嚴(yán)重偏壓地形下隧道半明半暗進(jìn)洞技術(shù)探討

王雪霽,尹冬梅

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安710075;2.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,石家莊 050043)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,交通基礎(chǔ)設(shè)施投入不斷加大,特別是高速公路進(jìn)入山區(qū)后,隧道工程大量修建,然而山嶺高速公路路線走廊資源稀缺,路線往往沿河流、溝谷兩岸展線,布設(shè)隧道時(shí)經(jīng)常導(dǎo)致洞口處隧道半邊埋深過淺甚至露空,半邊隧道埋深較大,隧道洞口地形偏壓嚴(yán)重。

目前實(shí)際工程設(shè)計(jì)中盡管比較重視洞口高邊仰坡的穩(wěn)定性及防護(hù)結(jié)構(gòu)[1-3],但由于路基和隧道各自專業(yè)知識(shí)的局限性,采用傳統(tǒng)進(jìn)洞方案勢(shì)必導(dǎo)致路基靠山內(nèi)側(cè)刷方量巨大、洞口外路基邊坡較高且段落較長、巨量卸載條件下隧道強(qiáng)行進(jìn)洞后續(xù)病害頻發(fā)[4-6],從而造成該類隧道洞口在環(huán)境保護(hù)[7-9]、誘發(fā)工程病害和工程投資控制等方面難度較大。為了更有效地進(jìn)行工程建設(shè),有必要綜合考慮路基邊坡工程和隧道工程的相互影響,對(duì)嚴(yán)重偏壓地形下隧道半明半暗進(jìn)洞方案進(jìn)行研究。

以某高速公路隧道地形嚴(yán)重偏壓的洞口進(jìn)洞工程為例,結(jié)合數(shù)值分析方法,對(duì)隧道半明半暗進(jìn)洞方案進(jìn)行研究,以期為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

某隧道右洞起訖里程為YK20+000～YK22+315,全長2 315m。采用單洞兩車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)速度為80km/h,開挖跨度為12.82m,高度為10.32m,采用新奧法設(shè)計(jì)施工。隧道沿溝谷穿越埡口,隧道東側(cè)為一溝谷,出口段位于R=1 800m的曲線上,縱坡為單向坡-2.5%。

隧道右洞出口橫斷面方向地表自然坡度為44°,地質(zhì)情況較差,為V級(jí)圍巖。其巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖,屬破碎軟巖,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造,vp=2 220～3 120m/s,Kv=0.36,[BQ]=187.41,巖體破碎、完整性差,呈角碎狀松散結(jié)構(gòu)。拱部進(jìn)入第四系殘坡積層,[σo]=180kPa,雨季開挖時(shí)會(huì)有涌流狀出水現(xiàn)象,洞室開挖時(shí),巖體無自穩(wěn)能力,洞頂易坍塌,無支護(hù)時(shí)可能產(chǎn)生大的坍塌,側(cè)壁易失穩(wěn)[10]。

2 隧道洞口進(jìn)洞方案設(shè)計(jì)

2.1 隧道傳統(tǒng)進(jìn)洞方案分析

按照常規(guī)隧道進(jìn)洞施工方法,隧道洞周需保留一定的覆蓋層方能達(dá)到進(jìn)洞條件,因此隧道進(jìn)洞面至少需要開挖至YK22+292里程處才能滿足要求,該位置隧道橫斷面如圖1所示。隧道洞口臨時(shí)邊坡高達(dá)約48m。由于洞口第四系覆蓋土層較厚,下伏巖體破碎,工程中常用的錨噴臨時(shí)防護(hù)措施已不適用于該高邊坡;而且邊坡切削偏壓山體的坡腳,形成較大較陡的臨空面,加之洞內(nèi)爆破開挖震動(dòng)和自然降水等不利因素影響,洞口邊坡極易垮塌;因此,該高邊坡防護(hù)數(shù)量和難度巨大,一旦失穩(wěn),將造成堵塞隧道洞口、威脅隧道內(nèi)進(jìn)出人員和器械、追加工程投資、影響工程進(jìn)度和社會(huì)影響惡劣等后果,工程施工風(fēng)險(xiǎn)增大。

YK22+292處邊坡坡口到路中線平距36m,按設(shè)計(jì)要求,在坡口外5m距離需設(shè)置截水溝,因此該處作為隧道進(jìn)洞口不僅增大了公路永久用地范圍,也導(dǎo)致隧道天溝開挖、上料等施工難度增加。

