大斷面國(guó)道隧道穿越接觸帶段施工開挖計(jì)算分析

■徐禮華 童淑萍

(撫州市公路局黎川分局，黎川 34460)

大斷面國(guó)道隧道穿越接觸帶段施工開挖計(jì)算分析

■徐禮華 童淑萍

(撫州市公路局黎川分局，黎川 34460)

本文以江西某隧道工程穿越不整合接觸帶區(qū)段的施工方案為例,選定計(jì)算模型及開挖模型后，依次改變導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖深度三個(gè)方面計(jì)算隧道拱頂沉降量、水平收斂度并進(jìn)行分析對(duì)比，最后確定最佳的導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖深度等重要參數(shù)，施工方案由實(shí)際施工效果驗(yàn)證，表明方案的可行性。

大斷面國(guó)道隧道 接觸帶 施工方案 開挖高度

1 引言

在國(guó)道施工中，因穿越多種地質(zhì)地貌，所遇特殊區(qū)段多種多樣，施工情況較為復(fù)雜。針對(duì)特殊情況，需要考慮工程實(shí)際情況選用經(jīng)濟(jì)合理的施工方案。當(dāng)國(guó)道中隧道工程穿越接觸帶段時(shí)需要考慮的情況較多，研究此種特殊情況下的施工方案，為國(guó)道類似的施工提供參考。

國(guó)內(nèi)關(guān)于國(guó)道隧道施工的研究相對(duì)較多，并取得一定成果。鐘元慶[1]針對(duì)隧道穿越國(guó)道的情況，應(yīng)用淺埋暗挖法控制地表下沉量，以維持國(guó)道交通運(yùn)營(yíng)正常。趙紀(jì)平[2]解決隧道穿越高速公路、國(guó)道等問題，借助CRD法開挖、支護(hù)，并進(jìn)行后期監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行反饋式施工。蘇興矩[3]對(duì)于隧道工程穿越國(guó)道的情況，采用爆破減震技術(shù)降低對(duì)國(guó)道交通的影響，保證運(yùn)行安全。熊慧中[4]等人借助大型有限元軟件進(jìn)行施工數(shù)值模擬，前期分析隧道工程穿越國(guó)道中各力學(xué)參數(shù)，利用大管棚超前支護(hù)、中導(dǎo)洞-雙側(cè)導(dǎo)洞法與地層注漿法，有效控制地面下沉量。

本文以江西某隧道工程通過不整合接觸帶區(qū)段的施工方案進(jìn)行探討分析。選定計(jì)算模型及開挖模型后，依次改變導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度三個(gè)方面計(jì)算隧道拱頂沉降量、水平收斂并進(jìn)行分析對(duì)比。最后確定最佳的導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度等相關(guān)參數(shù)，其實(shí)際施工效果驗(yàn)證了方案的可行性。

2 項(xiàng)目情況

某隧道是江西省內(nèi)320國(guó)道中西南山區(qū)重要的一條隧道，其總體軸線方向是211～215°右線公里標(biāo)范圍K159+456～K159+715段與左線公里表范圍K159+451～K159+720段斜穿不整合接觸帶，方向夾角120°，其厚度達(dá)11.5m，坡度20°，隧道埋深范圍是55～100.2m。山體地質(zhì)為碎裂巖，泥質(zhì)膠結(jié)。

某隧道斜穿接觸帶應(yīng)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑方式，每個(gè)導(dǎo)洞掌子面間隔距離8.5m，并且每次開挖高度2.5m。前期階段支護(hù)斷面選用直徑30mm的中空注漿錨桿，長(zhǎng)度是4.25m，選定I23a型鋼拱架，間距70cm放置，并在其上掛置兩層直徑是10mm的鋼筋網(wǎng)，布設(shè)成邊長(zhǎng)為25cm的方形，表面噴30cm厚度的C30型噴射混凝土，確定噴射55cm厚度的C25型鋼筋混凝土實(shí)現(xiàn)二次襯砌。應(yīng)用I14型鋼拱架以間隔55cm布設(shè)，并掛置兩層直徑是10mm的鋼筋網(wǎng)布設(shè)成邊長(zhǎng)為25cm的方形，表面噴20cm厚度的C325型噴射混凝土實(shí)現(xiàn)側(cè)導(dǎo)洞支護(hù)。

