輸水隧洞淺埋段下穿既有高速公路技術研究

張建博，龍云帥，李學德

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州225127）

隨著我國基礎設施建設快速發展，越來越多的隧洞工程必須穿越既有高速公路。對于淺埋地層且下穿既有高速公路的輸水隧道，必須同時解決既有高速交通暢通、運行安全問題和確保工程下穿高速段的施工安全兩大難點。本文依托工程實例進行了路基下穿施工方案比選、相關施工技術要點說明及結構計算驗證，提出輸水隧洞淺埋段下穿既有高速公路技術方案，為工程的順利完成提供了有效的指導。

1 工程概況

工程輸水隧洞凈斷面為3.00 m×3.50 m（寬×高），頂拱中心角134.76°、半徑1.63 m，直墻高2.50 m。隧洞中間淺埋段與蘭海高速公路接近90°交叉下穿，交叉段高速公路路面寬約24.10 m，隧洞與高速兩側坡腳相交長度約39.10 m，洞頂開挖面距路面約9.50 m。

2 工程地質條件

隧洞交叉高速段穿過南白向斜，且垂直于向斜軸線，向斜核部地層主要是三疊系松子坎組（T2s），核部軸向為N40°～45°E，西北翼巖層產狀為N20°～40°E/SE∠40°～60°，東南翼巖層產狀為N35°～60°E/NW∠40°～60°，兩翼地層主要為松子坎組（T2s）泥灰巖、灰巖、泥質白云巖、頁巖。

該段布ZK6和ZK7共2個鉆孔，分別位于高速公路兩側，根據鉆孔揭露，高速公路段地表覆蓋層深2.50～5.20 m。樁號PW0+687.50～0+716.00 m段隧洞埋深10.00～11.00 m，地下水位位于洞頂以上0.00～2.00 m，地下水活動輕微，圍巖為T2s中厚～厚層強風化白云巖、泥灰巖，圍巖為V類。樁號PW0+716.00～0+726.6.00 m段，圍巖為T2s中厚～厚層白云巖、泥灰巖，軸線與巖層走向夾角為88°，巖層傾角40°～71°，巖體為弱風化巖體，圍巖為Ⅳ類，圍巖局部穩定性差。

3 下穿高速段方案比選

根據該段隧洞地質情況及相關工程經驗，可采用的施工方法有暗挖法、明挖法。其中暗挖法包括微型盾構機掘進法[1]、頂管施工法[2]、懸臂掘進機掘進法[3,4]等。微型盾構機設備成本昂貴，現場組裝機施工工序復雜，適宜長距離隧洞開挖；頂管施工法常用于市政施工的非開挖掘進式管道鋪設施工，但頂管法需要垂直地面做工作井、接收井，施工工期長，工程造價高。而該工程隧洞穿蘭海高速段長約39.10 m，交叉長度短，項目工期要求緊，不宜采用微型盾構機掘進法和頂管施工法。根據工程實際，對懸臂掘進機暗挖方案及明挖改線便道方案進行比選。

3.1 暗挖方案

暗挖方案采用“超前支護、懸臂掘進機短進尺掘進、及時跟進強支護”的方法。具體：開挖前局部地面注漿，洞內超前小導管注漿[5]，懸臂掘進機短進尺開挖（輔以8 t自卸汽車出渣），分幅保通施工。首先開挖前對樁號PW0+595.00～0+696.90 m段進行地面注漿固結。對樁號PW0+595.00～0+726.60 m段開挖前進行超前支護措施，洞內采用3.00 m一排的超前小導管（4.50 m長）進行超前注漿固結。對樁號PW0+595.00～0+726.60 m進行懸臂掘進機開挖，預計日進尺2.00 m（包含一期支護）。其中下穿高速段（樁號PW0+687.50～0+726.60 m）分兩期進行開挖，即首先完成高速公路左半幅（樁號PW0+687.50～0+708.70 m）的開挖、支護、襯砌，再完成右半幅（樁號PW0+708.70～0+726.60 m）的開挖、支護、襯砌。

3.2 明挖方案

首先對樁號PW0+595.00～0+684.90 m進行明挖，對該段進行箱涵澆筑，在箱涵混凝土達到設計強度后進行分層回填。根據工程實際情況，明挖方案利用高速左半幅一側在建道路擴建為改線便道，改線便道按照一級道路標準設計。在改線便道起始點分別設置警示區、漸變區等，臨時引導車輛從改線便道通行，保證高速運行通暢，對下穿高速段（樁號PW0+684.90～0+726.60 m）進行明挖澆筑暗涵施工，完成后恢復原有高速公路路面和交通。

3.3 方案比選

根據工程工期緊、斷面小的特點，穿高速段排水隧洞可采用明挖回填或隧洞暗挖穿越兩種方案，兩方案具體對比如表1。

表1 兩方案綜合比較表

綜合分析比較表明，兩種方案在技術方面相當，而暗挖方案施工條件、施工工期等方面均略優于明挖方案，且暗挖方案投資最省，故推薦采用暗挖方案下穿蘭海高速。

4 施工技術要點及結構計算

4.1 下穿高速公路段小導管施工

超前小導管施工工藝流程見圖1所示：

圖1 洞內小導管施工工藝流程示意圖

超前小導管施工的主要參數及要點：為了便于安裝鋼管，鉆頭直徑采用φ110 mm；導管為熱軋無縫鋼管，四周鉆設孔徑10 mm注漿孔，孔間距15 cm，呈梅花型布置，尾部留不小于100 cm不鉆孔的止漿段。管頭焊成圓錐形，便于入孔。超前小導管采用熱軋無縫鋼管加工制成，導管長4.50 m，前端加工成錐形，尾部焊接φ6 mm鋼筋箍加勁，施工時，鋼管沿隧道開挖外輪廓線周邊以15°的外插角打入巖層中，小導管環向間距為40 cm。接長鋼管應滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應前后錯開。頂進時，采用6.00 m和3.00 m節長的管節交替使用，同一橫斷面內的接頭數不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯開1.00 m。