由于隧道洞口施工和邊坡防護(hù)施工相互干擾,采用噴射混凝土對(duì)坡面進(jìn)行封閉后,盡快進(jìn)行隧道施工。隨著人們環(huán)境保護(hù)、水土保持、保護(hù)原生態(tài)、路容美觀等意識(shí)的增強(qiáng),和樹立人與自然和諧等公路設(shè)計(jì)新理念的推廣,已不提倡大開大挖和大面積灰色防護(hù),且公路投入營運(yùn)后也極易受到坍方、落石等自然災(zāi)害的威脅。

圖1 YK22+292處隧道橫斷面(單位:m)Fig.1 Cross-section of tunnel at YK22+292(m)

2.2 半明半暗進(jìn)洞方案設(shè)計(jì)

偏壓地形下若降低靠山內(nèi)側(cè)的路基邊坡高度,隧道靠山體外側(cè)通常會(huì)呈“露天”狀態(tài),為了解決這一矛盾,可以通過人工補(bǔ)做護(hù)拱的方式使隧道成洞。根據(jù)該隧道洞口實(shí)際地形地質(zhì)情況,綜合考慮地表覆蓋層厚度和邊坡高度,以護(hù)拱拱腳落到相對(duì)堅(jiān)實(shí)的坡體上和洞頂刷坡高度不高于5 m為宜,設(shè)計(jì)YK22+310～+292段采用半明半暗方案施工,施工示意圖見圖2。

圖2 半明半暗施工示意圖Fig.2 Sketch of construction of half-buried tunnel

施工步驟:

1)首先進(jìn)行少量邊坡開挖,并逆作邊坡防護(hù),邊開挖邊防護(hù)。開挖時(shí)盡量采用機(jī)械配合人工開挖,遇孤石或大塊巖體時(shí),采用局部微震爆破。邊坡則采用噴、錨、網(wǎng)防護(hù),其中噴射混凝土厚10cm。當(dāng)護(hù)拱長度較短,護(hù)拱腳位于隧道中線靠山外側(cè)時(shí),如圖2(c)所示,錨桿防護(hù)尤顯重要,施工中適當(dāng)加長錨桿長度,采用4.5m長錨桿,100 cm×100cm梅花形布置,并將錨桿防護(hù)范圍向坡口外側(cè)山體原地表適當(dāng)擴(kuò)大。

噴錨網(wǎng)防護(hù)的主要部位是隧道洞周外的邊坡部分,洞內(nèi)范圍坡面視其穩(wěn)定性做適當(dāng)防護(hù),采用5cm厚C20噴射混凝土進(jìn)行表層封閉。

2)耳墻及護(hù)拱的施工。護(hù)拱為60cm厚帶耳墻的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)預(yù)埋I 20a型鋼拱架,縱向間距60cm,與隧道初期支護(hù)鋼拱位置相同,鋼拱架間采用 φ20二級(jí)鋼筋連接,護(hù)拱部分的鋼拱架兩側(cè)滿鋪φ8鋼筋網(wǎng)。護(hù)拱上下緣分別布置 φ22二級(jí)鋼筋,為環(huán)向受力主筋,沿隧道縱向間距20 cm;沿預(yù)埋的鋼拱環(huán)向間距30cm布置 φ12的三角形箍筋,與護(hù)拱外側(cè)主筋相連;架立筋和分布鋼筋按構(gòu)造配置。護(hù)拱上部的擋土耳墻與護(hù)拱分開澆注,并預(yù)留鋼筋接頭,澆注混凝土?xí)r精細(xì)施工,避免出現(xiàn)空洞。

3)護(hù)拱與山體交接處,采用2根 φ50注漿錨管對(duì)每榀預(yù)埋的鋼拱架進(jìn)行鎖定,該處拱腳要求焊接連接鋼板及螺栓,待暗洞開挖時(shí)與初期支護(hù)鋼拱架連接。澆注護(hù)拱混凝土?xí)r,采用木板或泡沫板對(duì)連接鋼板進(jìn)行保護(hù),使之與混凝土隔離。

4)耳墻、護(hù)拱施工完成后采用人工夯填土石對(duì)護(hù)拱上方空間進(jìn)行反壓回填,填土表實(shí)施綠化,拱頂回填按50～80cm厚分層壓實(shí),壓實(shí)度不小于85%。

