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1.中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133；
2.中交城市轨道交通设计研究院有限公司 武汉 430056
摘要：凉山州中（所）冕（山）公路小相岭隧道出口下穿既有公路，下穿段覆土小，围岩较破碎，而且公路上有较多重型货车通过，为保证隧道施工安全，采用地表预注浆加固措施，并通过有限元数值模拟分析地表预注浆加固效果。得出结论如下：下穿段通过地表注浆加固，有效的提高了围岩强度，控制了隧道拱顶沉降值，最终沉降值较小，较大的改善了隧道初支及二衬的受力情况，注浆效果显著，该措施是安全可行的。
关键词：小相岭隧道；地表预注浆；下穿；数值分析；结构受力。
1 引言
我国是一个多山的国家，75%左右国土都是山地，进入21世纪10年来，我国公路网交通逐渐向崇山峻岭穿越，向离岸深水延伸，公路隧道在交通基础设施的建设中，起到越来越重要的作用，截止2010年底，全国公路隧道为7384处、512.26万米，其中，特长隧道265处、113.80万米，长隧道1218处、202.08万米。在公路隧道迅速发展的同时，公路隧道建设尚存在许多技术瓶颈亟待解决[1]。
随着国民生产力及公路隧道技术的发展，考虑行车条件及后期可能存在的改造升级，公路隧道在线形上要求尽量采用较好的线形设计，因此不可避免的隧道下穿既有公路的情况也越来越多。如何保证既满足隧道施工安全，又不影响上部公路通行，就成了一个普遍摆在设计者面前的问题。本文针对凉山州中（所）冕（山）公路小相岭隧道出口处下穿既有公路段采取的地表预注浆加固措施，结构工程经验并通过数值分析模拟，研究地表预注浆加固技术在隧道下穿既有公路上的加固效果。
2 工程背景
小相岭隧道地处四川省西南部的凉山彝族自治州北部喜德、越西两县交界的小山一带。隧道附近聚集了登相营古驿站风景名胜区、小相岭风光风景名胜区等一系列的旅游资源。现有公路翻越小山路段，累计翻山里程达到25余公里，由于现有公路（县道XW07线）技术等级低、海拔高、地势陡峭、地质稳定性差、路基沉降现象突出，滑坡、雪灾、冰冻、水毁等自然灾害与地质病害严重，抗灾害能力弱，经常造成交通阻塞，甚至断道，致使车辆行驶速度慢、服务水平低、交通事故时有发生。该路段已成为制约县道XW07线保持常年畅通的瓶颈，也是阻碍该区域经济发展的瓶颈。因此小相岭隧道的建设迫在眉睫。
小相岭隧道两端与县道相接，隧道为单洞双向两车道，隧道主洞全长3424m；为满足运营期间的通风救援需要，同时加快施工进度，在隧道右侧设一贯通的平行导洞，主洞和平行导洞的中线间距为29～32m，平导全长3373m。隧道主洞内轮廓净空宽度10.6m，高度6.83m，平导内轮廓净空宽度6.28m，高度6.15m。隧道采用平导压入式通风，在平导洞口段局部采用和主洞大小一样的断面，既满足紧急情况下过车，又满足通风需要。隧道出口下穿既有公路，最小覆土厚约4.25m。隧道出口处和既有县道的位置关系如图1和图2所示。
图1 隧道出口平面图 图2 隧道主洞出口纵断面图
出口处地下水丰富，基岩为白果湾群砂岩夹泥岩，中厚～厚层状，强风化，在刚刚完成的县道改造升级中经过开挖扰动，节理裂隙较发育，岩体较破碎，且公路上常有重型货车通过，超载现象严重。在隧道顶部覆土如此小的情况下，施工时宜发生拱顶塌方、路面沉降过大、初支失稳等风险。
3 工程保护措施
