某大斷面隧道斷面形式的比選分析

胡小明，江文凌，彭　鵬

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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某大斷面隧道斷面形式的比選分析

胡小明，江文凌，彭鵬

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

文章以某大斷面軟巖隧道為依托工程，結(jié)合對隧道的直墻段和曲墻段進行變形量測(拱頂下沉和凈空收斂)所得到的實測數(shù)據(jù)，分析采用不同斷面形式施工對隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響，提出了曲邊墻是更為合理、安全及穩(wěn)定的洞型，為隧道的設(shè)計及施工提供參考和依據(jù)。

隧道；斷面形式；結(jié)構(gòu)變形

0　引言

20世紀90年代中后期，我國開始陸續(xù)興建一些大斷面高速公路隧道[1]。在大斷面軟弱圍巖隧道的施工過程中，若是采用的施工方法和支護方式不合理，不僅會引起工期的延誤、造價的增加，還會給施工和運營帶來安全隱患。因而如何以最安全、最經(jīng)濟的方法修建隧道，不僅是隧道設(shè)計人員鉆研探索的方向，而且也對隧道工程的建設(shè)有著重要意義。隧道的優(yōu)化設(shè)計主要包括對隧道的施工方法、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)以及斷面形式進行優(yōu)化，找出最安全的洞型。針對此問題，本文以某大斷面隧道為依托工程，對其采用直邊墻形式和曲邊墻形式施工時隧道支護結(jié)構(gòu)的變形特征進行分析[2]。

1　工程概況實例

1.1工程概況

工程實例隧道為雙洞單向行駛分離式隧道。左線隧道長4 949 m，右線隧道長4 985 m，屬特長隧道，兩洞平均間距約45 m，最大埋深位320 m。

1.2隧道病害

工程地勘及勘探鉆孔的布置工作有一定的局限性，會引起設(shè)計的圍巖地質(zhì)情況與實際的圍巖情況產(chǎn)生無法避免的誤差。該實例隧道實際圍巖巖性與設(shè)計圍巖參數(shù)相差較大，根據(jù)原設(shè)計參數(shù)，施工過程中出現(xiàn)的病害主要有：初期支護開裂、混凝土碎裂掉塊、鋼拱架扭曲及剪切錯斷、初期支護侵限、仰拱上浮、二襯混凝土開裂破壞及隧道涌水。鑒于隧道施工中出現(xiàn)的災(zāi)害情況，根據(jù)隧道設(shè)計文件、地勘報告及施工現(xiàn)場勘查，結(jié)合專家建議，針對該隧道初期支護的大變形和破壞形式，經(jīng)多方研究，建議施工方法改原設(shè)計采用的兩臺階法為三臺階七步法；改原設(shè)計采用的SⅣ-1襯砌為S洞襯砌類型；改原設(shè)計采用的直邊墻為曲邊墻形式[3]。原設(shè)計襯砌方案如圖1所示，變更后襯砌方案如圖2所示。

圖1　原設(shè)計襯砌方案圖

圖2　變更后襯砌方案圖

1.3監(jiān)控斷面的選擇及測點布置

結(jié)合具體的施工方案和開挖方法，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測方法研究隧道的開挖圍巖的變形規(guī)律，對直墻式斷面YK214+005、YK213+996和YK213+986 3個斷面進行監(jiān)控量測，對曲墻式斷面YK213+902、YK213+897和YK213+880 三個斷面進行監(jiān)控量測。隧道施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，進行信息反饋綜合分析，以修正設(shè)計與施工。

(1)凈空變形監(jiān)測

分別在上臺階(拱腰處)和中臺階(隧道最大開挖線處)共2個部位埋設(shè)測點，采用全站儀監(jiān)測隧道開挖過程中隧道襯砌凈空收斂位移[4]。

(2)拱部變形監(jiān)測

分別在拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳和右拱腳共5個部位埋設(shè)測點，采用全站儀監(jiān)測隧道開挖過程中隧道襯砌拱部下沉位移[4]。

2　監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1直墻式區(qū)段監(jiān)測分析

直墻式區(qū)段共埋設(shè)了3個斷面，3個斷面的拱頂下沉值時態(tài)曲線如圖3、圖5和圖7所示，拱頂下沉值速率曲線如圖4、圖6和圖8所示，凈空收斂值時態(tài)曲線如圖9～11所示。

圖3　YK214+005拱頂下沉值時態(tài)曲線圖

圖4　YK214+005拱頂下沉值速率曲線圖

圖5　YK213+996拱頂下沉值時態(tài)曲線圖

圖6　YK213+996拱頂下沉值速率曲線圖

圖7　YK213+986拱頂下沉值時態(tài)曲線圖

圖8　YK213+986拱頂下沉值速率曲線圖

由圖3～8可以看出，該監(jiān)測段中隧道的右側(cè)變形較左側(cè)大，這是由于中臺階和下臺階開挖時左右開挖順序不同引起的；其中最大下沉值發(fā)生在YK214+005的右拱腰處，為110.6 mm；拱頂最大下沉值為89.8 mm，拱腳的最大下沉值為65.2 mm，可見拱腰處變形較大，需要加強支護；隧道開挖中、下臺階會引起拱部下沉速率加大，而施作仰拱后拱部下沉速率逐漸趨于穩(wěn)定[5]。

