1 0 8 +7 8 8处 左 、 右 线 隧 道 间 距 为 l 1 1 1t i ， 在 l k1 0 8 +8 4 5处间距 为 1 4 6 4 m， 其 间属 小 间距分 离式隧道 段( 图 2 ) 。 右线隧道进 口段属浅埋偏压隧道段 ， 其中 r k1 o 8 +7 5 5 7 6 r k1 0 8 +8 0 6 段 为穿越 s 1 0 2公 路 ， 埋深 在 4 m 左 右 ， r k1 0 8 +8 0 6 r k1 0 8 +8 4 5段 为 浅埋 偏 压 段 ， 见 图 3所示 。 c x隧道进 口段围岩为强风化千枚岩， 呈银灰色 深灰色， 泥炭质结构， 千枚状构造； 具丝绢光泽 ， 节理 发育 ， 较杂乱 ， 呈微张或张开 ， 岩石破碎 ， 呈片状碎块 松散结构 ； 纵 波波速 较低 ， 在 2 5 0 5 0 0 m s之伺 ， b q =1 6 8 ， 围岩稳定性差， 施工时易出觋 大坍塌， 雨 收稿 日期 ： 2 0 o 8 1 o 一2 5 作者简介： 赵永国， 男， 硕 士， 教授级高工 e ma i l ： z h a o y g c c r o a d c o rn c a 3 6 0 中 外公路 第 2 9 卷 季施工时会产生滴水及线流现象。 图 2 c x隧道进口( 左 、 右线) 段平面布置 图 3 j 4 = 2 b u 一 5u u m s l 毒 3 0 ： 填 土 _ 1 l j ， 、 、 、 、 、 1 ls 2 0 惶 5 l 4 l ， ， 一 一 一 15 1 8 9一 i i -7 一 ， ，。 5 0 6 1： 潞 o 4 ， 为浅埋 隧道 。依据这一判别法， 可 以 判别出 c x隧道进 口段均可划归为浅埋隧道中的超浅 埋隧道 段 。 一 4 2超浅 埋隧道 设计原 则 隧道埋深浅 ， 不能有效形成承载拱 ， 施工不当会引 起很大的附加荷载， 容 易坍塌 ， 或产生很大的地面下 沉 ， 其原因一是由于支护措施或施工步序不当、 无序开 挖引起的； 二是有降水或地面荷载影响引起 的。根据 浅埋隧道施工观察， 隧道埋深 比越小， 地表下沉值 越 大， 特别是 当埋深 比小于 0 5 ， 下沉值会急剧下降 ， 而 且地表上伴随有环向、 斜向甚至纵向裂缝， 可能引起隧 道支护结构开裂。因此在设计 中应遵循“ 管超前、 短进 尺、 非( 弱) 爆破、 小开挖 、 少扰动、 强支护、 早封闭、 紧衬 2 0 0 9年 第 4期 赵永国， 等： 既有公路下超浅埋、 偏压小间距隧道的设计与施工技术 3 6 3 砌、 勤量测” 的原则 ， 从以下 3个方面人手： 对洞顶 土层进行加固， 提高其凝聚力与超前支护刚度 ； 初 期支护应满足全部承担受力荷载的需要， 还可采用双 层模筑衬砌形式 ； 应选择合适 的开挖方式， 环环 紧 扣 ， 尽早形成封闭环 ， 二次衬砌紧跟， 力求把隧道施工 开挖期间的地表沉降与地表裂缝控制好。 4 3 隧道超前 预支护设计 超前支护应根据洞顶覆土厚度以及围岩条件采取 长管棚、 小导管注浆加固， 当具备条件时也可采用地表 预加 固处理 。对 于超浅 埋 隧 道 一般 应 采 用 大 刚 度 管 棚， 形成有效的伞状保护壳。对于双车道， 长管棚管径 一 般可选用 1 o 8 - 1 8 o ， 壁厚不小于 8 mm， 当地质条 件复杂或 隧道断面超过 2 0 m 以上时可采用双层管 棚， 或把管棚管径加大， 管径可为 3 o o 5 o o ， 管棚间 距为 2 0 2 5倍钢管 直径 ， 有必要 时管棚 内安 放小钢 筋笼。管棚内压注水泥浆或化学浆液， 改 良地层 ， 形成 一 定厚度的加固带， 然后在其保护下开挖隧道。通常 大管棚、 长管棚对控制地面沉降的效果较好 ， 是穿越既 有公路 、 铁路 等 的有效手段 。 4 4 隧道 衬砌结构设计 在设计 中应根据 洞顶 覆 土高 度 、 围岩条 件 以及 隧 道断面大小确定衬砌结构， 围岩开挖后地层松动 ， 其承 载力下降， 如支护不及时或强度不够， 将会增加作用在 支护结构上的荷载 ， 甚至坍塌。因此， 初期支护应有足 够的刚度和强度以有效抑制地层的过大变形 ， 且应早 支护。这样不仅可减少支护结构的荷载， 避免地层过 分变形 ， 防止施工塌方， 当隧道断面大且地质条件较差 时可考虑采用双层模筑衬砌形式 由于洞顶覆盖层较薄 ， 锚杆支护的作用明显降低 ， 可取消隧道两侧地层破裂角以内径 向锚杆 ， 即有整体 下沉的围岩中拱部锚杆的支护效果不大， 故拱部系统 锚杆长度可减短或不设， 但应充分做好拱顶地层的加 固， 加强墙部系统锚杆与锁脚锚杆设置， 发挥群锚作 用。