特大断面公路隧道下穿浅埋冲沟综合处置技术

特大断面公路隧道下穿浅埋冲沟综合处置技术摘要：针对昆明福宜高速公路徐家庄隧道开挖断面大、整体埋深浅、下穿过水冲沟、临近发震断层的特点，采用静力法、时程分析法对隧道主体结构进行抗震验算，并提出了施工期间的综合治水措施、超前预加固措施以及开挖支护控制要点。经实际验证，在隧道下穿冲沟段施工期间未发生塌方、透水风险，地表最大沉降为8.6mm，设计方案及施工措施有效的满足了安全控制要求，实现了预期的建设目标。关键词：大断面隧道，浅埋隧道，高烈度区，下穿冲沟引言滇东地区公路建设普遍面临着地势高陡、沟谷深切、空间狭窄的地形条件[1]隧道建设期间不可避免的下穿各种沟谷地形，条件较差时隧道将面临埋深浅、围岩差、洞身富水等不利因素的组合，如处理不当，易对施工及运营安全造成各种隐患[2]。因此，隧道下穿过水冲沟的处置非常重要，本文以徐家庄隧道下穿过水冲沟为例，在依托行业规范的基础上，以结构验算、施工控制为重点，提出了安全穿越的设计方案及施工措施，有效的保证了隧道的安全，可为类似工程提供有益的借鉴。工程概况项目概况徐家庄隧道位于昆明市宜良县境内，是福宜高速公路终点段的一座长隧道，设计速度为100km/h，双向六车道（单洞三车道）标准，其中右幅隧道全长1957m，左幅隧道全长2014m。隧道区属构造剥蚀中低山地貌，整体位于南北走向的脊状山群中，地形地势较陡，沟谷切割较深，空间狭窄，与线路近似垂直相交，隧道最大埋深约214m。地层岩性主要为第四系全新统坡残积粉质黏土及角砾、下伏基岩为泥盆系下统翠峰山组钙质粉砂岩、砂岩呈互层产出，岩石强度一般。隧道地表水及地下水赋存情况一般，涌水量为11553m：/d。2.2主要建设特点特大断面公路隧道。隧道行车主洞内轮廓路面以上采用三心圆曲墙断面，洞内路面横坡超高范围为-3%~＋3%，标准内轮廓断面面积123.11平，隧道一般V级浅埋围岩段开挖面积为168.47平，隧道扁平率为0.62。开挖断面大、扁平率小是本隧道的重要特点。图2.1V级围岩浅埋段隧道衬砌断面图线路K51+728〜+788为浅埋沟谷段，下游500m处分布有地方水库，隧道最小埋深为5.0m，旱季水量较小，在丰水雨季时有大量过水，建设期间塌方冒顶及透水风险高。

图2.2地表冲沟照片隧道浅埋沟谷过水段，围岩主要为钙质粉砂岩与砂岩共生互层，裂隙较发育，岩质较软，岩体较破碎，稳定性一般。地下水主要为基岩裂隙水，受补给影响，该段水量较丰富，施工时以股状或淋雨状或涌流状出水为主，围岩级别为V级。隧道紧邻小江断裂东支［3］隧址区地震动峰值加速度为0.30g,动反应谱特征周期为0.45s，相应的地震基本烈度为训度。隧道抗震设计根据工程类比法，在当前衬砌支护参数下，隧道初期支护及二次衬砌的可满足施工及运营期间的承载能力要求，隧道支护参数如下表3.1。表3.1衬砌主要支护参数表支护结构C25喷射混凝土厚29cm全环初期|工22b型钢钢架支护支护结构C25喷射混凝土厚29cm全环初期|工22b型钢钢架支护封闭间距0.6m①25中空系统锚杆0.6X0.6m 拱墙二次 C35钢筋混凝土二衬厚70cm 全环结合高烈度区隧道震害的调查统计资料以及工程经验，隧道埋深对于地震破坏程度的影响很大，尤其是在严重震害的隧道统计比例中，埋深小于50m的隧道占比为45%[4]，因此应重视浅埋隧道的抗震设计。本项目隧道临近小江断裂东支该断层属于8级地震发震断层，抗震验算是本隧道关注的重点。单洞三车道高速公路隧道抗震设防类别为B类，抗震设防措施等级为四级。