王宏宇

（陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著市政排水管網(wǎng)設(shè)施不斷完善，引水工程難免存在下穿運(yùn)營(yíng)高速公路的案例[1-3]。為了不中斷交通，有效控制地面沉降和減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，管幕法成為未來非開挖超前支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。

管幕法以頂管技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來[4，5]，管幕常采用微型頂管手段頂進(jìn)鋼管，管幕鋼管之間采用公母鎖扣組合成整體，鎖扣連接處進(jìn)行注漿加固，提高周圍土體的物理力學(xué)參數(shù)，在管幕鋼管內(nèi)注入混凝土或者水泥砂漿提高鋼管的整體剛度，在土體中形成堅(jiān)固的超前支護(hù)外殼體，抵抗土壓力和上部附加荷載，并能抵御地下水的侵入，在整體性較好的管排中進(jìn)行隧道開挖。

鑒于管幕結(jié)構(gòu)法可根據(jù)主體結(jié)構(gòu)斷面形式靈活排列鋼管，且具有高剛度、沉降控制和止水效果好、周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，管幕法在沉降控制要求嚴(yán)格的下穿工程中得到了廣泛應(yīng)用并取得了良好的預(yù)期效果[6-9]。但對(duì)管幕隧道法引水工程在下穿高速公路段工程案例甚少，本文依托西安某以下穿高速公路的引水工程為工程背景開展管幕隧道法相關(guān)研究。

本項(xiàng)目引水工程下穿的某重要高速公路路基段，該路段車流量大，重車較多，不允許導(dǎo)改交通及明挖施工，路面沉降要求十分嚴(yán)格，并不影響高速公路正常運(yùn)營(yíng)。鑒于以上工程特點(diǎn)和要求，本工程采用管幕隧道法下穿既有運(yùn)營(yíng)高速公路。本文從設(shè)計(jì)方案，管幕施工方案，并結(jié)合數(shù)值模擬分析對(duì)管幕法隧道法在引水工程下穿高速公路的應(yīng)用進(jìn)行闡述，為類似下穿工程提供一定的工程借鑒。

1 工程概況

本項(xiàng)目現(xiàn)狀高速公路路基寬度為28 m，遠(yuǎn)期拓寬后為42 m?，F(xiàn)有道路路基高出兩側(cè)地面約3 m，路基寬度約40 m。隧道距離高速公路路面約為6 m，輸水管道設(shè)計(jì)線位與西漢高速路線角度約為86.3°，管道中心距西漢高速道路路面高度約為8.5 m，見圖1和圖2。輸水管道設(shè)計(jì)采用DN1800PCCP 管穿越，管幕隧道暗挖段地質(zhì)主要為黃土。

圖1 下穿段管幕隧道平面圖（單位：m）

圖2 下穿段管幕隧道縱斷面圖（單位：m）

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 隧道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

引水工程隧道內(nèi)輪廓凈寬4 m，凈高3.2 m，采用半圓加直墻形式斷面。管幕隧道二襯采用35 cm 厚C40 鋼筋混凝土二襯。沿隧道二襯外側(cè)設(shè)置一圈壁厚12 mm 的φ299 管幕鋼管。管幕與二襯之間采用噴涂式的硬泡聚氨酯防水層，其厚度不小于5 cm。DN1800 輸水鋼管設(shè)置于C30 素混凝土基座上。輸水管道靠近通道一側(cè)，另一側(cè)空間考慮用作日后檢修，管幕法隧道結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 管幕隧道結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：cm）

2.2 管幕設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目采用小口徑鎖扣管幕作為隧道超前支護(hù)，目前小口徑鎖扣管幕種類大多為180 mm、245 mm、299 mm、402 mm。若選取較大直徑管幕，其剛度越大，螺旋出土效率高，但當(dāng)管幕埋深較淺時(shí)，大直徑管幕施工擾動(dòng)也就越大，綜合考慮，本項(xiàng)目采用直徑為299 mm 的管幕進(jìn)行超前支護(hù)加固，鋼管壁厚為12 mm。為了保證暗挖進(jìn)洞時(shí)土體穩(wěn)定性，為管幕起始段提供支撐點(diǎn)，本項(xiàng)目設(shè)置50 cm 厚鋼筋混凝土套拱，管幕置于套拱上，為管幕起點(diǎn)提供了支撐點(diǎn)，減少了初始段開挖管幕沉降，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目管幕法隧道外側(cè)設(shè)置48 根鋼管，隧道側(cè)墻和拱頂處35 根管幕長(zhǎng)為57 m（套拱處搭接2 m）。為封閉地下水，仰拱底板處設(shè)置13 根55 m 長(zhǎng)的鋼管。

