四車道特大斷面大跨度隧道的開挖與支護(hù)力學(xué)性能研究

趙 倩

(湖北商貿(mào)學(xué)院, 湖北 武漢 430079)

四車道特大斷面大跨度隧道的開挖與支護(hù)力學(xué)性能研究

趙 倩

(湖北商貿(mào)學(xué)院, 湖北 武漢 430079)

以某單洞四車道高速公路隧道為背景，對(duì)車道特大斷面大跨度隧道的開挖與支護(hù)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：開挖前期，圍巖均有較大的沉降速率及量值，對(duì)拱頂位置位移影響較大的是隧道上部分的開挖。在施工過程中，對(duì)上部結(jié)構(gòu)支護(hù)進(jìn)行合理確定，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行及時(shí)封閉可有效控制圍巖變形。在K5+530-K5+660的里程范圍內(nèi)，沉降值最大為34 mm，地質(zhì)條件越差，開挖的斷面就越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)也就越簡(jiǎn)單，圍巖變形就會(huì)越大。隧道斷面左、右拱肩測(cè)點(diǎn)的壓力均先增大最后趨于平穩(wěn)。埋深條件相同，左洞和右洞圍巖壓力水平及分布規(guī)律是一致的，相鄰側(cè)拱部的壓力比另一側(cè)的要大，拱頂最大壓力為0.27 MPa，外側(cè)邊墻的壓力最小，為0.06 MPa；在應(yīng)力變化過程中，鋼拱架左拱肩處最大應(yīng)力為45 MPa，左拱腰處最大應(yīng)力為 32 MPa，說明開挖過程中形成了壓力拱結(jié)構(gòu)，圍巖自承能力得到有效地發(fā)揮。

隧道； 開挖； 支護(hù)； 力學(xué)性能

隨著我國高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸也隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在逐步提高，公路隧道中，傳統(tǒng)的單洞兩車道已不能滿足交通需要[1-4]。全國各地為適應(yīng)多車道高速公路的建設(shè)，目前已建成多個(gè)大斷面隧道。單洞四車道特大斷面大跨度隧道的結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜、同時(shí)具有多樣化的施工方法[5]。

隧洞開挖與支護(hù)實(shí)質(zhì)是巖土與結(jié)構(gòu)的相互作用。開挖與支護(hù)的參數(shù)要根據(jù)隧洞的尺寸、形狀、受力、襯砌剛度、圍巖特點(diǎn)、開挖順序等確定[6-8]。單洞四車道隧道圍巖所受壓力較大，由于施工期間轉(zhuǎn)換工序多，同時(shí)開挖隧道會(huì)多次擾動(dòng)圍巖，因此圍巖和隧道極易出現(xiàn)失穩(wěn)及結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象[9-11]。目前國內(nèi)外都加強(qiáng)了對(duì)四車道大斷面公路隧道的施工管理，重點(diǎn)加強(qiáng)了監(jiān)控量測(cè)、反饋分析等信息化施工動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的落實(shí)，以保證四車道公路隧道的結(jié)構(gòu)安全和圍巖穩(wěn)定[12]。在斷面面積、跨度、扁平率上和圍巖受力、襯砌受力等,四車道隧道與三車道隧道差異明顯，不能用三車道隧道理論去研究四車道隧道，需深入研究四車道隧道[13-15]。本文以某單洞四車道高速公路隧道為背景，對(duì)車道特大斷面大跨度隧道的開挖與支護(hù)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 工程背景

某單洞四車道高速公路隧道，是國道主干線引線工程，正常運(yùn)營車速設(shè)計(jì)為110 km/h。隧道左線長為1225 m，右線長為1196 m，兩洞間距為20 m。隧道最大埋深為87 m，最大開挖寬度為19 m，最大開挖高度為12.6 m，在臨時(shí)支撐處：導(dǎo)洞寬度為6.24 m，核心土寬度為5.7 m。工程地質(zhì)鉆探表明，該隧道有較為簡(jiǎn)單的地層，有些地段的基巖裸露，隧道區(qū)分布有殘坡積物，基巖為二長花崗巖侵入體，各層從上至下依次為：礫質(zhì)亞黏土層、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化和微風(fēng)化二長花崗巖層。隧道以左導(dǎo)洞超前進(jìn)行開挖，隨后進(jìn)行右導(dǎo)洞開挖，核心土最后開挖。該隧道設(shè)計(jì)為復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)為錨桿濕噴鋼纖維混凝土，鋼支撐，注漿小導(dǎo)管等為輔助支護(hù)，圖1為隧道設(shè)計(jì)斷面層順序。