3 計(jì)算模型選定

(1）計(jì)算模型與參數(shù)標(biāo)定

在確定施工方案前，必須依據(jù)工程實(shí)際情況計(jì)算其各參數(shù)。工程情況如下：隧道埋深是85m，超前注漿厚度是2.1m，拱墻網(wǎng)噴混凝土32cm。模型大小是X=160m，Y=25m，Z=128m，模型網(wǎng)格劃分見圖1，其中包含126328個(gè)單元和22548個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了結(jié)合工程實(shí)際及計(jì)算方便，應(yīng)用摩爾-庫倫模型進(jìn)行計(jì)算，各計(jì)算參數(shù)值具體如表1所示。

表1 各計(jì)算參數(shù)表

圖1 隧道網(wǎng)絡(luò)模型

(2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

隧道穩(wěn)定性指標(biāo)選定圍巖位移，為消除計(jì)算模型邊界效應(yīng)，其研究斷面選在模型中部，并分別在中導(dǎo)洞、左側(cè)導(dǎo)洞、右側(cè)導(dǎo)洞拱頂布設(shè)1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在拱腳出設(shè)置一條水平收斂測(cè)線，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見圖2.

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合工程實(shí)際情況，為了保證施工安全在施工前對(duì)導(dǎo)洞開挖次序、每次開挖高度以及掌子面的間隔距離依據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算，分析方案可行性。

(1）導(dǎo)洞開挖次序分析

在選定的模型中，導(dǎo)洞開挖每次深度是1.2m，掌子面間隔距離是4.5m。設(shè)定導(dǎo)洞開挖次序依次是1-2-3-4-5-6(1)、3-4-1-2-5-6(2)、5-6-1-2-3-4(3)、5-6-3-4-1-2(4)、1-2-5-6-3-4(5)，計(jì)算上述5種開挖次序下的拱頂沉降量、水平收斂，對(duì)比分析。

①拱頂沉降

在導(dǎo)洞5種開挖次序下，進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)洞1.、3、5拱頂沉降隨開挖步變化的趨勢(shì)變化，具體見圖3～5。

圖3 導(dǎo)洞3拱頂沉降量情況

圖4 導(dǎo)洞1拱頂沉降量情況

圖5 導(dǎo)洞3拱頂沉降量情況

由圖3～圖5得到，監(jiān)測(cè)導(dǎo)洞沉降量隨開挖步數(shù)增加分為三個(gè)階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn)；條件1、2、5與3、4比較，其拱頂沉降快速增加階段長(zhǎng)，其增長(zhǎng)斜率較小，各導(dǎo)洞穩(wěn)定后增長(zhǎng)斜率下降并逐漸趨于零。

在導(dǎo)洞貫通后監(jiān)測(cè)導(dǎo)洞1、3、5在各條件下趨于收斂后的沉降情況如表2所示。

表2 導(dǎo)洞1、3、5各開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

由表2可知，在1、2條件下各導(dǎo)洞沉降量均達(dá)到最小，條件1下拱頂沉降量范圍是24.8～31.7mm，條件2下拱頂沉降量范圍是23.2～31.7mm，導(dǎo)洞5在條件1、2條件下導(dǎo)洞沉降量一致，導(dǎo)洞1在條件1下優(yōu)于條件2下10.1%，導(dǎo)洞3在條件2下優(yōu)于條件1下12.4%；條件1、2下拱頂沉降量?jī)?yōu)于其他條件下拱頂沉降量，條件1、2下拱頂沉降量?jī)?yōu)于條件3、4沉降量24.3%～42.6%，條件1、2下拱頂沉降量?jī)?yōu)于條件5沉降量0%～32.7%

