渝州擴(kuò)建隧道施工方法優(yōu)化研究

雷明林

（國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院道橋勘察設(shè)計(jì)一所， 云南 昆明 650216）

隨著我國沿海及內(nèi)地發(fā)達(dá)省市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在上世紀(jì)90年代建成的雙向4車道高速公路難以滿足交通量的快速增長，因此在原有隧道基礎(chǔ)上由雙向4車道改擴(kuò)建為雙向洞8車道公路的工程項(xiàng)目越來越多。雙洞8車道公路隧道跨度17米，矢跨比小于0.5，為特大斷面公路隧道。由于國內(nèi)外都非常少見，能借鑒的經(jīng)驗(yàn)也很少。目前類似工程有意大利的Nazzano公路隧道、日本天王山隧道、日本大藏隧道、廈泉高速公路大帽山隧道等[1]。所以對施工方法進(jìn)行優(yōu)化是很有必要的。

1 項(xiàng)目概況

渝州隧道是重慶市機(jī)場路拓寬改造工程的一部分，現(xiàn)狀為雙洞，平面成喇叭型布置，進(jìn)口段2隧道結(jié)構(gòu)間巖石凈距約7.8m，出口段為15m。隧道凈寬10m，凈高6.7m，圓拱直墻式素混凝土襯砌，拱厚75cm，邊墻厚110cm。改造后，隧道凈跨17.081m，凈高8.482m。隧道總長643m（單洞）。

該隧道位于川東丘陵地區(qū)，地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵，中丘地形，地面標(biāo)高435～488m。上部覆蓋層一般厚度0～2m，下伏基巖主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的砂巖、泥巖，巖層傾角20～25。根據(jù)調(diào)查，原隧道現(xiàn)狀穩(wěn)定，洞壁無地下水滲出，地下水不發(fā)育。根據(jù)相鄰場地工程地質(zhì)條件及重慶地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，隧道所經(jīng)過地段為第4系人工填筑及洪坡積層，基巖為砂巖、泥巖地層，巖體較完整，節(jié)理一般不發(fā)育。隧道平均埋深約30m[2]。

2 開挖方法

由于機(jī)場路為城市快速路，為保證施工過程中交通正常運(yùn)行，整體施工順序?yàn)椋悍忾]右洞交通先進(jìn)行右洞施工，保證左洞現(xiàn)狀交通；待右洞施工完成后，轉(zhuǎn)換交通，封閉左洞交通，施工左洞。

渝州隧道原位擴(kuò)建根據(jù)其工程特點(diǎn)，開挖斷面的選擇上有以下二種方式（見圖1.1）：

方案一：分部開挖，見圖1.1-a，開挖圖示Ⅰ部分及拆除原隧道拱、墻結(jié)構(gòu)；圖示①初期支護(hù)及跨中支護(hù)；開挖圖示Ⅱ部分；圖示②初期支護(hù)；開挖圖示Ⅲ部分；圖示③初期支護(hù)部分并拆除跨中支護(hù)；圖示④初期支護(hù)；開挖并澆筑圖示⑤二次襯砌邊墻基礎(chǔ)；澆筑⑥圖示二次襯砌的澆筑。；

方案二：全斷面開挖，見圖1.1-b，開挖圖示Ⅰ部分及拆除原隧道拱、墻結(jié)構(gòu)；圖示①初期支護(hù)；開挖并澆筑圖示②二次襯砌邊墻基礎(chǔ)；澆筑③圖示二次襯砌的澆筑。

(a)分部開挖 (b)全斷面開挖

圖1.1開挖斷面圖

3 模型的建立

表1.1 圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)[2]

3.1 模型的建立

本模型分析中選取的計(jì)算范圍為:橫向尺寸以隧道寬度取為145m，下邊界距隧道中心為30m，上邊界為自由表面，洞身圍巖段長度為60m，模型左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界為地表自由面。見圖1.2：

圖1.2數(shù)值模擬模型圖

原隧道初期支護(hù)及二襯、新隧道初期支護(hù)、及二襯材料按彈性材料來考慮，并采用梁單元進(jìn)行計(jì)算，錨桿也按彈性考慮，采用植入式桁架進(jìn)行計(jì)算，隧道圍巖及原隧道圍巖材料按均質(zhì)彈塑性考慮，采用實(shí)體單元進(jìn)行分析，并采用摩爾－庫侖等面積圓D-P屈服準(zhǔn)則[3]。

3.2 施工過程控制

由于交通不能中斷，需要保持一個洞通行，只能在一個隧道擴(kuò)挖完成以后，再擴(kuò)挖另一側(cè)隧道，渝州隧道先進(jìn)行右洞擴(kuò)挖施工，然后再進(jìn)行左洞擴(kuò)挖施工。僅模擬右洞擴(kuò)挖，施工步驟如下：

IV級圍巖擴(kuò)建型式優(yōu)化數(shù)值仿真模擬，方案一分32個施工步，方案二分26個施工步，具體過程如下：

方案一：施工步1：初始應(yīng)力狀態(tài)模擬；施工步2：模擬原隧道開挖；施工步3、4：模擬原隧道支護(hù)；施工步5-24：擴(kuò)建隧道第一分部開挖（包括拆除相應(yīng)原隧道支護(hù)）；施工步8-27：擴(kuò)建隧道第二分部開挖；施工步11-30：擴(kuò)建隧道第三分部開挖；施工步12-31：擴(kuò)建隧道初期支護(hù)；施工步32：擴(kuò)建隧道二次襯砌。