采用两水平设防、两阶段设计，要求在E1地震作用下，地震后衬砌的结构应力低于弹性极限，处于弹性状态，结构无破坏（由安全系数控制，钢混结构强度安全系数大于1.5）；在E2地震作用下，地震后衬砌结构应力在屈服强度以内，结构处于弹性向塑性过渡状态，结构局部出现轻微损伤，不需维修或简单加固后可继续使用（采用二衬最大收敛值作为验算指标，最大收敛界限值应小于隧道跨度、高度的5%。）。为保证计算结果的可靠性，分别采用静力法、时程分析法进行验3.1静力法计算计算所选用的软件为Midas-NX有限元软件，采用二维荷载一结构模型进行计算。由于浅埋偏压衬砌所在围岩为V级，二次衬砌按照承担70%的围岩压力计算。本地区地震动峰值加速度为0.3g，B类隧道E1地震作用重要性修正系数为0.43,E1地震作用重要性修正系数为1.3；水平地震动峰值加速度为0.3,竖向地震动峰值加速度取0.255。计算结果如下图。图3.1E1阶段地震作用下二衬弯矩图图3.1E1阶段地震作用下二衬弯矩图图3.2E1阶段地震作用下二衬轴力图图3.3E2阶段地震作用下二衬竖向变形图3.2E1阶段地震作用下二衬轴力图图3.3E2阶段地震作用下二衬竖向变形图3.4E2阶段地震作用下二衬水平收敛采用综合安全系数法验算钢筋混凝土衬砌在E1地震作用下的受力、E2地震作用下变形收敛计算结果如下表3.2。表3.2静力法验算地震作用结果验算项目拱拱墙脚顶肩仰拱E弯矩（kN・m）636716608

验算项目拱拱墙脚顶肩仰拱E弯矩（kN・m）636716608地地震震地地震震主要结论：由表3.2可知，采用静力法计算时，在E1地震作用下，结构典型截面综合安全系数均大于1.5；在E2地震作用下结构收敛值小于5%。，可满足抗震验算要求。时程分析计算进行时程分析法计算时，采用二维“地层-结构法”模型，地震动力响应数值分析分为以下三步：①各工况模型条件下的初始地应力计算；②对隧道施工开挖过程进行模拟得到隧道建成后的应力场；③施加地震动力荷载进行抗震分析⑸

根据地震安评成果，在El、E2地震作用下隧道时程分析输入加速度时程曲线如图3.5、3.6所示。图3.5E1阶段加速度时程曲线图3.6E2阶段加速度时程曲线图3.6E2阶段加速度时程曲线衬砌结构采用梁单元模拟，围岩采用二维平面应变单元模拟，模型底部采取动力固定约束，两侧采用无限边界自由场约束，防止地震波抵达边界反射造成干扰，结构计算模型如图3.7所示。图3.8El阶段地震作用下二衬弯矩图图3.9E1阶段地震作用下二衬轴力图图3.10E2阶段地震作用下二衬竖向变形图3.11E2阶段地震作用下二衬水平收敛采用时程分析法验算的主要结果如下表3.3。表3.3时程分析法验算地震作用结果位置拱顶{拱肩E 墙脚i仰拱1E弯矩(kN・m)16120418164水平收敛E(cm)地竖直变形0.99(0.9%)(cm)由表3.2可知，采用时程分析法计算时，在E1地震作用下结构综合安全系数、在E2地震作用下结构收敛值均远小于静力法，可满足抗震验算要求。故按照静力法计算结果作为抗震控制性验算。施工过程控制施工期间，遵循“先治水，再超前加固，后开挖支护”的工序原则组织施工。4.1综合治水措施（1）为降低透水风险，选择在2021年10月~2022年2月旱季枯水期施工浅埋冲沟段。（2）由于本段隧道临近出口，洞身位于-2.5%的单面下坡段（顺坡），利于排水，尤其是在发生塌方、透水等极端风险时，有利于洞内抢险，故选择从出口工区通过冲沟段。（3）隧址区地震活动频繁、地质构造发育，故洞身围岩裂隙较发育、岩体较破碎、地层透水性强是本段隧道的重要特点，为避免施工期间冲沟内流水下渗，采用临时地表封闭、永久沟底防护等措施防治地表水。