②水平收斂

不同開挖次序下隧道水平收斂隨開挖步數(shù)變化而變化情況，如圖6所示。

圖6 水平收斂隨開挖步數(shù)變化趨勢(shì)圖

由圖6可知，監(jiān)測(cè)水平收斂與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，并且分為三個(gè)階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn)；條件1、2、5比條件3、4下隧道收斂快速增加階段變短，且增長(zhǎng)斜率降低，隧道穩(wěn)定后的水平收斂下降明顯；條件1下水平收斂最小，達(dá)到16.8mm，其余4個(gè)條件下水平收斂均高于條件1，尤其是條件3、4水平收斂比條件1下水平收斂高出很多，這表明開挖次序采用先挖中間后再兩邊的順序造成水平收斂很大。

綜合上述拱頂沉降量與水平收斂的考慮，最終確定條件下的開挖次序1-2-3-4-5-6。

(2）掌子面的間隔距離

選定導(dǎo)洞開挖次序1-2-3-4-5-6，每次開挖高度是1.2m，在條件1下選定掌子面間隔距離是4m，改變掌子面間隔距離8m設(shè)為條件6，檢測(cè)兩種條件下的拱頂沉降量與水平收斂，開挖示意圖見圖7。

圖7 條件1、6下開挖示意圖

①拱頂沉降情況

檢測(cè)導(dǎo)洞1、3、5在條件1、6下的拱頂沉降量，并分析其與開挖步數(shù)之間的關(guān)系，具體情況見圖8～10。

圖8 導(dǎo)洞5拱頂沉降量情況

圖9 導(dǎo)洞1拱頂沉降量情況

圖10 導(dǎo)洞3拱頂沉降量情況

由圖8～圖10可知，監(jiān)測(cè)導(dǎo)洞沉降量與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，并且分為三個(gè)階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn)；條件6與條件1相比，導(dǎo)洞1、3、5拱頂沉降的快速增加階段變長(zhǎng)，其斜率變化變小，導(dǎo)洞1、3、5穩(wěn)定后的變形值與條件1相差不多。

在導(dǎo)洞貫通后監(jiān)測(cè)導(dǎo)洞1、3、5在各條件下趨于收斂后的沉降情況如表3所示。

表3 導(dǎo)洞1、3、5各開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

由表3可知，條件6下監(jiān)測(cè)導(dǎo)洞拱頂沉降量范圍是25.53～32.75mm，條件1下監(jiān)測(cè)導(dǎo)洞拱頂沉降量范圍是24.56～31.59mm，條件6下導(dǎo)洞拱頂沉降量比條件1下導(dǎo)洞拱頂沉降量略有下降，其下降幅度不大，表明掌子面間隔距離增大對(duì)拱頂沉降量增加幅度不大。

②水平收斂

在條件1、6下隧道水平收斂與開挖步數(shù)變化關(guān)系見圖11。

圖11 條件1、6下隧道水平收斂與開挖步數(shù)變化

由圖11可知，監(jiān)測(cè)水平收斂與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，并且分為三個(gè)階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn)；條件6下與條件1下比較，隧道水平收斂快速增加階段加長(zhǎng)，但其增長(zhǎng)斜率變化微小，隧道穩(wěn)定厚度水平收斂增加；條件6下水平收斂是19.40mm，條件1下水平收斂是16.95mm，條件6下比條件1下水平收斂增長(zhǎng)幅度不大，這表明增大掌子面間隔距離對(duì)增大水平收斂效果不明顯。

綜上條件1、6下對(duì)拱頂沉降量與水平收斂的對(duì)比分析，可以看出選用掌子面間隔距離是4m比掌子面間隔距離是8m的條件下位移控制效果不明顯，結(jié)合工程投資及施工周期考慮，選用8m作為掌子面間隔距離。

(3）循環(huán)進(jìn)尺距離

導(dǎo)洞開挖次序1-2-3-4-5-6，掌子面間隔距離是4m，在條件1下定每次開挖高度1.2m，取得每次開挖高度2.4m為條件7，監(jiān)測(cè)條件1、7下拱頂沉降量、水平收斂進(jìn)行對(duì)比分析。

