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摘要：针对某大跨浅埋隧道下穿机场高速北延线实际工程，采用数值计算方法，分析了大跨浅埋隧道开挖对机场高速北延线的影响。计算结果表明，在采用MJS工法桩、超前注浆、加强施工控制等措施下，大跨浅埋隧道的施工，导致既有机场高速北延线路面产生一定程度的变形，影响程度可控，可确保既有机场高速北延线工程的安全运营。
关键词：浅埋隧道；下穿；路面；MJS工法桩；超前注浆
一、工程概况
新塘经白云机场至广州北城际铁路自广清城际广州北站北端咽喉区引出，并行广清城际北行，至花都大道南侧折向东，穿过京广铁路、花都大道、广清高速、武广客专、狮岭大道后沿花都大道北侧走行，穿过芙蓉大道（建设北路）、曙光路（规划）、凤凰北路后于万达文化旅游城主题乐园南侧入口广场设天贵路站，出站后继续向东，穿过莲山路、花都大道、既有国道G106至规划国道G106西侧设花山站，出站后穿过规划国道G106、机场高速公路进入白云机场，至机场横十六路后折向南，沿白云机场北进场路引入白云机场2号航站楼结束。本段线路正线全长为20.131km，土建工程长度16.588km，全为隧道段（含地下站）。
城际铁路下穿机场高速公路北延线段隧道设计起点里程为DK46+930，设计终点里程为DK46+995，全长65m，路基外段隧道二衬拱顶覆土厚度约3.3m，路基范围内隧道二衬拱顶覆土厚度约7.8~9.1m（含地面以上路基高度），左、右线线路间距为6.9m。 图1为隧道与机场高速北延线关系示意图。
图1 隧道与机场高速北延线关系图
本段隧道线路与机场高速北延线以73°的交角斜交，呈由西向东走向。隧道下穿区域周边地势平坦，主要为温室、农田及荔枝林地。穿越处公路里程为K29+810，机场高速现为双向6车道沥青砼路面，车流量大，路面宽32m，路基高4.5~5.8m，中间隔离带宽2.0m。
二、下穿机场高速段设计方案介绍
新塘经白云机场至广州北城际铁路在下穿机场高速北延线段主要为粉质粘土层及富水中（粗）砂层，隧道所在区域岩溶发育。根据隧道断面形式、埋深及所处地质条件，本段隧道采用浅埋暗挖法施工。隧道下穿机场高速公路路基及穿越富水砂层施工难度大。主要设计方案如下：
（1）采用单洞双线拱形复合式衬砌断面，隧道断面开挖跨度14.9m、开挖高度为11.75m。
（2）采用双侧壁导坑法开挖。
（3）拱部设置三排、边墙设置两排、仰拱设置单排水平MJS工法桩（全方位超高压喷射工法）超前加固措施，并在拱部水平MJS工法桩内插Φ108长管棚，掌子面设置水平MJS工法桩加固稳定开挖面，由高速公路两侧明挖端头井内实施。MJS工法桩实施前进行试验桩试验以确定具体参数，设计初步拟定为：①设计桩径：2.0m；②设计搭接厚度：300mm；③注浆压力：≤40MPa；④空气压力：0.7 MPa；⑤地内压控制范围：0.06～0.15MPa；⑥水泥浆用量：约2m((3)/m（160度）；⑦回抽速度：15min/m（160度）；⑧回转速度：4r/min；⑨提升步距：25mm；⑩浆液流量：85～100L/min。
（4）隧道开挖前对路基两侧进行堆土反压，以
保证高速公路路基稳定。
三、数值模型
3.1基本假定
计算分析基本假定如下：
（1）地层材料采用莫尔-库仑准则计算；（2）假定土层成层均质水平分布；（3）隧道开挖中支护结构采用壳单元模拟；（4）地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化；（6）不考虑隧道开挖对土体力学指标的影响以及地下水渗流影响。
3.2计算模型及计算参数
根据圣维南原理和实际需要，整个模型计算范围为65m×50m×80m（长×高×宽），简化左右线隧道走向平行，模型包括40508个单元和43470个节点，计算模型网格划分如图2所示。模型采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，各外表面均约束法线方向的位移。整个模拟过程如下：①未开挖隧道前，模型在初始地应力下平衡。②清除塑性区及位移归零。③隧道开挖。
