浅埋深引水隧洞下穿高速公路施工技术

浅埋深引水隧洞下穿高速公路施工技术

石玉龙 张佳瑞

              内蒙古新开元建设有限公司

               内蒙古   包头   014000

摘要：基于引水工程隧洞下高速公路工程，通过数值模拟对隧洞下穿高速段采用的“超前支护＋初期支护＋临时支护”支护体系进行研究。得出以下结论：在该支护体系下，开挖对玉江高速的沉降影响范围为隧道轴线上方地表左右各１５ｍ范围内。随着开挖的推进，地表的最大沉降值为０．２９２ｍｍ，说明在该支护体系下能有效地减小地表沉降值。由于隧道埋深较浅，支护结构受力较小。隧道全段支护在材料的允许范围内，可以判定隧道结构处于安全状态。

关键词：引水隧洞；数值计算；路面沉降

前言

随着国家经济和社会需求的增长，水利水电建设事业发展迅速，长大隧洞在水利工程中的应用较多，在建设过程中通常会遇到下穿高速的情况。隧洞下穿高速时埋深较浅，上覆土体工程地质条件较差，施工时容易引发地表沉降影响高速公路的运营安全。

对于浅埋隧道下穿高速公路的研究，以某公路隧道工程为背景，研究了隧道围岩变形及公路沉降规律。黄智刚等结合大樟溪—东张水库输水隧洞工程，通过支护体系与爆破参数两方面对长距离小断面输水隧洞施工下穿高速公路控制技术探究分析。依托新疆某输水工程，研究了隧道下穿高速时的支护体系与开挖方式，保证了工程顺利进行。时晓贝基于弹性地基梁理论，建立了下穿高速隧道管棚和初支的计算模型，并从控制沉降、防止坍塌２个方面进行了管棚变形和受力计算。通过Ｐｅｃｋ沉降公式，计算了管棚变形引起的路面沉降。通过施工方案、防护措施、控制要点等方面介绍了山西省中部引黄引水隧洞下穿忻保高速的工程情况。本文结合云南滇中引水工程老尖山隧洞下穿玉江高速段，通过ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ有限元软件进行三维模型的建立，探究超前支护体系下地表沉降、围岩变形及支护结构受力情况，为类似工程提供理论经验。

１工程概况

云南滇中引水工程老尖山隧洞里程桩号ＹＸ４４＋９０１．５５０～ＹＸ４４＋９５３．６０１段下穿玉溪—江川高速公路，平面交叉角度８６．３°，长６８．７ｍ，其中下穿高速公路段里程桩号为ＹＸ４４＋９０１．５５０～ＹＸ４４＋９２８．７８０，长度约２７．２ｍ，该段公路路面高程１８５０．７０ｍ，输水线路底板高程１８３７．７９ｍ，隧洞顶部埋深约７．４１ｍ。玉江高速公路为双向六车道公路，与老尖山隧洞交叉处为挖方路基，公路路面宽度约２７．２ｍ，公路路面高程为１８５０．７０ｍ。老尖山隧洞下穿玉江高速公路平面位置见图１。

老尖山隧洞下穿玉江高速公路浅埋段主要为公路路面段，隧洞埋深约７．４１ｍ，开挖断面宽为５．８２ｍ，高为６．６６ｍ，最小埋深７．４１ｍ。开挖每循环进尺１．２ｍ。下穿公路隧洞变形主要发生在开挖和支护两个环节，为确保隧洞开挖安全，在施工过程中对老尖山隧洞ＹＸ４４＋８４４～ＹＸ４４＋９９４段进行超前加强支护。隧道全段采用１６０ｍｍ厚Ｃ２０喷射混凝土与Ⅰ１６钢拱架施作隧道初支，管棚工作室与公路下穿段内部施加３００ｍｍ厚Ｃ２０喷射混凝土临时支护。考虑模型计算规模的影响，取ＹＸ４４＋８８５～ＹＸ４４＋９５７作为分析段，分析段隧洞长７８ｍ。分为一般加固段、管棚工作室和下穿公路段共三个部分，其示意图如图２所示。隧道每段具体支护形式见表１。

２地层－结构模型建立

２．１有限元模型采用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ对隧道进行数值模拟。建立“超前支护＋初期支护＋临时支护”的支护体系，有限元计算中隧道开挖模型宽度通常为３倍～５倍洞泾，取隧道断面左右各３０ｍ，隧道底板向下至模型边界取３０ｍ，地表进行简化，隧道上部埋深７．４１ｍ，模型纵向长度取７８ｍ。在隧道土体表面高速公路段施加１０ｋＰａ车辆荷载，整体水头高于拱顶２ｍ，模型顶部为自由面，底部约束竖向位移，四周约束水平位移。整体模型网格划分见图３。