钢拱架应采用型钢拱架， 如工字钢或 h 型钢 ， 钢 拱架在初期支护受力中起着非常重要的作用 ， 因此应 确保钢拱架有足够的强度与刚度， 确保钢拱架与围岩 密贴， 并根据地层情况， 在拱脚增加锁脚锚管( 杆) 。 二次衬砌应采用钢筋混凝土衬砌， 考虑到地表车 辆等长期影响， 二次衬砌也宜按能够承担全部荷载进 行计算。 4 s施工开挖 方式 不同的开挖方法和开挖顺序对地面沉降有很大影 响， 因此隧道施工方法的确定应结合浅埋隧道变形与 受力特点 ， 选择有利于控制沉降的方式。通常中隔墙 法 、 双侧壁 法控制 地面沉 降好 于 台阶法 ， 双侧壁法好 于 中隔壁 法 ， 因此应 根据 隧道 断面大小 、 断面形状 、 埋 深 、 地层情况 以及控制沉降的要求， 采取化大为小的方式， 优先采用 双侧壁 、 c rd或 c d法 开挖( 表 2 ) 。 表 2 各种施工方法对比表 开挖后应及时形成封闭环， 提供及时、 密贴、 大刚 度的初期支护， 保持开挖面的稳定 ， 并且二次衬砌与开 挖面的距离不宜过长， 其长度以不产生过大的施工干 扰为原则 ， 仰拱应紧跟掌子面施作 ， 缩小工序间距。在 路面上及洞内均设观测点， 加强围岩量测， 使开挖沉降 变形控制在设计要求范围内， 避免塌方事故的发生。 施工中应做好交通管制 ， 根据各隧道实际情况架 设便桥或铺设钢板过渡， 进行限速 ， 尽可能降低行驶车 辆对隧道施工的影响。 5 结 论 依托 c x隧道进 口段超浅埋隧道穿越 s 1 0 2公路 段工程， 将现场监测结果与三维仿真分析结合， 分析总 结了浅埋偏压小间距隧道支护与围岩变形规律 ， 对超 浅埋隧道设计与施工方法进行分析总结 ， 给出超浅埋 隧道及穿越施工方面可供参考的方法与原则。 ( 1 )小间距隧道支护结构不对称几何形状设计理 3 6 4 中 外公路 第2 9 卷 第 4 期 2 0 0 9年 8月 文章编号 ： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 9 ) o 4 一o 3 6 4 一o 5 1 概述 开口框架异型一字墙空间计算分析 牛小力，蒋新民，蒋伟 ( 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 ， 陕西 西安7 1 0 0 7 5 ) 摘要 ： 该文以阿尔 及利亚东西高速公路上一 座特殊开 z l 框 架外 的异 型结构一 字墙为 例 ， 采用法 国规范体系对异型一字墙 的稳定性和强度进行分析 ， 并与常规结 构的一字 墙进行 对 比， 可为以后 的类似结构分析提供参考 关键词 ： 异型一字墙 ； 板壳 ； 有限元 阿尔及利亚东西高速公路采用欧洲规范进行设 计 ， 本文针对某特殊框架分析洞外采用的异型结构形 式 的一字墙 。由于框架要 保护现 有管线 ， 框架底 部采 91 0 用分离式基础 。受地基承载力限制 ， 框架基础 向外延 伸的襟边达 1 2 m。为使路基和框架顺接 ， 遮挡路基 部分填土 ， 并考虑到减小工程规模 ， 洞口采用了带悬臂 板形式的一字墙。墙身立壁高 5 m， 基础厚度 0 7 m， 基础宽度 5 m， 脱空悬臂板宽度 1 2 m。具体结构尺 寸 如 图 1所示 。 a 7 o 一5 6 o l a 图 1 洞 口布置图( 单 位 ： c m) 念。对有偏压荷载的浅埋小间距隧道 ， 无论左右线采 用何种施工方案 ， 两隧道问围岩均有向浅埋一侧侧移 的趋 势。喷层 压力分 布 不对 称 ， 而 且表 现 出较 大 的偏 压特征 。因此 ， 为抑制这种侧移趋势的发生或增大， 建 议在设计 时将 隧道浅 埋侧 喷层和二 次支护 厚度适 当增 大 ， 形成几何不对称支护结构。 ( 2 )高速公路隧道下穿既有公路的施工方式 。对 于浅埋隧道穿越公路工程， 采用盖挖法要优于明挖法 ， 而另一侧隧道采用侧壁导坑法开挖方式相对优于上下 台阶法 和 留核 心土法 。 ( 3 )浅埋偏压小间距隧道的施工顺序 。对于浅埋 偏压小间距隧道 ， 左右隧道的先后开挖顺序对围岩的 整体变形、 受力状态及塑性区均有一定的影响； 先施工 深埋一侧的隧道 ， 可使隧道 间围岩 的侧移量最大降幅 收 稿 日期 ： 2 0 o 8 1 0 2 5 作者简介 ： 牛 小力 ， 男， 工程师 e ma i l ： n i u x i a o l i 7 7 g ma i l c o m 达到 1 3 左右， 使塑性区面积降低 1 4左右。所以， 对 类似工程问题 ， 应先施工偏压较大一侧 的隧道。 ( 4 )超浅埋 隧道 的设 计 原则 。