针对隧道出口处下穿县道段的情况，既有县道在改造升级时，已经进行了较大挖方，边坡较高，为了保证县道的正常通行，同时避免对已开挖边坡的再次扰动，采用暗挖下穿县道。参考《公路隧道设计规范》[2]和《地下工程浅埋暗挖技术通论》[3]，结合工程经验，下穿县道段采用单侧壁导坑法开挖，并辅以超前大管棚和地表预注浆加固措施。
3.1 下穿段支护参数
超前支护采用φ159×8大管棚，拱部140°范围设置，环向间距0.4m；初期支护采用26cm厚C25网喷砼，钢架采用工20a型钢，间距0.5m，边墙设直径为22mm的砂浆锚杆，L=3.5m，间距1.2×0.5m；二次衬砌采用55cm厚C30钢筋砼。
3.2 地表预注浆加固措施
县道上方常有重型货车通过，且超载严重现象较多，在顶部覆土只有4.25～5.66m的情况下，容易发生塌方、初支失稳等风险，因此采用地表预注浆加固措施，保证隧道开挖安全，同时控制地表沉降。隧道主洞加固长度为洞口向洞身19m，即K22+411～K22+430。水平加固范围为隧道洞身两侧各3m范围，竖向加固范围为地面至隧道大距线以上2m；注浆管采用?80×4（mm）钢管，浆液选用水泥浆，水灰比为0.6：1～1.5：1，并根据现场实验预以调整，注浆管间距1.0m×1.0m，梅花形布置。隧道平导加固长度为洞口向洞身21m，即PDK22+395～PDK22+416，其它参数与主洞相同。隧道主洞地表预注浆平面和剖面图如图3和图4所示。
图3 主洞地表预注浆平面图 图4 主洞地表预注浆加固剖面图
为了减少洞口超前大管棚施工和地表预注浆施工的相互干扰，施工时建议先进行洞口管棚施工，再进行地表预注浆。在大管棚范围内地表注浆深度仅施工至管棚顶，以便于地表预注浆施工及后续开挖。
3.3 其它保护措施
隧道出口段下穿县道，上方有重车通行，施工时应做好控制爆破，并控制开挖进尺、加强监测，及时施做初支、二衬，在二衬施工完成并达到设计强度前（尤其在拆除临时竖撑后、二衬施工前），地面应采取限行、绕行减速等措施，保证隧道结构安全。
3.4 施工方法
施工工序如图5所示，图中各步骤为：
步骤1：拱部超前支护施作；
步骤2：左侧导洞开挖； 步骤3：左侧导洞初期支护；
步骤4：右侧洞上部开挖；
步骤5：右侧洞上部初期支护；
步骤6：右上部核心土开挖；
步骤7：右侧洞下部开挖；
步骤8：右侧洞下部初期支护；
步骤9：防水层施做；
步骤10：分段施做仰拱模筑衬砌
步骤11：分段施做拱、墙模筑衬砌；
步骤12：隧底填充、中央排水沟施做；
步骤13：沟槽、路面施做。
4.3 对数值模拟结果的分析
对隧道下穿既有县道采取地表预注浆前后竖向位移、初支弯矩、二衬应力结果分析如下：
1）在未采取地表预注浆加固前，最大拱顶沉降为6.63mm，地表预注浆后，最大拱顶沉降为3.72mm。由此可知，在进行地表预注浆浆加固措施后，拱顶沉降有明显减小，在二次衬砌不能及时跟进且上部有重型车辆通过的情况下，对于隧道开挖安全起到较大保障作用。
2）由于采用单侧壁导坑法施工，初支最大正弯矩均发生位置在左侧仰拱和边墙交接处，注浆前为67.59kN.m，注浆后降低至52.60 kN.m。初支最大负弯矩均发生位置在仰拱处，注浆前为50.23kN.m，注浆后降低至37.84 kN.m。由此可见，通过地表预注浆，使初支变矩明显减小，有利于洞室稳定。
