隧道下穿既有城市道路的近接影響對策研究

隧道下穿既有城市道路的近接影響對策研究

Summary：隨著地鐵、綜合管廊、海綿城市等城市地下工程的建設(shè)，隧道、基坑、管線等鄰近、道路、建筑物、既有隧道、基礎(chǔ)等修建，在修建隧道時無法避免的要在構(gòu)筑物旁邊或在下方緊鄰穿過，產(chǎn)生了大量的近接施工問題。隨著隧道工程不斷增多，帶來的近接問題使得工程具有多樣性、復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性。隧道開挖使得其周邊圍巖進(jìn)行了應(yīng)力重分布，若相距較近，會與既有結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力場進(jìn)行疊加，對既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利的影響。若不采取相應(yīng)對策，將給生產(chǎn)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重危害。因此，實(shí)際工程中遇見近接問題，如何在保證隧道施工安全的同時減少其對既有工程的影響，成為了工程建設(shè)中一個熱門?；诖耍疚慕y(tǒng)計了隧道下穿既有城市道路的破壞模式，同時針對強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)、無影響區(qū)給出了對應(yīng)的對策，為以后類似工程提供參考。Keys：隧道下穿；破壞模式；對策研究；1引言隨著地鐵、綜合管廊、海綿城市等城市地下工程的建設(shè)，隧道、基坑、管線等鄰近、道路、建筑物、既有隧道、基礎(chǔ)等修建，在修建隧道時無法避免的要在構(gòu)筑物旁邊或在下方緊鄰穿過，產(chǎn)生了大量的近接施工問題。如重慶市軌道交通九號線一期工程高灘巖站如圖1所示，修建該車站周時邊現(xiàn)狀為存在大片成熟居住區(qū)，附近有西南醫(yī)院、第三軍醫(yī)大學(xué)、和覃家崗小學(xué)等，同時鄰近既有軌道交通10號線的區(qū)間和車站，向上鄰近曾家?guī)r公路隧道；武漢街道口地下通道下穿洛獅路高架橋，同時地鐵2號線和8號線在其下方通過；重慶軌道交通九號線一期工程天梨路～沙坪壩區(qū)間位于沙坪壩區(qū)，下穿成渝高鐵路塹段等等，如圖2所示，近接的案例不勝枚舉。圖1重慶軌道交通九號線近接示意圖（a）近接建筑物（b）近接高架橋（a）近接地下立交（b）近接既有鐵路圖2近接工程示意圖開挖使得其周邊圍巖進(jìn)行了應(yīng)力重分布，若相距較近，會與既有結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力場進(jìn)行疊加，對既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利的影響。若不采取相應(yīng)對策，將給生產(chǎn)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重危害。因此，實(shí)際工程中遇見近接問題，如何在保證隧道施工安全的同時減少其對既有工程的影響，成為了工程建設(shè)中一個熱門。雖然針對大量的近接工程問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者專家進(jìn)行了很多的研究，但是目前近接施工理論體系仍需要完善。缺少相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計和施工往往具有一定的盲目性和保守性，因此深入系統(tǒng)的開展隧道近接的研究是極其必要的。2隧道下穿既有城市道路的破壞模式新建隧道在近接既有城市道路施工，開挖隧道導(dǎo)致周邊土層應(yīng)力重分布，當(dāng)新建隧道和既有城市道路出現(xiàn)應(yīng)力疊加區(qū)時，新建隧道開挖對既有城市道路產(chǎn)生有一定的影響，施工不當(dāng)會導(dǎo)致周邊地層出現(xiàn)過大的變形甚至失穩(wěn)，繼而連鎖性地導(dǎo)致路基路面產(chǎn)生裂縫，甚至出現(xiàn)路面塌陷。隧道下穿對既有城市道路造成的病害的形式具有多樣性，不同的路面形式對應(yīng)的破壞形式也不盡相同。隧道下穿既有城市道路施工引起的破壞主要包括路基路面結(jié)構(gòu)性破壞和線路的功能性破壞兩種，其中結(jié)構(gòu)破壞主要是指由隧道開挖產(chǎn)生的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力或剪切應(yīng)力引起的既有城市道路路基出現(xiàn)差異沉降，導(dǎo)致既有城市道路路面出現(xiàn)裂縫，斷裂，錯位等；功能性破壞主要指既有道路線路受隧道下穿施工的影響出現(xiàn)一定的破壞，但路基路面的整體結(jié)構(gòu)并未破壞，僅無法保證既有道路車輛的正常行駛。