敏感復(fù)雜區(qū)域城市隧道進(jìn)洞技術(shù)研究

吳夢軍，肖 博，吳勝忠

( 1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2. 國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心， 重慶 400067； 3. 公路隧道建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067)

敏感復(fù)雜區(qū)域城市隧道進(jìn)洞技術(shù)研究

吳夢軍1，肖 博2，吳勝忠3

( 1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2. 國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心， 重慶 400067； 3. 公路隧道建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067)

城市隧道建設(shè)過程中，由于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感因素多，洞口存在滑坡、淺埋、斜交、偏壓等不良情況，且對沉降、變形控制要求嚴(yán)格，導(dǎo)致隧道進(jìn)洞困難。以重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋城市陽臺進(jìn)洞段為依托，提出具有抗滑功能且可兼做隧道結(jié)構(gòu)和城市觀光平臺結(jié)構(gòu)的剛性框架結(jié)構(gòu)方案和“樁板墻+輕質(zhì)混凝土反壓回填+明洞暗作與既有擋墻斜交進(jìn)洞”方案。通過數(shù)值模擬，對隧道進(jìn)洞施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等進(jìn)行分析，結(jié)果表明：該“斜交進(jìn)洞”方案結(jié)構(gòu)受力合理，能保證邊仰坡穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，地表變形控制較好。

城市隧道；框架；環(huán)境敏感；進(jìn)洞

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、城市化水平的不斷提升及資源節(jié)約型發(fā)展理念的深入，城市隧道等地下工程的建設(shè)越來越多。預(yù)計(jì)到2020年，我國將成為城市地下隧道開發(fā)利用的大國和強(qiáng)國。在城市特別是山地城市隧道建設(shè)的過程中，由于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感因素多，洞口往往存在滑坡、淺埋、斜交、偏壓等不良情況，且城市隧道施工對沉降、變形控制要求嚴(yán)格，故導(dǎo)致隧道進(jìn)洞困難。為此，國內(nèi)部分專家對城市環(huán)境敏感且地質(zhì)、地形復(fù)雜區(qū)域的隧道進(jìn)洞技術(shù)進(jìn)行了一定研究。徐強(qiáng)[1]對大斷面小凈距隧道提出了先加固穩(wěn)定邊仰坡、后施作超前大管棚，隧道斷面化大為小、從上向下分塊施工，對中間巖柱打設(shè)預(yù)應(yīng)力對拉錨桿等方案。周青[2]采用鋼管樁加固拱底的方法，成功解決了淤泥與粉質(zhì)粘土段隧道進(jìn)洞施工的安全問題。石平[3]采取對隧道重疊段的土體注漿加固、同步注漿加固、隧道內(nèi)設(shè)支撐加強(qiáng)等措施，確保了重疊隧道進(jìn)洞施工安全。周曉冬[4]采用長大管棚預(yù)支護(hù)和微樁支撐方案，解決了泥灰?guī)r軟弱圍巖地區(qū)進(jìn)洞難題。楊超等[5]對淺埋偏壓隧道提出了內(nèi)出進(jìn)洞方式。此外，對于邊坡陡峭且存在滑坡的洞口，國內(nèi)外學(xué)者[6-8]對設(shè)置抗滑樁的治理方案進(jìn)行了一些研究。同時(shí)，Zeng與Liang[9-10]采用基于 Mohr- Coulomb 破壞準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動法則的理想彈塑性本構(gòu)模型，在樁與土間設(shè)置界面單元，探討了鉆孔樁加固邊坡中因土拱效應(yīng)引起的荷載傳遞特征。張建華等[11]通過對抗滑樁結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，建立了抗滑樁結(jié)構(gòu)的有限差分模型。

當(dāng)洞口同時(shí)存在陡峭、滑坡、淺埋、斜交等不利因素，且隧道周邊環(huán)境敏感點(diǎn)多，洞頂為城市主干道時(shí)，如何解決隧道進(jìn)洞問題，國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)不多。本文以重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋城市陽臺進(jìn)洞段為依托，提出了“設(shè)置框架式抗滑樁+反壓回填”的斜交進(jìn)洞方案，建立了隧道與框架式抗滑樁計(jì)算模型，分析了框架式抗滑樁、隧道內(nèi)力和位移的變化規(guī)律，有效解決了曾家?guī)r嘉陵江大橋工程南側(cè)主線隧道的進(jìn)洞難題。