方案二：施工步1：初始應(yīng)力狀態(tài)模擬；施工步2：模擬原隧道開挖；施工步3、4：模擬原隧道支護(hù)；施工步5-24：擴(kuò)建隧道開挖（包括拆除相應(yīng)原隧道支護(hù)）；施工步6-25：擴(kuò)建隧道初期支護(hù)；施工步26：擴(kuò)建隧道二次襯砌；

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 圍巖位移特征

隧道右洞開挖完成后(二襯施作前)IV級圍巖二個方案的隧道圍巖位移對比分析結(jié)果如圖1.2、1.3所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，在IV級圍巖下，二個方案拱頂?shù)淖畲笙鲁廖灰品謩e為9.37mm、11.11mm；最大水平位移分別為 6.4mm、11.12mm，二個方案均是向外擴(kuò)展，使隧道的橫向?qū)挾扔兴黾印呢Q向位移及水平位移比較來看，分部擴(kuò)挖所產(chǎn)生的最大豎向位移比水平位移大，而全斷面擴(kuò)挖時最大豎向位移與水平位移基本相同。方案一分部開挖圍巖位移較小，從理論上來講，采用此種施工方法，能使施工安全得到極大的保障，但其施工步驟較復(fù)雜，施工進(jìn)度也較為緩慢，成本較高；方案二全斷面擴(kuò)挖的圍巖位移較大，從安全性的角度來講，此種施工方法危險系數(shù)較方案一低，但其施工步驟簡單，施工進(jìn)度快，從而使工程能及時投入使用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，在豎向及水平位移能滿足規(guī)范的要求下，選擇方案二全斷面一次性開挖較好。

4.2 圍巖應(yīng)力特征

隧道右洞開挖完成后 (二襯施作前)IV級圍巖二個方案的隧道開挖后圍巖應(yīng)力如圖1.4、1.5所示。

從圖1.4、1.5可知，在IV級圍巖下，統(tǒng)計(jì)得到隧道圍巖最后施工步的應(yīng)力結(jié)果方案一為2.79Mpa，方案二為2.79Mpa。從應(yīng)力比較而言，兩個方案比較接近。因此，建議采用方案二。

從以上分析結(jié)果可知，全斷面一次性擴(kuò)挖對渝州隧道以及類似工程是比較適合的。

5 施工監(jiān)測

YK0+570斷面拱頂下沉及周邊位移測量位移與時間的關(guān)系曲線如圖1.6、圖1.8，拱頂下沉速率圖1.7，周邊位移速率圖1.9。結(jié)合圖1.5、圖1.8可知，該隧道拱頂下沉及周邊收斂累計(jì)值呈增大趨勢。但其絕對值并不大，其中拱頂下沉累計(jì)值最大為9.22mm，位于隧道軸線正上方；周邊收斂累計(jì)最大值為8.832mm，位于隧道的拱腰位置。說明位于隧道拱部及拱腰位置圍巖變形較大。由圖1.7、圖1.9可以看出，拱頂下沉速率及周邊位移速率越來越小，逐漸趨近于0，按我國《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ042-94)當(dāng)周邊位移收斂速率為0.1～0.2mm/d，拱頂下沉速率為0.07～0.15mm/d時，圍巖已穩(wěn)定。經(jīng)過分析，在圍巖經(jīng)過30天變形后，周邊位移速率及拱頂下沉速率已在此范圍內(nèi)，說明此時圍巖變形已穩(wěn)定。證明全斷面一次性擴(kuò)挖是適合渝州隧道的。

6 結(jié)論及建議

渝州特大斷面隧道擴(kuò)建工程右洞目前已建成通車，通過對渝州隧道施工方法的對比分析，可得到如下結(jié)論及建議：

1 ）通過數(shù)值模擬,可以掌握隧道圍巖位移及應(yīng)力特征，并建議采用一次性擴(kuò)挖對渝州隧道是可行的；

2 ）通過現(xiàn)場監(jiān)控量測的驗(yàn)證，說明此方法對于渝州隧道是可靠，安全的；

3 ）通過采用數(shù)值模擬、監(jiān)控量測手段進(jìn)行施工方法優(yōu)化分析，所得出的結(jié)論是可靠的，可以為其它類似工程提供依據(jù)和參考。

[1]胡居義，黃倫海.隧道原位擴(kuò)建成特大斷面隧道的擴(kuò)建方案優(yōu)化研究[A]中國公路學(xué)會隧道工程分會2009年全國公路隧道學(xué)術(shù)會議論文集[C].重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.

[2]重慶市設(shè)計(jì)院.機(jī)場路拓寬改造工程--隧道設(shè)計(jì)施工圖[Z].重慶：重慶市設(shè)計(jì)院，2010.

[3]王良，劉元雪.軟弱圍巖隧道開挖的有限元模擬[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào).2005,19(08)：104-112.

[4]唐穎.大帽山大跨度擴(kuò)建隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].公路，2009，10(10)：263-266.

[5]JTG F60-2009.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].