（1）縱向裂縫破壞隧道正交下穿既有城市道路時，隨著隧道掌子面的推進(jìn)，既有城市道路橫斷面上形成了符合Peck公式沉降規(guī)律的沉降槽曲線，路基產(chǎn)生的不均勻沉降使得路堤邊緣3m~5m處產(chǎn)生縱向裂縫。這種裂縫主要發(fā)生在兩個地方，開挖完成段以及隧道的掌子面的前方。（2）橫向裂縫破壞橫向裂縫破壞主要分為基層反射裂縫和差異沉降引起的橫向裂縫基層反射裂縫由于隧道的施工引起的地表位移，使得路基結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，當(dāng)路基變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于瀝青路面材料的抗拉強(qiáng)度時，此時既有城市道路的路面產(chǎn)生裂縫，而這種由于拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫即為反射裂縫。差異沉降引起的橫向裂縫，差異沉降即為不均勻沉降是反應(yīng)道路路基的變形特征的重要指標(biāo)。隧道正交下穿既有城市道路時，導(dǎo)致同一路基結(jié)構(gòu)中，相鄰的兩個基礎(chǔ)沉降量的差值過大，就會使相應(yīng)的路基產(chǎn)生額外應(yīng)力，主要以拉應(yīng)力為主；當(dāng)超過一定限度時，此時路面將會產(chǎn)生裂縫。（3）路面沉陷或塌陷破壞隧道下穿既有城市道路施工過程中，由于開挖工法、輔助加固措施、以及支護(hù)參數(shù)的不合理，使隧道掌子面出現(xiàn)過大變形甚至拱頂土體塌方，此時對上覆土層產(chǎn)生很大擾動，甚至造成失穩(wěn)，反射到既有道路的路面造成路面沉陷、坑槽和塌陷等嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象。（4）拱起破壞當(dāng)隧道處于淺埋或者超淺埋，此時正交下穿既有城市道路，采用注漿對圍巖進(jìn)行預(yù)加固，由于施工中圍巖的注漿量再一個動態(tài)范圍內(nèi)跳動，無法準(zhǔn)確控制，當(dāng)圍巖的注漿壓力大于地應(yīng)力引起的圍巖壓力時，此時會造成隧道掌子面一定范圍內(nèi)的上覆土層隆起，當(dāng)隆起過大時造成既有城市道路路面拱起，發(fā)生拱起破壞。（5）面板的斷裂破壞當(dāng)隧道施工導(dǎo)致路基土層產(chǎn)生過量的不均勻沉降時，混凝土路面結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，路面將失去或產(chǎn)生不均勻的支撐。上部車輛載荷和混凝土自重造成道路路面彎曲，同時在其混凝土路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定的彎拉應(yīng)力。彎拉應(yīng)力隨著空洞進(jìn)一步增大和車輛數(shù)量增加，繼續(xù)增加，并且當(dāng)超過水泥混凝土材料的極限抗彎強(qiáng)度時，此時面板發(fā)生斷裂破壞。（6）錯臺破壞產(chǎn)生的主要原因隧道在近接既有城市道路施工的時候，由于差異沉降導(dǎo)致在橫向接縫處、橫向斷裂處土層出現(xiàn)豎向的相對位移。3.隧道下穿既有城市道路的對策研究進(jìn)行隧道穿越既有城市道路時，隧道的開挖產(chǎn)生的應(yīng)力重分布會破壞地層原有的應(yīng)力平衡，同時與既有城市道路的應(yīng)力場進(jìn)行疊加，產(chǎn)生應(yīng)力疊加區(qū)，對既有城市道路產(chǎn)生影響。為了減小開挖對既有城市道路的影響，在開挖隧道時需要對掌子面前方采取預(yù)加固措施，包括打超前錨桿、管棚、預(yù)注漿等。在隧道施作過程中，應(yīng)對既有城市道路進(jìn)行實(shí)時動態(tài)的監(jiān)測，通過反饋的監(jiān)測結(jié)果，采取相應(yīng)的后期加固措施。分別對隧道正交下穿和平行下穿既有城市道路的影響分區(qū)進(jìn)行了研究，均分為強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)、無影響區(qū)，基于各影響區(qū)的對策分級如表1所示表1隧道下穿既有城市道路的對策分級（1）預(yù)注漿加固超前小導(dǎo)管注漿是一種常見的超前預(yù)加固措施，，其施工方法是將直徑較小的帶孔鋼管打入待開挖隧道拱頂土體，根據(jù)不同的圍巖條件，動態(tài)選擇注漿范圍進(jìn)行注漿，從而使小導(dǎo)管與周邊圍巖形成整體共同承載。