1 工程概況

重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋工程起于渝北區(qū)興盛大道，在天江鼎城附近進(jìn)洞，線路由北向南，在龍湖春森彼岸出洞?？缭郊瘟杲?，在名流公館城市陽臺附近進(jìn)洞，并先后下穿曾家?guī)r、中山四路、上清寺、兩路口等地區(qū)，向南出洞接長濱路互通式立交，并與菜園壩長江大橋及長濱路相接。該項(xiàng)目主線道路全長約5.51 km，其中曾家?guī)r嘉陵江大橋長0.54 km，路軌共建，路上軌下，道路層為雙向6車道。主線隧道總長4.69 km。嘉陵江以北主線長2.90 km，其中北側(cè)主線隧道長2.78 km，雙洞隧道布置形式為“洞口分岔+洞身分離”。嘉陵江以南主線長2.07 km，其中南側(cè)主線隧道長1.91 km，雙洞隧道布置形式為“洞口分岔+洞身小凈距”。全線道路等級為城市主干道，主線設(shè)計(jì)速度50 km/h，隧道主要采用雙向4車道。此外，全線共設(shè)置5條連接線，分別為北城天街接線、黃觀路A連接線、黃觀路B連接線、嘉濱路A連接線和人民路接線，接線主要采用隧道形式。

南側(cè)主線隧道分為左右線，左線進(jìn)洞口里程樁號為ZK3+583.658，右線進(jìn)洞口里程樁號為YK3+575。左線洞口穿越名流公館擋墻，右線洞口穿越名流公館擋墻和城市陽臺。洞口開挖后仰坡高8.8～15.4 m，其主要由素填土和強(qiáng)風(fēng)化巖體組成。由于仰坡巖土界面較陡，且穿越現(xiàn)有名流公館擋墻及城市陽臺，故施工開挖后擋墻失去作用，可能導(dǎo)致土質(zhì)部分沿著巖土界面或填土內(nèi)部滑移破壞。邊坡高約13.6～15.3 m，其主要由素填土和強(qiáng)風(fēng)化巖體組成，施工后可能發(fā)生圓弧滑動或掉塊垮塌，進(jìn)而威脅施工人員、設(shè)備及邊坡上方道路、構(gòu)筑物的安全。洞口段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化砂巖和素填土為主，局部存在少量中風(fēng)化，巖體較破碎-較完整，層面結(jié)合很差，受鄰近構(gòu)筑物等環(huán)境條件影響較大，圍巖級別為Ⅴ級。

隧道周邊敏感點(diǎn)主要包括：1) 現(xiàn)有建筑名流公館和城市陽臺；2) 拱頂?shù)某鞘械缆分猩剿穆罚?) 現(xiàn)有擋墻；4) 重點(diǎn)文物保護(hù)單位戴笠公館。

2 進(jìn)洞方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)洞口周邊實(shí)際建筑物情況和地形地質(zhì)條件，以“確保安全、降低影響”為原則，南側(cè)主線隧道左右洞錯(cuò)開進(jìn)洞，如圖1所示。右線隧道設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號為YK3+576，其中YK3+576～YK3+608段結(jié)構(gòu)已進(jìn)入名流公館建筑范圍內(nèi)，需拆除部分建筑。為減少隧道進(jìn)洞對中山四路的影響，進(jìn)洞前，先沿隧道開挖邊線外分別施作2排抗滑樁，并設(shè)置縱向聯(lián)系梁和橫向聯(lián)系梁，共同組成剛性框架整體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有樁-梁-土相互協(xié)同變形的受力特性，且可兼作右洞隧道結(jié)構(gòu)和城市觀光平臺結(jié)構(gòu)，如圖2所示。暗挖隧道洞口樁號為YK3+608，進(jìn)洞時(shí)，先對既有擋墻采用錨桿框格梁加固，再對左側(cè)邊坡采用錨桿噴射混凝土加固，然后施作鋼筋混凝土護(hù)拱和超前大管棚，最后采用“輕質(zhì)混凝土反壓回填+明洞暗作斜交進(jìn)洞”，如圖3所示。

左線隧道洞口樁號為ZK3+579，進(jìn)洞時(shí)，先對該段既有擋墻采用錨桿框格梁加固，再通過右洞設(shè)置橫向大管棚，以保證洞頂邊坡的穩(wěn)定和控制沉降，然后施作鋼筋混凝土護(hù)拱和超前大管棚，最后采用“輕質(zhì)混凝土反壓回填+明洞暗作斜交進(jìn)洞”，如圖4所示。

2.2 施工方案

施工總體上以“先撐后挖、先暗后明、由內(nèi)向外”為原則進(jìn)行，主要施工步序如下：

1) 拆除城市陽臺部分建筑，對保留建筑進(jìn)行保護(hù)、圍擋，加固左線隧道保留擋墻。

2) 跳樁施工右線隧道右側(cè)抗滑樁(柱)。

圖1 隧道洞口平面示意

圖2 右線隧道框架段剖面示意(YK3+576)

