摘　要　本文通过对覆土只有1.3~3.5m，地层为饱和、稍松、冲积砂层的车陂路暗挖隧道的结构设计，探讨在隧道埋深很浅，地层为饱水砂层时，如何进行支护设计，控制地表沉降及保证施工安全，并采用地层结构法及弹塑性理论对结构进行动态模拟分析，判断洞室稳定，确定合理的施工方法及施工步骤。
关键词　暗挖法长管棚塑性变形地面沉降模喷混凝土

　　一、工程概况
　　车陂路是位于广州市东郊的一条南北走向的城市快速路，其规划宽度为60m，它穿越中山大道、广园路、东环高速公路、大观路等，到达广东省奥林匹克体育中心。该工程起点与广园路~车陂路立交的车陂路口相接，中间走隧道下穿东环高速公路和大观路，其中隧道在下穿东环高速公路时，采用暗挖法施工，其余地段采用明挖法施工。暗挖隧道线路全部处于4.512%的下坡段。暗挖隧道覆土厚度为1.3m~3.5m 左右，长60m。

　　二、工程地质及水文地质
　　隧道处于广州市天河区东圃镇，地貌属冲积平原，地面高程一般为12m 左右。土层从上往下依次为：人工填土层（Q^ml）、冲积土层（Q^al）、残积层（Q^el）及白垩系上统三水组下段（K₂S¹）等，其中暗挖隧道洞身全部处于饱和、稍松的冲积砂层中。
　　地下水主要为人工填土层及冲积砂层中的孔隙水，呈层状分布，属孔隙型潜水，微承压。地下水主要受大气降水及地表径流的补给。地下水位位于地面下0.5m 处。

　　三、断面拟定
　　由于受线路路面高程、坡度及上部东环高速公路的限制，隧道拱部只能做成矢跨比为1/9.5 的平拱结构，并且为了保证暗挖隧道与外部明挖隧道的顺接，故边墙采用直边墙，底部采用平板结构，而不设仰拱。
　　隧道单洞净宽9.25m，净高6.006m，其中行车道宽2×3.75m，两侧路缘带宽0.25m，并留0.25m的防撞墙及1m 的检修道，隧道采用双跨连拱结构（图1）。

图1　　衬砌断面示意图

　　四、支护设计
　　4.1　超前支护设计
　　暗挖隧道下穿东环高速公路时，隧道顶覆土为1.3~3.5m 左右，并且上部东环高速公路车流量大，车流荷载较大，且分布不均匀,并且洞身全部处于饱和、稍松的冲积砂层中，地下水位很高，施工中可能会引起流砂或引起东环高速公路路面的沉陷而中断行车，或施工中导致掌子面坍塌失稳，为了保证施工安全，超前支护由长管棚、周边超前小导管注浆及掌子面深孔注浆组成的预加固体系。
　　超前长管棚采用φ108 热轧无缝钢管，壁厚3.5mm，管棚长33m，环向间距40cm，外插角1°，管棚内注水泥浆。管棚采用分段安装，每段长4m，两段之间用丝扣连接，钢管上设注浆孔，孔径φ10mm，孔间距为30cm，呈梅花形布置。
　　隧道周边采用φ42 超前小导管，壁厚3.5mm，长4m，双排交错布置，并与长管棚组成长短结合的联合支护体系。并且为了使公路不隆起，地层获得均匀的加固，预注浆采用双排管复合灌注法，即第一次压注水泥砂浆，其主要填充土体中较大的孔隙，使注浆管周围形成一圈加固体；二次压注MC 超细水泥与水玻璃浆液，使其充填剩余孔隙，并且在隧道拱部周围形成均匀的固结体。注浆压力控制在0.6~1.5Mpa，外插角10°左右，水泥浆浓度为1.25：1~0.8：1，浆液初凝1~2 分钟。
　　掌子面采用φ42 超前小导管注浆堵水，小导管壁厚3.5mm，小导管长9m，注浆压力控制在1~2Mpa，水泥浆浓度为1.25：1~0.8：1，水泥浆与水玻璃体积比为1：1~1：0.6，浆液初凝1~2 分钟。
　　4.2　模喷混凝土支护
　　由于隧道顶部覆土很薄，车流荷载较大，隧道结构跨度大，而且矢高比很小，开挖后采取的支护形式应该具有足够的强度、刚度，并应及早形成封闭结构，以及时抵抗外部荷载，故设计中一次支护应为隧道主要的承载结构。一次支护采用普通喷混凝土工艺时，喷混凝土厚度不能很厚，支护结构难以立即形成较强的支护形式；采用模筑混凝土时，其灌注混凝土后，强度发展较慢、拆模时间长，而影响工期。故为了增加喷射混凝土厚度，缩短施工工期，并且在开挖后采取的支护形式具有足够的刚度及强度，可变对侧墙的垂直仰喷工艺为立模以后对墙体的侧喷工艺，这样可增加喷混凝土厚度、提高支护结构的刚度及强度，并且缩短了支护结构封闭成环的周期。
　　模喷混凝土采用C20 早强混凝土，厚45cm，为增加混凝土抗裂性能，全断面设φ8×φ8 的钢筋网，并设2 榀/m 格栅钢架。