施工前对沟底采用夯填粉质黏土找平、铺砌M10浆砌片石等措施临时封闭沟底，避免地表水下渗；由于隧道开挖期间，地表不可避免的产生沉降，且本段隧道岩质较软，为避免地表水冲刷，影响洞身长期安全性，待本段隧道通过后，沿沟底施做C25混凝土永久排水沟。超前加固措施隧道下穿冲沟段的总长度约300m,为了兼顾施工期间的安全控制与工效平衡,采取加强超前预支护、简化工法的基本原则［6。］（1）加强超前预支护。超前管棚具有纵向加固距离长、支撑刚度大的优点,特别适用于浅埋、破碎地层,本段隧道采用洞身管棚套打小导管预支护,以防止塌方、冒顶。管棚的钢管均采用①89（壁厚5mm）热轧无缝钢管，环向间距40cm,每循环长度为12m,纵向搭接长度3.0m，外插角5°；管棚间设直径①42mm、壁厚3.5mm注浆钢花管，L=4.5m，外插角40°。严格落实超前预注浆。管棚及小导管应严格注浆，加固洞顶围岩，封闭拱部岩体的微小裂隙，降低地层的渗透系数。注浆材料采用水泥浆液，水灰比为1：0.5(重量比)，注浆压力为0.5〜l.OMPa。开挖支护措施采用三台阶环形开挖留核心土法施工。严格控制开挖进尺，各级台阶每循环开挖支护进尺为1榀钢架间距，且加强工序衔接，保证开挖后及时立架、喷混封闭［7］。采用光面爆破作业，以最大限度地保护周边岩体的完整性，同时减少超挖量，提高围岩自身承载能力［8］。尽管本段隧道线间距较大(52~59m)，为控制施工扰动，左、右幅隧道掌子面错开距离不宜小于40m。严控锁脚质量。立架到位后，立即施做①42mm锁脚锚管，为确保锁脚质量，各台阶锚管与钢架采用眼镜钢板连接，并焊接牢固，及时在锚管内充填M30水泥砂浆，保证锚固刚度。限制仰拱、二次衬砌与掌子面的距离。要求仰拱与掌子面距离小于40m二次衬砌与掌子面的距离小于50m。监控量测为了掌握地表冲沟沉降情况、围岩的整体稳定性、初期支护工作状态，将监控量测全程纳入施工工序管理［9］。主要监测项目为地表沉降、地表(沟底)开裂初支沉降、水平收敛，监测方案如图5.1所示。图5.2隧道监测方案横断面图（沿沟底纵向）从掌子面开挖至本段隧道二衬施工完成，地表冲沟沟底最大沉降量为8.6mm沟底未出现明显开裂，冲沟整体渗漏程度较轻，隧道掌子面呈淋雨状出水。洞内初期支护整体变形量较小，隧道拱部最大沉降量为14.9mm，隧道顺利通过浅埋过水冲沟，具体监测数据如图5.2。结论（1） 针对本项目临近8级发震断层，地形浅埋的特点，采用多种方法对比分析，加强结构抗震验算是保证隧道长期安全的重点。（2） 开挖断面大、洞顶埋深浅、洞身破碎富水地段，应严格遵循“先治水再超前加固，后开挖支护”的综合处置原则，这也是控制成败的决定性因素。（3） 加固距离长、支撑刚度大的洞身管棚预支护，产生的时空支护效果十分显著，充分发挥了控制洞内外变形的辅助作用。参考文献柏松平.云南复杂地质环境公路地质病害诱发机理及其对策研究[D].昆明理工大学,2008.朱浩波.大断面浅埋高速铁路隧道施工关键技术研究[D].北京交通大学,2015.周春景,吴中海,马晓雪,李家存,王继龙.滇中城市群重要活动断裂与区域地壳稳定性评价[J].地质力学学报,2016,22(03):454-477.《公路隧道抗震设计规范》(JTG2232-2019)[S].陈兴涛.山岭隧道地震破坏模式及其性能指标研究[D].重庆交通大学，2019.D0I:10.27671/ki.gcjtc.2019.000499.[6]严健，何川，陈四来,姚志军.德格隧道施工过程分析及冒落成因机