3) 跳樁施工右線隧道左側(cè)抗滑樁(柱)，每施作1根即與右側(cè)樁柱形成剛架。

4) 施作隧道左右線洞口超前大管棚及左線隧道橫向管棚、護(hù)拱，并反壓回填。

5) 由洞身向洞口由內(nèi)向外機(jī)械開挖施工暗洞，及時(shí)施作2次襯砌。

6) 清除右線框架結(jié)構(gòu)內(nèi)土體，澆筑框架底板。

施工過程中，須采用機(jī)械開挖，禁止爆破。同時(shí)，須做好洞內(nèi)和地表、周邊建筑的監(jiān)測工作，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即停工并采取相應(yīng)應(yīng)急措施。

圖3 右線隧道暗挖洞口剖面示意(YK3+608)

圖4 左線隧道暗挖洞口剖面示意

3 計(jì)算分析

根據(jù)地勘巖體參數(shù)和地質(zhì)剖面圖，采用平面模型對隧道施工過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析剖面內(nèi)的內(nèi)力和變形。主要內(nèi)容包括：左線隧道開挖過程中，右線框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的發(fā)展規(guī)律，隧道周邊圍巖變形情況和隧道襯砌內(nèi)力分布規(guī)律，以驗(yàn)算設(shè)計(jì)進(jìn)洞方案的安全性和可靠性。

3.1 計(jì)算參數(shù)與荷載

3.1.1 計(jì)算參數(shù)選取

1) 圍巖體參數(shù)。

由于巖體組成復(fù)雜，為簡化考慮，因此模擬時(shí)僅考慮填土、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化黃色砂巖、中風(fēng)化泥巖等4種巖土體材料。根據(jù)地勘報(bào)告，模擬時(shí)采用了一些圍巖基本物理參數(shù)，如表1所示。

2) 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

數(shù)值模擬中采用的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)參數(shù)取值如表2所示。由于平面問題較難考慮錨桿的加固作用，故本文將錨桿加固等效為巖土體粘聚力提高0.5倍。

表1 巖土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議

注：*為經(jīng)驗(yàn)取值。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2 荷載計(jì)算

結(jié)構(gòu)荷載包括路面荷載、框架結(jié)構(gòu)恒載、框架板荷載以及隧道開挖引起的荷載釋放。其中路面荷載取30 kPa，框架結(jié)構(gòu)恒載根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，框架板荷載統(tǒng)一采用12 kPa，其它荷載分別計(jì)算如下。

1) 框架結(jié)構(gòu)荷載。

框架結(jié)構(gòu)恒載來源于梁柱板的自重，對于梁柱自重可根據(jù)梁柱的截面特性，由程序自動計(jì)算，但板自重難以直接考慮到等效截面中，因此將其作為恒載考慮。

2) 土體荷載釋放。

開挖將引起土層荷載釋放，為此需計(jì)算隧道前后左側(cè)框架的荷載釋放系數(shù)，以滿足實(shí)際框架的受力條件。

荷載釋放計(jì)算如下：將土壓力等效為主動土壓力進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將框架結(jié)構(gòu)上部支擋土體的主動土壓力作為隧道開挖前的釋放荷載，待隧道開挖后將框架背后土體破裂面以下釋放荷載刪除，以此來模擬開挖對框架結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)計(jì)算，主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果為1 641.64 kN/m。荷載施加如圖5所示。

圖5 釋放荷載施加示意

3.2 計(jì)算模型與開挖方案

3.2.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用“地層結(jié)構(gòu)法”，模型分析邊界如圖6所示。圖6中，模型寬取110 m；高按實(shí)際地形高度確定，取60 m；框架左側(cè)距模型外側(cè)邊界53 m，同時(shí)模型左下方存在輕軌三號線曾家?guī)r地下通道；框架中心線距道路外側(cè)邊線24 m；隧道上方道路寬按實(shí)際取14 m。

網(wǎng)格劃分后的模型如圖7所示。圖7中，框架施加荷載為活載+混凝土板恒載。

圖6 計(jì)算模型邊界示意

3.2.2 開挖方案

采用臺階法開挖，模擬共分4步：1) 初始地應(yīng)力場生成；2) 施加道路荷載+外側(cè)框架地表開挖+框架活載與恒載施加；3) 上臺階開挖；4) 下臺階開挖。

開挖過程中，先得到等效節(jié)點(diǎn)力后，再根據(jù)荷載釋放系數(shù)反向施加隧道開挖面。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 框架內(nèi)力

數(shù)值計(jì)算所得框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖8、表3所示。分析圖8和表3數(shù)據(jù)可知：1) 隧道開挖后，框架結(jié)構(gòu)壓力基本未變，而拉力增加較大，增加了74%，但最大值遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的允許抗拉力；2) 框架內(nèi)側(cè)彎矩降低明顯，達(dá)25%，而外側(cè)彎矩基本保持不變；3) 開挖后，最大剪力降低明顯?？傮w來說，隧道開挖主要影響框架內(nèi)側(cè)最大彎矩。