圖1 隧道設(shè)計(jì)斷面層順序Figure 1 the sequence of tunnel design

2 隧道圍巖壓力檢測(cè)

2.1 圍巖斷面層結(jié)構(gòu)

施工開挖方式依據(jù)隧道洞身圍巖等級(jí)進(jìn)行確定，本研究以隧道進(jìn)出口V級(jí)圍巖段K5+660斷面為重點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能分析，K5+660斷面圍巖地質(zhì)共分為四層，分別依次為殘坡積土地質(zhì)層、全風(fēng)化花崗巖地質(zhì)層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地質(zhì)層、弱風(fēng)化花崗巖地質(zhì)層，隧道的位置在第三層的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中。隧道的地下水條件為不均勻的裂隙水性，具有較好的局部透水性，圖2為K5+660斷面圍巖地質(zhì)圖。

圖2 K5+660斷面圍巖地質(zhì)圖Figure 2 The geological condition of surrounding rock mass in crosssection K5+660

2.2 斷面物理學(xué)參數(shù)

表1為K5+660斷面物理力學(xué)參數(shù)。文章中采用正號(hào)表示應(yīng)力為拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)則相反。應(yīng)力繪圖時(shí)，隧道外為正值，隧道內(nèi)為負(fù)值；開挖面未到達(dá)量測(cè)斷面，表示開挖面距離量測(cè)斷面為正值，開挖面到達(dá)量測(cè)斷面，表示開挖面距離量測(cè)斷面為負(fù)值。

表1 K5+660斷面物理力學(xué)參數(shù)Table1 Thephysico?mechanicalparametersforcrosssectionK5+660土層名稱及序號(hào)γ/(kN·m-3)E/GPaμφ/(°)c/kPa殘坡積土—1164013037245138全風(fēng)化花崗巖—22080640282997126強(qiáng)風(fēng)化花崗巖—3187019034209697弱風(fēng)化花崗巖—42592302247541052

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

隧道采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)；采用注漿錨桿、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)為初期支護(hù)；二次襯砌為鋼筋混凝土；超前管棚和超前注漿小導(dǎo)管為輔助措施，圖3為雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖Figure 3 The double side heading method section of the arrangement of the measuring points

2.4 支護(hù)體系應(yīng)力監(jiān)測(cè)

四車道特大斷面大跨度隧道兩洞之間的距離較小，左洞和右洞在施工時(shí)，相互之間會(huì)互相干擾、影響。隧道圍巖、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)受到開挖工序的影響，尤其是中間的核心土，受力更加復(fù)雜，鑒于目前對(duì)于四車道特大斷面大跨度隧道可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)比較少，設(shè)計(jì)及施工方法還不成熟。為保證隧道安全施工，必須要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。根據(jù)公路隧道施工規(guī)范要求，針對(duì)該隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工工藝、地質(zhì)情況，對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)進(jìn)行布置，見圖4所示。

圖4 支護(hù)體系受力監(jiān)測(cè)斷面布置圖(單位： cm)Figure 4 The arrangement of stress monitoring of cross-section for support system(unit： cm)

3 隧道拱頂沉降分析

3.1 拱頂沉降發(fā)展過程分析

圖5為隧道東線K5+660斷面拱頂沉降變化曲線，由圖可知，在隧道斷面初期施工階段，隧道拱頂沉降隨著時(shí)間的增加迅速增大，繼續(xù)延長時(shí)間，拱頂沉降值增加的速度放緩，最后趨于平穩(wěn)，最終穩(wěn)定值為23 mm左右，在55 d左右，隧道變形達(dá)到穩(wěn)定。

圖5 東線K5+660斷面拱頂沉降變化曲線Figure 5 The settlement curve of 5 east section K5+660 vault

3.2 法拱頂沉降量分析

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基本原理是開挖側(cè)壁導(dǎo)坑是在主體隧道的兩側(cè)，此方法對(duì)隧道洞口段和圍巖破碎段比較適合。開挖導(dǎo)坑要盡量不擾動(dòng)圍巖，導(dǎo)坑斷面接近橢圓，避免應(yīng)力過度集中；初期施工，選擇鋼架、掛網(wǎng)等為支護(hù)，利用圍巖自承能力控制圍巖，以免其發(fā)生變形。