土体采用摩尔－库仑本构模型，３Ｄ实体单元模拟；初期支护采用２Ｄ板单元模拟；临时衬砌采用３Ｄ实体单元模拟；超前小导管和超前大管棚注浆区采用３Ｄ实体单元模拟；锚杆采用１Ｄ植入式桁架单元、超前小导管和管棚采用１Ｄ植入式梁单元模拟。各支护形式网格划分如图４所示。

２．２计算参数

根据地勘资料，该隧道下穿高速公路段土体分为两层，上层土为含碎石砂土，下层为强烈砂化白云岩，由于围岩较为破碎，隧道开挖前需先采用超前小导管与管棚进行注浆加固。围岩和注浆加固圈的物理力学参数见表２表。

初支和临时支护看作是混凝土与钢拱架的组合体，其混凝土的弹性模量根据等效刚度原则［６］，按照式（１）进行计算。

其中，Ｅ为综合弹性模量，ＭＰａ；Ｅｃ为混凝土弹性模量，ＭＰａ；Ｅｇ为钢拱架弹性模量，ＭＰａ；Ｓｇ为钢拱架截面面积，ｍ２；Ｓｃ为混凝土截面面积，ｍ２。各支护结构的物理力学参数见表３。

３计算结果分析

３．１地表沉降

３．１．１横向沉降曲线沿高速公路走向方向取隧道里程ＹＸ４４＋９１５断面地表沉降值，并绘制成曲线图，如图５所示。

由图５可知，在隧道贯通后，地表沉降关于隧道中心线呈Ｖ字型，隧道开挖对地表横向的影响范围在隧道轴线左右１５ｍ内较为明显，地表沉降的峰值位于隧道正上方，为０．２９３ｍｍ。

３．１．２随开挖步的沉降曲线

沿隧道纵向开挖方向，随着开挖步的推进，分步骤取高速路中点处地表沉降值，如图６所示。由图６可知，在开挖步３０之前，隧道开挖对于高速公路的沉降影响不大，开挖步３０～６０为公路下穿段施工，受路面车辆荷载的影响，地面沉降会产生一个突变，开挖步３０～６０对于地表的沉降影响较大，路面沉降的增长速率加快。通过公路下穿段后，沉降将缓慢增大并趋于恒定。

３．２围岩位移

开挖完成后隧道的围岩位移如图７，图８所示。

图7围岩横向位移

图8围岩竖向位移

５结论

对老尖山隧洞下穿高速公路段支护结构进行优化，采用超前支护＋初期支护＋临时支护的支护体系，得出以下结论：１）在该支护体系下，开挖对玉江高速的沉降影响范围为隧道轴线上方地表左右各１５ｍ范围内。随着开挖的推进，地表的最大沉降值为０．２９２ｍｍ，说明在该支护体系下能有效地减小地表沉降值。２）由于隧道埋深较浅，支护结构受力较小。公路下穿段因采用加强支护措施，其初期支护内力明显减小。隧道全段支护在材料的允许范围内，可以判定隧道结构处于安全状态。３）下穿高速公路隧洞开挖应采取合理的地层超前加固措施，同时做好施工准备和施工组织，加强监控并及时掌握和提供围岩和支护系统变化信息和工作状态，以确保施工安全和高速公路车辆行驶安全。

参考文献：

［１］赵慧龙，宋战平，王军保．某矿山法施工隧道下穿公路数值模拟分析［Ｊ］．现代隧道技术，２０１９，５６（增刊２）：３４０－３４６．

［２］黄智刚，汪宏兵，郑守铭，等．长距离小断面输水隧洞施工下穿高速公路控制技术［Ｊ］．西部探矿工程，２０２１，３３（５）：１７２－１７５．

［３］樊一平．某输水工程浅埋隧洞下穿高速公路支护技术研究［Ｊ］．云南水力发电，２０２１，３７（３）：６７－６９．

［４］时晓贝．隧道下穿高速公路管棚作用机理及设计参数研究［Ｊ］．市政技术，２０２１，３９（１）：７８－８１，１１８．

［５］赵弟明．浅埋深引水隧洞下穿高速公路施工技术［Ｊ］．河北水利，２０２０（５）：１３－１４，４３．

［６］赵凯．隧道洞口软岩段超前支护围岩变形控制及施工方法研究［Ｄ］．西安：西安科技大学，２０２０