下穿既有城市快速路超浅埋软弱围岩洞口段隧道实施方案研究

下穿既有城市快速路超浅埋软弱围岩洞口段隧道实施方案研究

唐沅

重庆市设计院有限公司 重庆 400000

摘要：本文以实际工程项目（H3路北延伸段道路及配套工程）为研究背景，利用 MIDAS GTS NX数值分析软件，建立仿真分析模型，对下穿既有城市快速路超浅埋软弱围岩洞口段隧道不同开挖工法作用下围岩、道路的变形和应力特征进行对比分析；对浅埋小净距隧道不同的支护参数进行数值模拟，获取支护结构所产生的力学特点，综合对比分析，提出可行性支护方案。为设计优化提供相应的依据，对类似工程项目设计及施工具有一定的参考意义。

关键词：超浅埋小净距隧道，下穿城市快速路，支护方案

前言

随着经济发展，建设城市隧道，提高市区整体的运行能力已是必然趋势。但由于城市环境比较复杂，隧道施工过程中对既有路基产生扰动是不可避免的，从而引起既有路基变形，尤其对于超浅埋隧道工程，在隧道洞口段地质条件往往很差，上覆地层厚度较小，若其沉降值或附加应力超过了最大承受值，则会对既有交通路基造成伤害或者加重现存在的伤害，影响既有交通路基的正常使用甚至造成安全问题。因此，如何确保在下穿施工过程中保证既有交通的运行安全，尽可能降低施工风险，是地下工程学界亟需解决的难题。

一、工程概述

H3路北延伸段道路及配套工程，该道路为城市次干路，设计车速50km/h，标准路幅宽度为21m；道路以桥隧为主，其中K0+308～K2+157为隧道部分，隧道左洞长约1720.786m、右洞长约1771.590m；单幅隧道的路幅分配为：9m=0.75m（检修道）+7.5m（车行道）+0.75m（检修道），工程重要性等级一级；道路最小平曲线半径255m，最大纵坡4%，隧道段最大纵坡4%。工程重要性等级一级。

本次研究范围为隧道洞口段即K0+308～K0+380段，该段为超浅埋小净距隧道，根据地勘资料，隧道置于土层中，该段围岩等级为VI级，根据设计资料，该段隧道隧洞开挖断面尺寸为12.22x9.76m，隧道埋深为8~10m，下穿现状城市快速路金山大道。

隧道洞口段下穿既有城市快速路，车流量较大，隧道施工必须严格控制道路的沉降，确保行车安全。保持道路畅通。
二、超浅埋隧道下穿既有路基条件下的施工工法研究

本节结合超浅埋暗挖隧道下穿既有道路路基的情况，综合地层条件和周围环境复杂程度，研究隧道不同施工工法（全断面，台阶、CD、双侧壁导坑法）作用下对既有路基的影响程度。分析不同工法所产生的位移应力趋势。综合经济，施工进度，施工难度等因素，得出最优施工工法。

（1）地层结构法数值模型建立

（2）隧道围岩位移计算结果

图2-5隧道开挖水平位移图（TX）图2-6隧道开挖竖向位移图（TY）

由图2-5、6可以看出，隧道开挖支护后，围岩在拱腰处发生最大水平收敛，拱顶和仰拱位置发生最大竖向收敛，且拱脚有隆起现象。

根据计算结果，对各开挖工法作用下围岩拱顶沉降及水平位移进行统计。结果如下：

图2-7围岩竖向位移统计结果       图2-8围岩水平位移统计结果

综上分析数据可得：

1）从图 2-7、8 可知：在四种不同开挖工法中，全断面法、台阶法施工，围岩位移最大，位移大于30mm，而CD法与双侧壁导坑法产生的拱顶沉降值较小，且相差不大，位移值小于30mm，说明采用CD法与双侧壁导坑法均能保证隧道结构的稳定性。

（3）路基位移计算结果

图2-9路基位移云图图                   2-10路基沉降位移统计结果

由图2-9可以看出，隧道开挖支护后，隧道上方的路基发生一定的沉降位移，且在隧道正上方位移值最大。

根据计算结果，对各开挖工法作用下路基沉降位移进行统计。结果如下：

从图 2-10 可知：在四种不同开挖工法中，全断面法、台阶法施工，路基位移均大于30mm，对路基结构安全影响较大，而CD法与双侧壁导坑法所产生的路基位移均小于30mm，对路基结构安全影响较小，因此采用上CD法，双侧壁导坑法均可以有效控制道路的沉降，确保行车安全。保持道路畅通。但考虑经济以及施工进度等因素，采用CD法显然更为有效。

三、超浅埋隧道下穿既有路基条件下的支护参数研究

二次衬砌作为隧道的主要承重结构，二次衬砌设计得是否合理不仅关系到隧道施工期的安全，并且对隧道以后的通车运营养护有着较大影响。本节基于本项目围岩条件，分析不同二次衬砌的厚度（45、50、55、60cm）对隧道的安全影响。获取支护结构所产生的力学特点，以期对类似隧道提供参考.

根据《公路隧道设计规范》，对于VI 级围岩，二衬采用钢筋混凝土结构, .其承担80%的松散压力，选取一个具有代表性断面，运用荷载结构法,对不同二次衬砌厚度安全性评价。

（1）荷载结构法数值模型建立

根据规范，围岩弹性抗力系数取值

80Mpa/m。采用MIDAS/GTS软件进行分析计算，在软件分析求解中采用梁单元模拟衬砌结构，以只受压的弹簧来模拟衬砌的地基边界。

（2）内力计算结果

图3-1轴力结果                            图3-2弯矩计算结果

由图3-1、2可以看出，隧道开挖支护后，二衬结构最大轴力和弯矩均发生在拱顶位置，根据计算结果，对不同厚度衬砌的作用下二衬结构受到的轴力，弯矩进行统计。计算得出各轴力弯矩下结构的安全系数结果如下：

VI级围岩配筋：上缘：Φ25@100mm；下缘：Φ25@100mm；取控制关键点作为计算结果，可得出下表：

计算结果

图3-3不同二衬支护厚度安全系数计算结果

综上分析数据可得：

从图 3-3 可知：在四种不同衬砌厚度作用下，二衬厚45cm计算安全系数小于规范要求2.4，因此衬砌结构不能满足承载要求。

二衬厚50cm，55cm，60cm计算安全系数大于规范要求2.4，衬砌结构能满足承载要求。综合结构安全以及经济等因素，二衬厚采用55cm显然更为有效。

四、结论

（1）本文结合实际工程项目，利用 MIDAS GTS NX数值分析软件，建立仿真分析模型，对比分析不同开挖工法作用下围岩、道路路基的变形特征。从而结合经济以及施工进度等因素，提出了隧道施工可行性开挖方案。确保施工安全且经济可行。
（2）对浅埋小净距隧道不同的支护参数进行数值模拟，获取支护结构所产生的力学特点，综合结构安全以及经济等因素，提出可行性支护方案。
参考文献

[1]傅立磊.超浅埋软岩大断面隧道下穿既有交通路基变形控制技术研究.2019.

[2]蒋树屏. JTG 3370.1--2018 公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[3]杨家松.大断面软岩隧道变形控制技术研究.岩石力学与工程学报，2015，第4期：2096-4498．