圖6為雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的各施工步序引起的沉降占總沉降的比例，由于隧道斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，含有較多的施工步序，隧道變形要受到各步序的影響。施工過程中，左側(cè)導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞施工引起左上導(dǎo)洞拱頂沉降，左上導(dǎo)洞拱頂與右導(dǎo)洞的距離較遠(yuǎn)，因此右導(dǎo)洞開挖對(duì)左上導(dǎo)洞拱頂?shù)挠绊戄^小、擾動(dòng)也較小，監(jiān)控量測(cè)結(jié)果表明左側(cè)導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞對(duì)總變形影響較大，其中左導(dǎo)洞引起的沉降占總沉降的比例為51%～66%，右導(dǎo)洞開挖和中導(dǎo)洞開挖所占比例分別為6%～14%,32%～38%。引起的沉降占總沉降的比例差異較大的原因是隧道跨度較大，地質(zhì)條件有差異、支護(hù)施作時(shí)間不同造成的。

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的拱頂沉降量Figure 6 The double side heading method of the vault settlement

通過對(duì)隧道圍巖變形分析，發(fā)現(xiàn)開挖前期，均有較大的沉降速率及量值，對(duì)拱頂位置位移影響較大的是隧道上部分的開挖。在施工過程中，對(duì)上部結(jié)構(gòu)支護(hù)進(jìn)行合理確定，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行及時(shí)封閉是非常重要的，只有這樣才可發(fā)揮圍巖承載能力，對(duì)圍巖變形進(jìn)行有效控制。

3.3 拱頂沉降縱向分布分析

圖7為Ⅳ級(jí)圍巖段拱頂下沉縱向分布柱狀圖，由圖可知: 在K5+530-K5+620的里程范圍內(nèi)，在里程為530 m時(shí)，其沉降值最大，為34 mm；在里程為620 m時(shí)，其沉降值最小，為7 mm。

圖8為Ⅴ級(jí)圍巖段拱頂下沉縱向分布柱狀圖，在K5+620-K5+660里程范圍內(nèi)，在里程為630 m時(shí)，其沉降值最大，為28 mm。一般來說，地質(zhì)條件越差的地方，開挖的斷面就越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)也就越簡(jiǎn)單，圍巖變形就會(huì)越大。本項(xiàng)目的隧道屬于特大斷面隧道，其拱頂下沉值總體來說是比較小的，這歸結(jié)于隧道的地質(zhì)條件較好，隧道變形易于控制。

圖7 Ⅳ級(jí)圍巖段拱頂下沉縱向分布柱狀圖Figure 7 The section IV rock vault longitudinal distribution histogram

圖8 Ⅴ級(jí)圍巖段拱頂下沉縱向分布柱狀圖Figure 8 The section V rock vault vertical distribution histogram

4 接觸壓力分析

4.1 斷面圍巖和初期支護(hù)壓力變化分析

圖9和圖10為西線K5+660和東線K5+660斷面圍巖和初期支護(hù)壓力變化曲線。隧道斷面左、右拱肩測(cè)點(diǎn)的壓力均呈現(xiàn)先增大，最后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。在埋設(shè)壓力盒初期，圍巖和初襯之間的壓力突增，由于隧道分步施工各工序相互影響，各測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓力出現(xiàn)波動(dòng)，繼續(xù)推進(jìn)撐子面，將重新分布洞周應(yīng)力，因此各接觸點(diǎn)壓力分布趨于穩(wěn)定。

圖9 左洞西線K5+660斷面圍巖和初期支護(hù)壓力變化曲線Figure 9 The left hole K5+660 in west section of rock and initial support pressure curve

圖10 右洞東線K5+660斷面圍巖和初期支護(hù)壓力變化曲線Figure 10 The right hole K5+660 in east section of rock and initial support pressure curve

4.2 圍巖和初期支護(hù)壓力分布分析

圖11為穩(wěn)定后的左洞和右洞圍巖和初期支護(hù)壓力的分布，由圖可知，在埋深條件相同時(shí)，左洞和右洞圍巖壓力水平及分布規(guī)律是一致的，相鄰側(cè)拱部的壓力比另一側(cè)的要大，拱頂最大壓力為0.27 MPa，外側(cè)邊墻的壓力最小，為0.06 MPa，本項(xiàng)目隧道為特大斷面隧道，因?yàn)檩^好的地質(zhì)條件，分部開挖及合理支護(hù)，總體上圍巖壓力值較小。在施工過程中，左右側(cè)導(dǎo)坑施工時(shí)間上是不一致的、交錯(cuò)開挖引起一定偏壓，因此造成斷面圍巖的壓力分部不均勻，左洞超前開挖，圍巖壓力基本對(duì)稱分布。右洞開挖引起偏壓，內(nèi)側(cè)圍巖壓力大于外側(cè)，開挖擾動(dòng)相鄰隧道，增加了先行隧道圍巖壓力，但對(duì)整體分布影響較小。