圖9　YK214+005凈空收斂時態(tài)曲線圖

圖10　YK213+996凈空收斂時態(tài)曲線圖

圖11　YK213+986凈空收斂時態(tài)曲線圖

由圖9～11可以看出，最大開挖線的收斂值較上臺階的收斂值大，其中最大收斂值發(fā)生在YK214+005處，為125.9 mm[5]；上臺階的最大收斂值為90.5 mm[5]；下臺階的開挖以及仰拱的施作對凈空收斂值影響不大。

2.2曲墻式區(qū)段監(jiān)測分析

曲墻式區(qū)段共埋設(shè)了3個斷面，3個斷面的拱頂下沉值時態(tài)曲線如圖12、圖14和圖16所示，拱頂下沉值速率曲線如圖13、圖15和圖17所示，凈空收斂值時態(tài)曲線如圖18～20所示。

圖12　YK213+902拱頂下沉值時態(tài)曲線圖

圖13　YK213+902拱頂下沉值速率曲線圖

圖14　YK213+897拱頂下沉值時態(tài)曲線圖

圖15　YK213+897拱頂下沉值速率曲線圖

圖16　YK213+880拱頂下沉值時態(tài)曲線圖

圖17　YK213+880拱頂下沉值速率曲線圖

由圖12～17可以看出，支護結(jié)構(gòu)的作用較直墻式明顯，拱部下沉整體偏小，最大下沉值發(fā)生在YK213+902斷面的右拱腰位置，為80.5 mm[5]；拱頂?shù)南鲁林递^左右拱腰的下沉值小些，最大拱頂下沉值為65.6 mm[5]；可見拱腰處變形較大，需要加強支護，控制好左、右拱腰的下沉是施工中的關(guān)鍵。

由圖18～20可以看出，仰拱施作后隧道的凈空收斂基本上趨于穩(wěn)定，最大開挖線的收斂值較上臺階的收斂值大，其中最大開挖線的最大收斂值為99.3 mm；上臺階的最大收斂值為55.5 mm[4]；下臺階的開挖以及仰拱的施作對凈空收斂值影響不大。

圖18　YK213+902凈空收斂值時態(tài)曲線圖

圖19　YK213+897凈空收斂值時態(tài)曲線圖

圖20　YK213+880凈空收斂值時態(tài)曲線圖

2.3數(shù)據(jù)對比分析

本小節(jié)結(jié)合實例隧道具體的開挖方法和支護方式，對兩種斷面形式的圍巖變形進行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)進行處理和分析，直墻式和曲墻式共6個斷面監(jiān)測的位移統(tǒng)計如表1所示。

表1　監(jiān)控量測數(shù)據(jù)匯總表

通過以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

三臺階七步法施工，中臺階和下臺階左右部開挖順序的不同會導(dǎo)致左右拱腰下沉值的不同；曲墻式斷面的拱部下沉值和凈空收斂比直墻式斷面的小，且曲墻式斷面的下沉較均勻；曲墻式相比于直墻式，由于邊墻受力更均勻，其對隧道拱腳下沉量的改善較大，較好地控制了拱腳的下沉；上臺階開挖引起的拱部下沉位移值較中、下臺階開挖引起的位移值小，仰拱施工后隧道的變形較小[6]；可見，盡量縮短中、下臺階的作業(yè)時間和開挖后的支護時間以及仰拱的及時閉合對控制隧道的圍巖變形能起到很好的作用。

3　結(jié)語

本文依托實例工程，對該工程隧道直墻段和曲墻段進行變形量測(拱頂下沉和凈空收斂)，分析實測數(shù)據(jù)后可知：曲墻式隧道結(jié)構(gòu)比直墻式設(shè)計更合理，其對隧道拱腳下沉值的改善較大，較好地控制了拱腳的下沉，結(jié)構(gòu)受力較為理想。直邊墻隧道設(shè)計、施工相對曲邊墻形式較簡單且造價低，但考慮到隧道襯砌合理受力及安全要優(yōu)先選用曲邊墻形式。

[1]王亞奇.大跨度公路隧道受力狀態(tài)監(jiān)測及分析研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[2]胡小明.明埡子隧道斷面形式的對比與應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[3]姚軍.明埡子隧道軟巖大變形防治措施[J].山西建筑，2014(22)：194-195.

[4]JTG/T D70-2010，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[5]肖君瑞.明埡子隧道圍巖變形及合理支護結(jié)構(gòu)的研究[D].西安：長安大學(xué)，2010.

[6]張濤.軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿(管)支護特性研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

Section Form Comparison and Analysis of A Large-section Tunnel

HU Xiao-ming，JIANG Wen-ling，PENG Peng

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Relying on a large-section soft-rock tunnel，and combined with actual measured data obtained from deformation measurements on straight wall and curved wall segments of this tunnel(arch top set-tlement and clearance convergence)，this article analyzed the influence of the construction using the dif-ferent cross-section forms on the deformation of tunnel lining structure，and proposed that the curved sidewall is the more reasonable，safe and stable hole type，thereby providing the reference and basis for tunnel design and construction.

Tunnel；Section forms；Structural deformation

2016-05-30

U452

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.019

1673-4874(2016)06-0074-04

胡小明(1988—)，助理工程師，研究方向：橋梁與隧道工程設(shè)計及咨詢；

江文凌(1988—)，助理工程師，研究方向：公路設(shè)計；

彭鵬(1988—)，助理工程師，研究方向：橋梁設(shè)計、咨詢。