3）地表预注浆前后，二次衬砌拉应力均出现在拱顶内侧和仰拱处，其中仰拱处拉应力很小，最大拉应力在注浆前为10.43kPa，注浆后为4.01kPa，均远小于衬砌砼的容许拉应力。二次砌衬最大压应力均出现在拱脚内侧，注浆前为319.80kPa，注浆后为109.61kPa。由此可见，通过地表预注浆，二次衬砌的拉压应力均明显减小，较大程度上改善了二次衬砌的受力情况，注浆效果显著。
5 结论与建议
1）小相岭隧道出口处下穿既有县道，覆土较小，在县道升级改造时经过一定扰动，围岩较破碎，并且上方常有重型货车通行，在这种不利情况下，在超前大管棚保护下采用单侧壁导坑法施工，并通过地表预注浆来保证结构安全是有必要的。
2）通过地表预注浆加固措施，有效的减小了地表沉降，隧道初支和二衬结构受力有较大改善，说明注浆措施是可行的，注浆效果是明显的。
3）本文通过有限元数值模拟分析在地表预注浆前后工况下地层沉降值、初支受力、二衬受力，由于计算理论中的基本设定条件与地层的实际状况不完全一致，采用平面有限元计算时没有考虑工作面岩体的三维约束效应，可能会导致计算结果与实际受力情况有一定的偏差，因此在隧道施工中，应根据现场监测结果，将数值模拟分析结果和现场情况相结合，得到更加准确的结果，以给后续相似工程提供参考借鉴的经验。
参考文献：
[1]霍孙涛.隧道病害诊治处理思路探讨[J].中国科技博览，2013（30）：110-110.
[2]JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽，合肥：安徽教育出版社，2004.
[4]李辉，炊鹏飞，杨小红，等.隧道下穿采空区的监测及结果分析[J].地下空间与工程学报，2011，7（4）：753-758.
[5]JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[6]赵丹，朱向前，彭立敏.偏压连拱隧道施工顺序分析[J].西部探矿工程，2006（3）：141-144.
2.中交城市轨道交通设计研究院有限公司 武汉 430056
摘要：凉山州中（所）冕（山）公路小相岭隧道出口下穿既有公路，下穿段覆土小，围岩较破碎，而且公路上有较多重型货车通过，为保证隧道施工安全，采用地表预注浆加固措施，并通过有限元数值模拟分析地表预注浆加固效果。得出结论如下：下穿段通过地表注浆加固，有效的提高了围岩强度，控制了隧道拱顶沉降值，最终沉降值较小，较大的改善了隧道初支及二衬的受力情况，注浆效果显著，该措施是安全可行的。
关键词：小相岭隧道；地表预注浆；下穿；数值分析；结构受力。
1 引言
我国是一个多山的国家，75%左右国土都是山地，进入21世纪10年来，我国公路网交通逐渐向崇山峻岭穿越，向离岸深水延伸，公路隧道在交通基础设施的建设中，起到越来越重要的作用，截止2010年底，全国公路隧道为7384处、512.26万米，其中，特长隧道265处、113.80万米，长隧道1218处、202.08万米。在公路隧道迅速发展的同时，公路隧道建设尚存在许多技术瓶颈亟待解决[1]。
随着国民生产力及公路隧道技术的发展，考虑行车条件及后期可能存在的改造升级，公路隧道在线形上要求尽量采用较好的线形设计，因此不可避免的隧道下穿既有公路的情况也越来越多。如何保证既满足隧道施工安全，又不影响上部公路通行，就成了一个普遍摆在设计者面前的问题。本文针对凉山州中（所）冕（山）公路小相岭隧道出口处下穿既有公路段采取的地表预注浆加固措施，结构工程经验并通过数值分析模拟，研究地表预注浆加固技术在隧道下穿既有公路上的加固效果。
2 工程背景
