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

王成

中铁建云南投资有限公司 云南昆明 650000

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

1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。

2工程概况

2.1 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11553m³/d。

2.2 主要建设特点

（1）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2.1 V级围岩浅埋段隧道衬砌断面图

（2）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

（3）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。

（4）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Ⅷ度。

3 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

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、时程分析法进行验算。

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—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3.1 E1阶段地震作用下二衬弯矩图

图3.2 E1阶段地震作用下二衬轴力图

图3.3 E2阶段地震作用下二衬竖向变形

图3.4 E2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

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。

3.2 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^[5]。

根据地震安评成果，在E1、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3.5 E1阶段加速度时程曲线

图3.6 E2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3.7 时程分析法地层-结构模型图

图3.8 E1阶段地震作用下二衬弯矩图

图3.9 E1阶段地震作用下二衬轴力图

图3.10 E2阶段地震作用下二衬竖向变形

图3.11 E2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

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。

4 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。

4.2 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Φ89（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Φ42mm、壁厚3.5mm注浆钢花管，L=4.5m，外插角40°。

（2）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0.5～1.0MPa。

4.3 开挖支护措施

（1）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]。

（2）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]。

（3）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。

（4）严控锁脚质量。立架到位后，立即施做Φ42mm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。

（5）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。

5 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。

图5.2 隧道初支拱顶沉降（mm）监测图

6 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

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