图2 模型网格图
地层参数按地勘资料及相关资料取值，表1所示为结构及地层力学参数。
表1 物理力学参数
3.3 隧道开挖过程模拟
数值模拟计算中，简化隧道开挖过程，采用双侧壁导坑法开挖，如下图3所示。
图3 隧道开挖示意图
具体开挖过程如下：①开挖1号导洞，施作钢架及喷射混凝土。②开挖2号导洞，施作钢架及喷射混凝土。③开挖3号导洞，施作钢架及喷射混凝土。④开挖4号导洞，施作钢架及喷射混凝土。⑤开挖5号导洞，施作钢架及喷射混凝土。⑥开挖6号导洞，施作钢架及喷射混凝土。⑦开挖7号导洞，施作钢架及喷射混凝土。⑧开挖8号导洞，施作钢架及喷射混凝土。⑨开挖9号导洞，施作钢架及喷射混凝土。⑩分段拆除临时支撑，施作仰拱、仰拱填充及二次衬砌。
四、计算结果
4.1地表变形分析
下图4为隧道上方地表变形曲线图，从地表沉降曲线可以看出，地表最大沉降约11.5mm，地表沉降基本以隧道轴线为对称轴形成“单峰”型地表沉降槽，影响范围基本上在洞轴线两侧35m范围，同时可以看出地表倾斜（表征地表不均匀沉降大小）为0.1%。说明隧道的开挖对路基产生一定影响，但在正常监控状态下，对隧道采取超前加固措施，加强施工控制，可以保证高速公路安全。
图4 地表变形曲线
下图5~图6为隧道上方地表变形云图，从地表沉降变形云图可以看出：隧道开挖后，地表产生以隧道导洞轴线为对称轴的沉降槽，并有一定超前变形量，右侧导洞开挖后，使地表沉降槽轴线向右侧偏移，最终以隧道中轴线为对称轴。从地表水平变形云图可以看出：隧道开挖后，水平地表基本以隧道轴线为轴向中心挤压，并有一定超前变形量。
图5地表竖向变形云图（左：拆撑前 右：拆撑后）
图6地表水平变形云图（左：拆撑前 右：拆撑后）
4.2支护结构受力分析
下图7-8为隧道支护结构弯矩、轴力图，从图中可以看出，临时支撑拆除前，隧道支护结构最大环向弯矩49.8 KN•m、最大环向轴力512KN，临时支撑拆除后，支护结构最大环向弯矩23.4 KN•m、最大环向轴力409.1KN。可以看出，临时支撑拆除后支护结构弯矩及轴力均有较大幅度降低，说明临时支撑承受较大的荷载，临时支撑拆除过程中，发生结构受力体系转换，施工中需引起重视。
图7 环向弯矩（左：拆撑前 右：拆撑后）
图8环向轴力（左：拆撑前 右：拆撑后）
五、结论
本文结合新塘经白云机场至广州北城际铁路下穿机场高速北延线实际工程，采用数值计算方法，分析了隧道开挖对高速公路的影响，得出主要结论如下：
（1）暗挖隧道开挖引起机场高速路面变形以沉降变形为主，以隧道轴线为对称，形成“单峰”型地表沉降槽。
（2）地表最大沉降11.5mm，出现于隧道轴线上方，地表沉降影响范围至两线轴线外侧35m左右，地表最大倾斜约0.1%。
（3）新塘经白云机场至广州北城际铁路暗挖隧道开挖后，支护结构最大弯矩49.8 KN•m，临时支撑拆除对隧道支护结构受力及周边变形影响较大。
（4）暗挖隧道施工对机场高速北延线产生一定影响。通过隧道周边土体加固，支护结构及时施作，加强施工控制，可以较大程度减小施工影响，确保机场高速北沿线工程的安全运营。
参考文献(References)：
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[3]陈涛，吕勇刚，盾构法隧道近距离侧穿对桥梁桩基的影响，中国港湾建设，2016，8.24(11)：57–58.
论文作者:秦辉辉,陈庆
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/21
标签：隧道论文; 地表论文; 白云机场论文; 机场论文; 钢架论文; 弯矩论文; 路基论文; 《防护工程》2018年第4期论文;