　　五、施工方法
　　在开挖暗挖隧道之前，预先沿拱部布设大管棚，使之形成与隧道一致的防护顶盖，这样在施工中一边把钢管用做隧道支护，一边开挖，从而抑制因隧道开挖而引起的围岩松弛和地表下沉，并对隧道周边及掌子面进行注浆加固，然后开挖中间小导洞，并施工中墙，再采用侧壁导坑法施工隧道边墙，最后施工中间土体，并使初支封闭，根据施工工序安排施工二次衬砌时机。开挖步骤详见图2所示。

图2　　施工工序图

　　①开挖中洞上台阶并施工临时支护；②开挖中洞中间台阶，施工支护及临时支护③开挖中洞下台阶并施工临时支护；④左侧断面侧壁导坑上台阶开挖，施工支护及临时支护⑤左侧断面侧壁导坑中间台阶开挖，施工支护及临时支护⑥左侧断面侧壁导坑下台阶开挖，施工支护及临时支护；⑦左侧断面中间部分土体上台阶开挖，施工支护及临时支护；⑧左侧断面中间土体中台阶开挖，施工支护及临时支护；⑨左侧断面中间土体下台阶开挖，施工支护及临时支护；（5）根据左侧断面施工工序施工右侧断面；⑹拆除临时支护，并施工内衬混凝土。

　　六、结构分析
　　结构分析采用地层结构模式及弹塑性理论，并且按照施工工序动态模拟结构的受力及变形特点。隧道开挖、施做支护各阶段的荷载释放，由各围岩的地层参数及施工方法动态模拟确定。支护中大管棚、超前小导管等的作用，分析中采用提高一定范围岩体的地层参数进行模拟计算。屈服准则采用Mobr-Coulmb 准则。计算范围为洞径的2.5 倍。由于计算步骤太多，本文只给出了第一、七及最后的计算结果应力色谱图。

　　　　σ1(第一次开挖后大主应力图) 　　　　　　　　　　　σ2(第一次开挖后大主应力图)

　　　σ1(第七步开挖后大主应力图) 　　　　　　　　　　σ2(第七步开挖后大主应力图)

　　　σ1(最后一步开挖后大主应力图) 　　　　　　　　　σ2(最后一步开挖后大主应力图)
　　从以上分析结果可以看出,在第一步开挖完成后,岩体在拱脚地区出现一定的塑性变形，但面积很小，拱脚水平位移为20mm 左右，地面沉降为5mm 左右；在第七步开挖完后，断面拱部及拱脚部位出现一定塑性变形，但岩体基本处于稳定状态，地面沉降25mm 左右；在隧道全部开挖完后，在隧道拱部及边墙部位出现较大的塑性变形，但支护及时封闭后，塑性变形迅速减小，地面沉降为31mm 左右。通过动态模拟分析，设计中支护形式及施工方法可以保证施工安全，并且达到地面沉降为30mm左右。通过在施工中的观察，上部东环高速公路无断道及明显的隆起现象。

参考文献：

1.铁道部第二勘测设计院。铁路工程设计技术手册-隧道。中国铁路出版社，1995 年
2.3D-σ使用手册。日本软脑株式会社