5)洞外工程完成后,即進(jìn)行洞內(nèi)施工。先施工暗洞部分的 φ50超前注漿鋼花管,部位為暗洞的拱部120°范圍。按照上下臺(tái)階法,根據(jù)I 20a鋼拱架間距60cm進(jìn)行逐榀鋼拱位置的開挖、初噴,暗洞鋼拱架與護(hù)拱內(nèi)鋼拱架栓接后焊接牢靠,并采用噴射混凝土將接頭位置噴實(shí),噴射混凝土厚度26cm。暗洞鋼拱上下斷面落腳時(shí),采用2根4.5m長 φ22砂漿錨桿進(jìn)行鎖腳。系統(tǒng)錨桿與鋼拱架焊接以提高拱架的橫向穩(wěn)定性和承載能力。開挖落底緊跟,仰拱鋼拱封閉成環(huán)后,立即施作仰拱及仰拱充填。

6)最后進(jìn)行防排水層、二次襯砌(厚度50 cm)施工。

3 半明半暗進(jìn)洞方案施工過程的數(shù)值模擬

為了評(píng)價(jià)進(jìn)洞方案的可靠性,掌握施工過程中圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的變化情況,以便給設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo),對(duì)該進(jìn)洞方法按分步開挖、支護(hù)的全過程進(jìn)行了平面應(yīng)變有限元數(shù)值模擬。分析過程中視圍巖為彈塑性材料,圍巖所處狀態(tài)采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行判定,初始地應(yīng)力由重力場形成,開挖荷載釋放系數(shù)由掌子面大小及距離掌子面的遠(yuǎn)近共同確定,各材料參數(shù)取自規(guī)范和地質(zhì)勘察報(bào)告成果。

隧道初期支護(hù)采用梁單元,錨桿采用植入式桁架單元,圍巖、回填土、耳墻及護(hù)拱采用平面應(yīng)變單元。有限元模型如圖3所示,共由10 403個(gè)節(jié)點(diǎn)和10 323個(gè)單元組成。施工過程為1)邊坡開挖、2)邊坡支護(hù)、3)施工耳墻護(hù)拱和拱頂回填 、4)隧道洞內(nèi)上臺(tái)階開挖 、5)隧道洞內(nèi)上臺(tái)階錨桿、6)隧道洞內(nèi)上臺(tái)階初期支護(hù)、7)隧道洞內(nèi)下臺(tái)階開挖、8)隧道洞內(nèi)下臺(tái)階錨桿、9)隧道洞內(nèi)下臺(tái)階初期支護(hù),共9個(gè)施工步驟。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model

3.1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)變化分析

1)隧道施工完成時(shí)第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力如圖4所示。

圖4 隧道施工完成時(shí)第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud maps of the first principal stress and the third principal stress when the construction of the tunnel is completed

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,護(hù)拱結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力在護(hù)拱澆注及拱頂回填完成時(shí)位于隧道拱部內(nèi)側(cè),數(shù)值較小(0.8 MPa),隨著施工步驟的進(jìn)行,拱部拉應(yīng)力逐漸減小,最大拉應(yīng)力位置向護(hù)拱腰部偏上側(cè)轉(zhuǎn)移,隧道完成后,護(hù)拱最大拉應(yīng)力為1.99MPa,超過C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,結(jié)構(gòu)配置抗拉鋼筋。

護(hù)拱最大壓應(yīng)力的分布隨著施工步驟的進(jìn)行,逐步向護(hù)拱肩部內(nèi)側(cè)和腰部內(nèi)側(cè)集中,最大壓應(yīng)力3.1 MPa,滿足C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2)初期支護(hù)彎矩隨施工過程的變化

如圖5所示。

隧道上臺(tái)階支護(hù)完成時(shí),初期支護(hù)彎矩最大值為2.433kN?m,位于鋼拱架鎖腳位置;隧道支護(hù)完成時(shí),初期支護(hù)彎矩最大值為3.343 kN?m,位于隧道靠山內(nèi)側(cè)拱腳處;初期支護(hù)采用26cm厚C25噴射混凝土,內(nèi)置I 20a@60cm的鋼拱架,能夠滿足強(qiáng)度要求。

隧道上臺(tái)階施工的系統(tǒng)錨桿中軸拉力最大值為37k N,下臺(tái)階施工的系統(tǒng)錨桿中軸拉力最大值為66 kN,均能夠滿足強(qiáng)度要求。