小相岭隧道地处四川省西南部的凉山彝族自治州北部喜德、越西两县交界的小山一带。隧道附近聚集了登相营古驿站风景名胜区、小相岭风光风景名胜区等一系列的旅游资源。现有公路翻越小山路段，累计翻山里程达到25余公里，由于现有公路（县道XW07线）技术等级低、海拔高、地势陡峭、地质稳定性差、路基沉降现象突出，滑坡、雪灾、冰冻、水毁等自然灾害与地质病害严重，抗灾害能力弱，经常造成交通阻塞，甚至断道，致使车辆行驶速度慢、服务水平低、交通事故时有发生。该路段已成为制约县道XW07线保持常年畅通的瓶颈，也是阻碍该区域经济发展的瓶颈。因此小相岭隧道的建设迫在眉睫。
小相岭隧道两端与县道相接，隧道为单洞双向两车道，隧道主洞全长3424m；为满足运营期间的通风救援需要，同时加快施工进度，在隧道右侧设一贯通的平行导洞，主洞和平行导洞的中线间距为29～32m，平导全长3373m。隧道主洞内轮廓净空宽度10.6m，高度6.83m，平导内轮廓净空宽度6.28m，高度6.15m。隧道采用平导压入式通风，在平导洞口段局部采用和主洞大小一样的断面，既满足紧急情况下过车，又满足通风需要。隧道出口下穿既有公路，最小覆土厚约4.25m。隧道出口处和既有县道的位置关系如图1和图2所示。
图1 隧道出口平面图 图2 隧道主洞出口纵断面图
出口处地下水丰富，基岩为白果湾群砂岩夹泥岩，中厚～厚层状，强风化，在刚刚完成的县道改造升级中经过开挖扰动，节理裂隙较发育，岩体较破碎，且公路上常有重型货车通过，超载现象严重。在隧道顶部覆土如此小的情况下，施工时宜发生拱顶塌方、路面沉降过大、初支失稳等风险。
3 工程保护措施
针对隧道出口处下穿县道段的情况，既有县道在改造升级时，已经进行了较大挖方，边坡较高，为了保证县道的正常通行，同时避免对已开挖边坡的再次扰动，采用暗挖下穿县道。参考《公路隧道设计规范》[2]和《地下工程浅埋暗挖技术通论》[3]，结合工程经验，下穿县道段采用单侧壁导坑法开挖，并辅以超前大管棚和地表预注浆加固措施。
3.1 下穿段支护参数
超前支护采用φ159×8大管棚，拱部140°范围设置，环向间距0.4m；初期支护采用26cm厚C25网喷砼，钢架采用工20a型钢，间距0.5m，边墙设直径为22mm的砂浆锚杆，L=3.5m，间距1.2×0.5m；二次衬砌采用55cm厚C30钢筋砼。
3.2 地表预注浆加固措施
县道上方常有重型货车通过，且超载严重现象较多，在顶部覆土只有4.25～5.66m的情况下，容易发生塌方、初支失稳等风险，因此采用地表预注浆加固措施，保证隧道开挖安全，同时控制地表沉降。隧道主洞加固长度为洞口向洞身19m，即K22+411～K22+430。水平加固范围为隧道洞身两侧各3m范围，竖向加固范围为地面至隧道大距线以上2m；注浆管采用?80×4（mm）钢管，浆液选用水泥浆，水灰比为0.6：1～1.5：1，并根据现场实验预以调整，注浆管间距1.0m×1.0m，梅花形布置。隧道平导加固长度为洞口向洞身21m，即PDK22+395～PDK22+416，其它参数与主洞相同。隧道主洞地表预注浆平面和剖面图如图3和图4所示。
图3 主洞地表预注浆平面图 图4 主洞地表预注浆加固剖面图
为了减少洞口超前大管棚施工和地表预注浆施工的相互干扰，施工时建议先进行洞口管棚施工，再进行地表预注浆。在大管棚范围内地表注浆深度仅施工至管棚顶，以便于地表预注浆施工及后续开挖。
3.3 其它保护措施