為了增加管幕的剛度，管幕頂進(jìn)完成之后，采用C30 無收縮免振搗混凝土進(jìn)行填充，并對(duì)管間鎖口進(jìn)行充填注漿，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定注漿壓力和配合比。管幕鋼管外側(cè)分別焊接兩根φ42×4 注漿導(dǎo)管，待管幕貫通后進(jìn)行注漿填充。

管幕鋼管環(huán)向之間采用“公-母鎖口”方式連接。鎖口規(guī)格為6.3/4 不等邊角鋼（厚6 mm），與鋼管之間采用雙面焊接進(jìn)行連接。鋼管沿隧道初期支護(hù)外側(cè)等距布置，為保證長(zhǎng)距離管幕施工精度，管幕鋼管距離防水層預(yù)留10 cm，作為施工誤差及變形量。管幕鋼管中心間距為35 cm，管幕鋼管的鎖口角度根據(jù)斷面形式進(jìn)行設(shè)置，管幕鎖扣見圖4。

圖4 管幕鎖扣示意圖

3 管幕施工方案

本項(xiàng)目結(jié)合圍巖地層（黃土）采用螺旋出土頂進(jìn)，螺旋出土鋼管頂進(jìn)工藝多采用鋼管吃土靜壓頂進(jìn)，減少了地層擾動(dòng)，土體切削、鋼管頂進(jìn)、排渣同步進(jìn)行避免地層變形，有效控制沉降。為保證管幕鋼管頂進(jìn)軌跡更加趨于可控，本項(xiàng)目采用以排管為施工頂進(jìn)單元，同時(shí)頂進(jìn)整體性較好的排管。相鄰管幕鋼管之間通過鎖扣連接，每組鋼管的數(shù)量不少于2 根。同時(shí)結(jié)合已完成孔位對(duì)施工排管的固位作用，很大程度上限制了施工中排管的偏轉(zhuǎn)和偏移，提高了管幕施打精度。調(diào)整鋼管或管排頂進(jìn)速度及螺旋鉆桿的旋轉(zhuǎn)速度（控制出土量），使土體的應(yīng)力變化基本維持在平穩(wěn)狀態(tài)，從而有效避免地層變形。管幕排列編號(hào)見圖5。

圖5 管幕鋼管編號(hào)示意圖

管幕施工流程為：施工管幕始發(fā)、接收工作坑和后背墻→管幕頂進(jìn)設(shè)備導(dǎo)軌平臺(tái)安裝就位→將外圈管幕進(jìn)行規(guī)律編號(hào)1～48 號(hào)→頂進(jìn)1 號(hào)鋼管作為定位首根管幕鋼管，頂進(jìn)到設(shè)計(jì)位置處管內(nèi)立即注C30無收縮免振搗混凝土→根據(jù)編號(hào)順序，頂進(jìn)2～3號(hào)、4～5 號(hào)對(duì)稱鋼管，依次類推，兩根組管形成排管頂進(jìn)，直至將12 號(hào)和15 號(hào)頂進(jìn)就位（含管內(nèi)注漿），頂進(jìn)和管內(nèi)注漿完畢后，立即對(duì)管幕鎖扣和管幕上φ42×4 鋼花管進(jìn)行注漿以加固隧道周圍土層，隧道地板管幕施工完畢→管幕套拱施工→頂進(jìn)16 號(hào)鋼管作為拱部和邊墻管幕定位鋼管，頂進(jìn)到設(shè)計(jì)位置處管內(nèi)立即注C30 無收縮免振搗混凝土→按照剩余管幕編號(hào)依次頂進(jìn)17～18、19～20 等鋼管，同樣采用兩根組管形成排管頂進(jìn)，管內(nèi)注漿→管幕鎖扣和管幕上φ42×4 鋼花管注漿加固周圍土層，此時(shí)管幕封閉成環(huán)。管幕施工中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)鉆機(jī)及鋼管或管排軸線調(diào)整，及頂進(jìn)軌跡監(jiān)測(cè)，同時(shí)管幕頂進(jìn)過程中做好高速公路地面沉降觀測(cè)和周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)，管幕施工見圖6。