3.2 施工過程中的位移變化規(guī)律

圖6所示,隧道拱部圍巖向洞內(nèi)臨空面位移較大,其中護(hù)拱拱頂向山體外側(cè)水平位移1.904mm,豎直向下位移3.419mm,仰拱底鼓;護(hù)拱腰部向山體外側(cè)水平位移2.186mm,豎直向下位移1.619 mm;靠山側(cè)初期支護(hù)腰部向山體外水平位移1.941 mm,豎直向下位移4.311mm;耳墻向外側(cè)位移明顯,整體呈弧狀,表明其與初期支護(hù)組成的支撐系統(tǒng)承受了較大的山體推力。

圖5 初期支護(hù)彎矩隨施工過程的分布變化Fig.5 Distribution of bending moment of primary reinforcement,which varies along with the construction process

圖6 隧道施工完成后的位移分布Fig.6 Distribution of displacement when the construction of the tunnel is completed

3.3 整體穩(wěn)定評(píng)估

按照強(qiáng)度折減理論對(duì)原山體模型、臨時(shí)邊坡方案和反壓護(hù)拱方案的模型分別進(jìn)行了整體穩(wěn)定分析,如圖7。為了簡化模型方便比對(duì),未模擬山體第四系覆蓋層,模型中山體全部按照V級(jí)圍巖考慮。計(jì)算結(jié)果:原山體模型坡體安全系數(shù)K=1.969;臨時(shí)邊坡方案安全系數(shù)K=1.779,刷坡后潛在的破壞面通過邊坡坡腳;反壓護(hù)拱隧道成洞后潛在的破壞面與原山體模型坡面的潛在破壞面幾乎相同,安全系數(shù)K=1.928。

表明隧道半明半暗進(jìn)洞方案能夠最大程度地減少山體擾動(dòng),有效地降低由于工程施工誘發(fā)邊坡病害的可能。

圖7 潛在破壞位置Fig.7 Positions of potential failures

4 半明半暗進(jìn)洞方案應(yīng)注意的事項(xiàng)

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果,隧道半明半暗進(jìn)洞施工方法能夠有效地平衡山體推力,減少工程引發(fā)的邊坡病害,控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展,但在該方案設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中,應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面:

1)洞頂邊坡及山體應(yīng)錨固良好,形成能夠承受一定荷載的整體。

2)護(hù)拱與暗洞洞周圍巖位移差別較大,護(hù)拱拱腳應(yīng)特別注意加強(qiáng)鎖腳強(qiáng)度和錨固質(zhì)量,保證荷載能夠有效地傳遞。

3)半明半暗段暗洞的上下臺(tái)階拱腳均為應(yīng)力集中位置,應(yīng)注意鋼拱架落腳落在實(shí)處,鎖腳錨桿及時(shí)施作。

4)根據(jù)分析結(jié)果,耳墻基礎(chǔ)在施工過程中受力復(fù)雜,屬薄弱部位,開挖后應(yīng)視基礎(chǔ)位置地基承載力情況決定是否進(jìn)行處置。

5)當(dāng)半明半暗段落較長時(shí),可充分利用巖土的時(shí)空效應(yīng),分段落進(jìn)行開挖和施工反壓護(hù)拱。

5 結(jié)論

1)實(shí)踐和研究結(jié)果表明隧道半明半暗進(jìn)洞方案能夠有效地平衡山體推力,解決由洞口大刷大挖引發(fā)的一系列的問題,較好地適應(yīng)偏壓地形,保證隧道進(jìn)洞安全,滿足環(huán)境保護(hù)和水土保持的要求。

2)本次研究的隧道洞口位于自然坡度為44°的山坡坡腳,原山體本身并無滑坡、垮塌等地質(zhì)災(zāi)害,因此方案中的反壓護(hù)拱主要承受由隧道開挖引起的圍巖松馳及變形的壓力,對(duì)洞口段存在諸如滑坡等地質(zhì)病害和軟弱土體的隧道進(jìn)洞方案應(yīng)結(jié)合數(shù)值分析謹(jǐn)慎選擇。

3)通過計(jì)算分析,提出了半明半暗進(jìn)洞方案中鋼筋混凝土護(hù)拱強(qiáng)度、上臺(tái)階拱腳和耳墻基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求,為工程實(shí)施提供了理論支撐。

4)目前該隧道洞口已安全順利進(jìn)洞,未發(fā)生工程病害,可為同類工程參考。

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