隧道出口段下穿县道，上方有重车通行，施工时应做好控制爆破，并控制开挖进尺、加强监测，及时施做初支、二衬，在二衬施工完成并达到设计强度前（尤其在拆除临时竖撑后、二衬施工前），地面应采取限行、绕行减速等措施，保证隧道结构安全。
3.4 施工方法
施工工序如图5所示，图中各步骤为：
步骤1：拱部超前支护施作；
步骤2：左侧导洞开挖； 步骤3：左侧导洞初期支护；
步骤4：右侧洞上部开挖；
步骤5：右侧洞上部初期支护；
步骤6：右上部核心土开挖；
步骤7：右侧洞下部开挖；
步骤8：右侧洞下部初期支护；
步骤9：防水层施做；
步骤10：分段施做仰拱模筑衬砌
步骤11：分段施做拱、墙模筑衬砌；
步骤12：隧底填充、中央排水沟施做；
步骤13：沟槽、路面施做。
4.3 对数值模拟结果的分析
对隧道下穿既有县道采取地表预注浆前后竖向位移、初支弯矩、二衬应力结果分析如下：
1）在未采取地表预注浆加固前，最大拱顶沉降为6.63mm，地表预注浆后，最大拱顶沉降为3.72mm。由此可知，在进行地表预注浆浆加固措施后，拱顶沉降有明显减小，在二次衬砌不能及时跟进且上部有重型车辆通过的情况下，对于隧道开挖安全起到较大保障作用。
2）由于采用单侧壁导坑法施工，初支最大正弯矩均发生位置在左侧仰拱和边墙交接处，注浆前为67.59kN.m，注浆后降低至52.60 kN.m。初支最大负弯矩均发生位置在仰拱处，注浆前为50.23kN.m，注浆后降低至37.84 kN.m。由此可见，通过地表预注浆，使初支变矩明显减小，有利于洞室稳定。
3）地表预注浆前后，二次衬砌拉应力均出现在拱顶内侧和仰拱处，其中仰拱处拉应力很小，最大拉应力在注浆前为10.43kPa，注浆后为4.01kPa，均远小于衬砌砼的容许拉应力。二次砌衬最大压应力均出现在拱脚内侧，注浆前为319.80kPa，注浆后为109.61kPa。由此可见，通过地表预注浆，二次衬砌的拉压应力均明显减小，较大程度上改善了二次衬砌的受力情况，注浆效果显著。
5 结论与建议
1）小相岭隧道出口处下穿既有县道，覆土较小，在县道升级改造时经过一定扰动，围岩较破碎，并且上方常有重型货车通行，在这种不利情况下，在超前大管棚保护下采用单侧壁导坑法施工，并通过地表预注浆来保证结构安全是有必要的。
2）通过地表预注浆加固措施，有效的减小了地表沉降，隧道初支和二衬结构受力有较大改善，说明注浆措施是可行的，注浆效果是明显的。
3）本文通过有限元数值模拟分析在地表预注浆前后工况下地层沉降值、初支受力、二衬受力，由于计算理论中的基本设定条件与地层的实际状况不完全一致，采用平面有限元计算时没有考虑工作面岩体的三维约束效应，可能会导致计算结果与实际受力情况有一定的偏差，因此在隧道施工中，应根据现场监测结果，将数值模拟分析结果和现场情况相结合，得到更加准确的结果，以给后续相似工程提供参考借鉴的经验。
参考文献：
[1]霍孙涛.隧道病害诊治处理思路探讨[J].中国科技博览，2013（30）：110-110.
[2]JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽，合肥：安徽教育出版社，2004.
[4]李辉，炊鹏飞，杨小红，等.隧道下穿采空区的监测及结果分析[J].地下空间与工程学报，2011，7（4）：753-758.
[5]JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[6]赵丹，朱向前，彭立敏.偏压连拱隧道施工顺序分析[J].西部探矿工程，2006（3）：141-144.