圖11 圍巖和初期支護(hù)壓力分布(單位： MPa)Figure 11 The distribution of rock and initial support pressure (unit: MPa)

5 鋼支撐受力

圖12為斷面鋼拱架應(yīng)力變化曲線，隧道的左拱肩和左拱腰外側(cè)鋼拱架均為外側(cè)測(cè)點(diǎn)，并都處于受拉狀態(tài)，在前期，鋼拱架應(yīng)力增長比較快，在釋放圍巖應(yīng)力后，噴錨及圍巖發(fā)揮自承能力，約22 d后，鋼拱架內(nèi)力增長放慢，約44 d后，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，左拱肩穩(wěn)定值為42 MPa，左拱腰穩(wěn)定值為29 MPa。在應(yīng)力變化過程中，鋼拱架左拱肩處最大應(yīng)力為45 MPa，左拱腰處最大應(yīng)力為32 MPa，小于容許應(yīng)力，這說明開挖過程中形成了壓力拱結(jié)構(gòu)，圍巖自承能力得到有效地發(fā)揮。

圖12 鋼拱架應(yīng)力變化曲線Figure 12 The steel arch stress curve

6 結(jié)論

① 開挖前期，圍巖均有較大的沉降速率及量值，對(duì)拱頂位置位移影響較大的是隧道上部分的開挖。在施工過程中，對(duì)上部結(jié)構(gòu)支護(hù)進(jìn)行合理確定，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行及時(shí)封閉可有效控制圍巖變形。

② 在K5+530-K5+660的里程范圍內(nèi)，沉降值最大為34 mm，地質(zhì)條件越差，開挖的斷面就越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)也就越簡(jiǎn)單，圍巖變形就會(huì)越大。

③ 隧道斷面左、右拱肩測(cè)點(diǎn)的壓力均呈現(xiàn)先增大，最后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。在埋深條件相同時(shí)，左洞和右洞圍巖壓力水平及分布規(guī)律是一致的，相鄰側(cè)拱部的壓力比另一側(cè)的要大，拱頂最大壓力為0.27 MPa，外側(cè)邊墻的壓力最小，為0.06 MPa；在應(yīng)力變化過程中，鋼拱架左拱肩處最大應(yīng)力為45 MPa，左拱腰處最大應(yīng)力為32 MPa，說明開挖過程中形成了壓力拱結(jié)構(gòu)，圍巖自承能力得到有效地發(fā)揮。

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Study on the Mechanical Properties of Excavation and Support of Large Span Tunnel with Large Cross Section

ZHAO Qian

(Hebei Business College, Wuhan, Hubei 430079, China)

In this paper, a single tunnel four lane highway tunnel as the background, the large cross section of the tunnel excavation and support of the mechanical properties of the mechanical properties were studied.The results show that:in the early stage of excavation, the surrounding rock has a large settlement rate and the amount of value, the impact of the roof displacement of the tunnel is a large part of the excavation.In the course of construction, the upper structure support is reasonably determined, meanwhile, it can effectively control the deformation of surrounding rock. Within the range of K5+530-K5+660, the maximum settlement value is 34 mm, the worse the geological condition is, the larger the cross-section of the excavation, the more simple support structure, the greater the deformation of surrounding rock. The pressure of the measuring points of the left and the right arch of the tunnel section first increases and then tends to be stable. Buried deep under the same conditions, the left hole and a right hole rock pressure level and distribution law is consistent, adjacent to the lateral arch pressure than the other side to large dome, the maximum pressure is 0.27 MPa, side wall pressure minimum is 0.06 MPa; in the process of stress change, steel arch left arch shoulder maximum stress 45 MPa, left arch waist at the maximum stress 32 MPa, excavation in the process of formation of the pressure arch structure, self bearing capacity of surrounding rock effectively play.

tunnel; excavation; support; mechanical properties

2016 — 08 — 29

趙 倩，女(1984-)，湖北武漢人，講師，研究方向：工程管理。

U 45

A

1674 — 0610(2016)06 — 0145 — 05