①拱頂沉降情況

變化每次開挖高度不影響拱頂沉降量，在條件1、7下導(dǎo)洞1、3、5拱頂沉降量與開挖步數(shù)變化情況和圖8～10中條件1一致。以導(dǎo)洞5為例，其拱頂沉降量變化情況見圖12。

圖12 導(dǎo)洞5拱頂沉降情況

由圖12可知，可以得到如下結(jié)論：條件1與條件7下導(dǎo)洞5的拱頂沉降量基本一致，監(jiān)測(cè)導(dǎo)洞沉降量與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，并且分為三個(gè)階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn)；條件7下拱頂沉降量大于條件1下拱頂沉降量。

導(dǎo)洞1、3、5在貫通后趨于收斂時(shí)其拱頂沉降情況如表4中數(shù)據(jù)。

表4 不同開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

由表4可知，條件1下拱頂沉降量范圍是24.83～31.75mm，條件7下拱頂沉降量范圍是27.34～34.49mm，條件7下拱頂沉降量比條件1下拱頂沉降量增長(zhǎng)幅度不大，表明每次開挖高度對(duì)拱頂沉降量影響微小。

②水平收斂

在條件1、7下各導(dǎo)洞水平收斂情況見圖13。

圖13 水平收斂情況

由圖13可知，監(jiān)測(cè)水平收斂與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，并且分為三個(gè)階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn)；在快速增加階段，條件7下導(dǎo)洞 拱頂沉降量增長(zhǎng)斜率高于條件1下，且隧道穩(wěn)定后水平收斂值增加；條件1下水平收斂是16.95mm，條件7下水平收斂是22.30mm，條件7下水平收斂比條件1下水平收斂增加幅度不大，即表明縮小每次開挖高度對(duì)水平收斂影響不明顯。

綜上對(duì)導(dǎo)洞 1、3、5分別在條件 1、7下的拱頂沉降量、水平收斂的對(duì)比分析，得到增加每次開挖高度對(duì)控制導(dǎo)洞位移效果不大的結(jié)論，確定為每次開挖高度是2.4m。

5 施工效果

綜合考慮導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度3個(gè)因素的影響，，上述試驗(yàn)結(jié)果分析可得到改變導(dǎo)洞開挖次序可有效降低隧道位移量，改變掌子面與每次開挖高度對(duì)隧道位移量降低效果不明顯。結(jié)合工程投資及工程實(shí)際情況，江西某隧確定方案是：不整合接觸帶段時(shí)導(dǎo)洞開挖次序是1-2-3-4-5-6，掌子面間隔距離是8m，每次開挖高度是2.4m。

該隧道工程自2015年6月開工后，216年9月份竣工，后期布設(shè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)不整合接觸帶區(qū)段隧道拱頂沉降量在16.2～26.5mm范圍波動(dòng)，符合施工設(shè)計(jì)要求，并成功取得專家評(píng)審。

6 結(jié)論

本文就江西某隧道工程通過不整合接觸帶區(qū)段的施工方案進(jìn)行探討。選定計(jì)算模型及開挖模型后，依次改變導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度三個(gè)方面計(jì)算隧道拱頂沉降量、水平收斂并進(jìn)行分析對(duì)比，最后確定最佳的導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度等關(guān)鍵參數(shù)。施工方案的實(shí)施效果達(dá)到施工要求，表明施工方案的可行性。

[1]鐘元慶.金雞嶺隧道下穿G205國(guó)道施工技術(shù)[J].中外公路，2008，(03)：136-138.

[2]趙紀(jì)平.超淺埋隧道下穿高速公路、國(guó)道施工技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2009，(04)：441-445+465.

[3]蘇興矩.隧道下穿超淺埋國(guó)道的爆破減震技術(shù)[J].公路，2010，(06)：237-240.

[4]熊慧中，王平，呂鑫，李旺旺.超淺埋大跨度連拱隧道下穿國(guó)道沉降控制研究[J].公路工程，2014，(06)：25-28+55.