圖6 管幕施工圖

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元模型

本項(xiàng)目采用MIDAS/GTS NX 進(jìn)行地層-結(jié)構(gòu)模型模擬計(jì)算。根據(jù)圣維南原理，隧道下穿高速的主要影響范圍為隧道跨度的3～5 倍直徑。隧道跨度約為4.0 m，本次模型計(jì)算邊界沿隧道橫向方向取30 m寬，隧道縱向方向取55 m寬，深度方向取35 m，見圖7。

圖7 整體分析模型

本次模擬計(jì)算土體單元采用莫爾—庫倫（M-C）彈塑性本構(gòu)模型，采用MIDAS/GTS NX 內(nèi)置混合網(wǎng)格生成器生成單元；襯砌采用板單元進(jìn)行模擬，管幕地層預(yù)支護(hù)措施，采用提高強(qiáng)度等效土層參數(shù)來模擬影響加固圈[10]。高速路基段施加20 kPa，模擬路基段行車荷載。模型四周添加水平位移約束，底部固定約束。

其施工流程重點(diǎn)考慮內(nèi)容：

（1）隧道施工過程中，高速公路正常通行，為保證其安全，二次襯砌須緊跟開挖施工；

（2）為計(jì)算安全保守考慮同時(shí)兼顧施工工序，隧道先開挖15 m，隨后二次襯砌緊跟；

（3）為模擬管幕支護(hù)效果，采用提高土體強(qiáng)度進(jìn)行模擬管幕土層加固圈；

（4）對(duì)于路基材料模擬，參綜合考慮面層，基層和路床材料，采用等效M-C 模型實(shí)體材料模擬。

4.2 參數(shù)取值

結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見表1 和表2。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)施工方案制定模擬步驟：地層初始地應(yīng)力模擬→高速公路路基施工及通車→位移清零→管幕施工→隧道開挖→隧道襯砌施工→隧道貫通。

4.3 計(jì)算結(jié)果

為了得出路基段及附近的路面沉降，提前在模型中設(shè)定監(jiān)視點(diǎn)，如圖8 中的A-G點(diǎn)，便于提取或示意各點(diǎn)處的沉降。

圖8 路基沉降計(jì)算監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)

根據(jù)圖9 的模擬結(jié)果可知，路基坡腳處最大沉降值約為4.7 mm，管幕終點(diǎn)處沉降值約為4.0 mm，路面邊最大沉降值約為5.3 mm，路面中間點(diǎn)沉降值約為4.3 mm，均小于1 cm，從分布位置可以看出，在路基段路肩部分沉降較大，這是由于路肩和路基邊坡處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道開挖后，引起應(yīng)力重分布，擾動(dòng)程度較其他位置大，沉降值相應(yīng)較大。

圖9 路基各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處沉降值—Uz（單位：m）

5 結(jié)論

本文從設(shè)計(jì)方案、管幕施工要點(diǎn)和數(shù)值模擬分析可得出結(jié)論：

（1）管幕結(jié)構(gòu)法具有地層擾動(dòng)小、精度控制好、剛度大、封閉地下水，能夠有效控制地面沉降，不影響既有交通。

（2）本文介紹的管幕隧道法引水工程下穿高速公路設(shè)計(jì)方案，為類似下穿工程提供工程借鑒。

（3）管幕施工要重點(diǎn)施工好首根定位管幕鋼管，隨后采用排管頂進(jìn)，保證排管頂進(jìn)整體性和施打精度。

（4）模擬結(jié)果顯示，最大沉降為5.3 mm，小于1 cm，管幕法作為下穿高速公路路基段的超前支護(hù)形式，可有效控制高速公路沉降，對(duì)運(yùn)營(yíng)高速公路影響較小。管幕在高速公路路肩處沉降值較大，施工中在路肩處較其他位置應(yīng)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)此段路基段的沉降觀測(cè)。

管幕超前支護(hù)形式能夠有效控制地表沉降，封閉地下水，可為下穿工程提供工程借鑒。