4.2 懸臂掘進機開挖

目前常見的懸臂式掘進機主要由行走機構、切割機構、裝載機構、運輸機構及操作控制系統組成。懸臂式掘進機進行開挖作業優勢主要體現在以下幾個方面：

1）根據相關工程實際調研，懸臂式掘進機在Ⅳ，Ⅴ類圍巖日均進尺3.00～4.00 m，在Ⅱ類圍巖日均進尺約2.00 m，掘進進度比傳統采用炮機（非爆破開挖）、挖機組合開挖的施工進度大幅度加快。

2）作業影響小，其安全性好、噪音小。掘進不會產生爆破沖擊，對圍巖的損傷小，崩塌的危險極小，大大提高了工作面安全性，降低了高速路因爆破振動而產生影響。

3）具有連續開挖、無爆破震動、能更自由地決定支護巖石的時機，具有施工準備時間短和再利用性高等顯著特點。

4.3 高速路面監測方案

監測方案采用沉降觀測的方式進行，即根據在高速公路上設置的觀測點與固定觀測點（永久性水準點）進行觀測。觀測點采取埋設水準標志形式，設置為沿洞軸線布置4排（每排3個，間距為8.00 m）。為盡量減少對后期路面破壞和保障通車安全，觀測點設在高速公路的路邊和綠化帶兩邊位置，沉降觀測點應有良好的通視條件。

測量精度宜采用Ⅱ級水準測量，視線長度宜為20.00～30.00 m，視線高度不宜低于0.30 m。同一觀察點的2次觀測差不得大于1 mm，水準測量應采用閉合法進行。施工期內進行的沉降觀測，每天不得少于2次。高速公路段范圍內，完成施工后的每周仍需2次觀測，直至下沉穩定（由沉降與時間的關系曲線判定）。

4.4 施工期高速保通措施

工程隧洞與蘭海高速交叉段高速公路路面總寬約24.10 m（包括中央隔離帶），左右半幅路面為11.30 m，采用半幅施工，采取半幅雙向通車措施后，單車道可達5.00 m寬。

具體實施措施：施工期間以中央分隔帶為線，首先施工左半幅，車輛改為右半幅雙向通行；完成左半幅隧洞襯砌施工后，車輛改為左半幅雙向通行，施工右半幅。在高速路工程施工區設置：警示區→上游過渡區→緩沖區→工程影響區→下游過渡區→終止區。

4.5 結構計算分析

采用ANSYS有限元計算軟件對下穿高速段隧洞結構進行二維彈塑性復核驗算。模擬開挖的方法采用剛度折減法。

1）分析假定及原理

不考慮滲流場對應力場的影響，進行彈性二維有限元計算。由于無實測地應力資料，假設豎向地應力為γH，側壓力系數取為泊松比，取μ=0.25），通過地應力平衡獲得初始地應力場。地下洞室開挖后，應力釋放至40%，未考慮支護措施。

2）地質力學參數

巖體物理力學參數根據隧洞區巖土體物理力學試驗成果、原位試驗成果，并參照相關規范取值。

3）有限元模型及網格

取隧洞斷面作為平面計算模型。豎直向上為Y軸，水平向為X軸，原點位于模型的左下角。模型計算兩側及底部巖石均取4倍隧洞跨度，頂部取山體地形。上、下游方向約束其法向（X方向）位移，底部約束其Y方向位移。模型施加重力荷載。

4.6 計算結果及結論

1）初始應力

豎向及水平向地應力隨深度增加而增大，豎向應力基本與自重應力相當，水平應力約為豎向應力的0.26倍。

2）開挖后洞室應力

開挖結束后，在隧洞底部及隧洞頂部強風化與弱風化分界出現小范圍的拉應力區，拉應力最大值為0.9 MPa，且深度較淺，通過采用常規錨噴支護可處理。隧洞頂部巖石主要為壓應力，其余范圍拉應力均很小，不超過巖石的粘結力，可認為開挖后圍巖穩定。此外，隧洞開挖后豎向最大變形為6 mm，變形均較小。

3）完建后洞室應力及位移

建完后，洞室頂部高速公路恢復通車工況，將車道荷載施加于模型頂部，經計算可知，隧洞和圍巖的應力及變形規律與開挖結束后規律相似，量值有一定增加，但增加有限。在隧洞底部及隧洞頂部強風化與弱風化分界出現小范圍的拉應力區，拉應力最大值為1.16 MPa，且深度較淺。隧洞頂部巖石主要為壓應力，其余范圍拉應力均很小，不超過巖石的粘結力，認為建完后圍巖穩定。此外，隧洞開挖后豎向最大變形為7 mm，變形均較小。

5結語

經過施工條件、工程投資、工期等綜合分析比較，工程推薦選用懸臂掘進機暗挖掘進法下穿既有高速；施工期間應加強道路路面檢測及道路交通實時疏導，保證既有高速運行暢通。穿越高速段隧洞施工時采用半幅施工，半幅雙向通車措施疏解交通；通過簡化結構計算，驗證了采用暗挖下穿既有高速的方案安全、可行。