超前小導(dǎo)管注漿中的難點(diǎn)在于對注漿量以及注漿范圍、注漿部位的控制，不同的注漿量、注漿范圍、以及注漿部位對應(yīng)的力學(xué)效果是不同的。在實(shí)際工程中要合理的選擇注漿參數(shù)使得其達(dá)到既有城市道路路面沉降控制的要求，在此同時還要防止路面隆起。（1）超前管棚注漿支護(hù)超前管棚支護(hù)在隧道下穿既有城市道路時的對地層控制效果非常顯著。采用管棚注漿法進(jìn)行超前預(yù)加固時，管棚起著梁拱效應(yīng)，即管棚在隧道與周邊圍巖之間形成以一層“承載拱”，承載拱承載上覆土層的荷載，起到一個隔斷的作用，使內(nèi)部圍巖與支護(hù)系統(tǒng)與上覆土層隔斷起來，避免隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)直接承載上覆荷載，造成支護(hù)破壞產(chǎn)生過大的變形甚至塌方，此時承載拱內(nèi)部圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)僅受到凈空側(cè)產(chǎn)生的形變壓力。對管棚進(jìn)行注漿，注漿漿液經(jīng)管壁孔壓入圍巖裂隙中，使松散巖體被加固，提高了圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)，增強(qiáng)了圍巖的自承能力，達(dá)到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的。（1）應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)（主動托換）采用囊袋式注漿（主動托換）方案，其原理主要是在圍巖和初期支護(hù)之間施設(shè)一層囊袋結(jié)構(gòu)，通過向囊袋內(nèi)注漿的方式主動施加托舉力，有效控制地表的沉降?？赏ㄟ^調(diào)整注漿壓力、注漿范圍，以及注漿方式（均勻還是非均勻），能夠動態(tài)的控制地表的變形要求和隧道本身支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性要求的目標(biāo)。基于應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)的囊袋注漿示意如圖3所示。圖3基于應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)的囊袋注漿示意圖結(jié)束語隨著隧道工程不斷增多，帶來的近接問題使得工程具有多樣性、復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性。隧道開挖使得其周邊圍巖進(jìn)行了應(yīng)力重分布，若相距較近，會與既有結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力場進(jìn)行疊加，對既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利的影響。若不采取相應(yīng)對策，將給生產(chǎn)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重危害。因此，實(shí)際工程中遇見近接問題，如何在保證隧道施工安全的同時減少其對既有工程的影響，成為了工程建設(shè)中一個熱門。本文根據(jù)不同影響分區(qū)給出了不同施工對策措施，應(yīng)結(jié)合近接工程實(shí)際驗(yàn)證對策實(shí)施效果，并分析各對策的適用性、合理性。Reference洪開榮.我國隧道及地下工程近兩年的發(fā)展與展望[J].隧道建設(shè),2017,37(02):123-134.張子韻.新建隧道近接既有橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)施工的影響分區(qū)研究[D].西南交通大學(xué),2018.婁國充.鐵路隧道下穿既有路基沉降規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究[D].北京交通大學(xué),2012.關(guān)寶樹,隧道力學(xué)概論[M],西南交通大學(xué)出版社,1993.劉俊,劉新榮,賴勇,等.不同覆跨比下淺埋軟弱隧道的破壞模式[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,47(05):1744-1751.劉金龍,欒茂田,趙少飛,等.關(guān)于