圖7 網(wǎng)格示意

圖8 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力

階段最大軸力/kN拉力壓力最大彎矩/(kN·m)背側(cè)面?zhèn)茸畲蠹袅?kN開挖前4244800462036602104開挖后7364800363036301499

3.3.2 框架變形

隧道開挖前后，框架結(jié)構(gòu)的變形如圖9(a)所示，其關(guān)鍵點(diǎn)的變形統(tǒng)計(jì)如表4所示。由表4可以看出，隧道開挖后，框架結(jié)構(gòu)的位移總體呈減小趨勢，減小幅度中層最大，右側(cè)框架變形變化率小于左側(cè)，表明左側(cè)承受了較大的荷載。

圖9 變形云圖

表4 框架關(guān)鍵點(diǎn)變形統(tǒng)計(jì) mm

3.3.3 隧道內(nèi)力

隧道開挖后，初期支護(hù)內(nèi)力如圖10、表5所示。從圖10和表5可以看出，軸力均為壓應(yīng)力，在下臺階開挖后，軸力增加最大；最大拉壓彎矩集中于隧道左墻腰處；內(nèi)力總體值均不太大。

圖10 隧道初期支護(hù)內(nèi)力

最大軸力/kN拉力壓力最大彎矩/(kN·m)內(nèi)側(cè)外側(cè)最大剪力/kN0455.617.823.858.0

3.3.4 隧道變形

隧道開挖后，圍巖豎向位移如圖9(b)所示，其關(guān)鍵點(diǎn)的變形統(tǒng)計(jì)如表6所示。由表6可以看出，各變形值總體較小，受圍巖體側(cè)壓力的影響，左(內(nèi)側(cè))拱腳發(fā)生向上位移，右(外側(cè))拱腳發(fā)生向下位移，表明隧道有整體向外傾斜的趨勢，但幅度較??；地表沉降僅為0.68 mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表6 隧道開挖后關(guān)鍵點(diǎn)變形統(tǒng)計(jì) mm

4 結(jié)束語

1) 本文針對城市環(huán)境敏感且地質(zhì)、地形異常復(fù)雜區(qū)域隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性差、進(jìn)洞難等問題，以重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋城市陽臺進(jìn)洞段為依托，通過多方案比較，提出了具有抗滑功能且可兼做隧道結(jié)構(gòu)和城市觀光平臺結(jié)構(gòu)的剛性框架結(jié)構(gòu)方案和“樁板墻+輕質(zhì)混凝土反壓回填+明洞暗作進(jìn)洞與既有擋墻斜交進(jìn)洞”的方案，為類似地形條件下隧道進(jìn)出洞提供了借鑒。

2) 通過有限元數(shù)值模擬，對重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋南側(cè)主線隧道進(jìn)洞方案的框架結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)力、變形等指標(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：該方案結(jié)構(gòu)受力合理，能保證邊仰坡穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，地表變形控制較好；同時(shí)，該方案將抗滑樁、隧道結(jié)構(gòu)、觀光平臺結(jié)構(gòu)融為一體，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3) 根據(jù)模擬結(jié)果，隧道開挖后，框架內(nèi)側(cè)最大彎矩降低較多，隧道有整體向外傾斜的趨勢。雖外傾幅度較小，結(jié)構(gòu)受力在容許范圍內(nèi)，但施工過程中須禁止爆破，并須采用機(jī)械開挖，且還應(yīng)加強(qiáng)對框架、隧道結(jié)構(gòu)和周邊建筑的監(jiān)測，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工方案施工，確保施工安全。

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Study on Tunneling Technology in Urban Area with Sensitive Complexity

WU Mengjun1,XIAO Bo2,WU Shengzhong3

In the process of urban tunnel construction,there are landslide,shallow buried,bias and unbalanced stress in the tunnel opening due to the complicated terrain and geological conditions and the sensitive ambient factors,and it has strict requirement to settlement and deformation control,the tunneling is relatively difficult. In this paper,a rigid frame structure scheme with anti-sliding function that can be used as tunnel structure and city sightseeing platform structure,as well as a scheme of "pile-wall/lightweight backfill/hidden construction of open holes oblique with existing retaining wall tunneling",are put forward based on Chongqing Zengjiajian Jialing River Bridge's city balcony scheme. Through numerical simulation,this paper analyzes stress and deformation of structures during tunneling construction. The results show that the force on structure in the "oblique tunneling" is reasonable,it can ensure the slope stability and structural safety,good terrain deformation control.

urban tunnel; frame; environment sensitivity; tunneling

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.021

重慶市應(yīng)用開發(fā)(重點(diǎn))項(xiàng)目(csct2013yykfB30005)

2016-07-01

吳夢軍(1973-)，男，湖南省漣源市人，博士，教授級高工。

1009-6477(2016)06-0093-07

U455.4

A