汕湛公路隧道施工方案優(yōu)化選擇

崔向陽 ，丁 浩 ，陳 杰

（1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道越來越多的出現(xiàn)在各個(gè)地方高速公路的建設(shè)中。而山嶺隧道中圍巖穩(wěn)定性差，偏壓等特點(diǎn)使得山嶺隧道在修建過程中施工方法、監(jiān)測方案的合理運(yùn)用變得尤為重要[1]，在加快施工進(jìn)度、保證施工安全、節(jié)約資金方面都起到了顯著的作用。因此，有效處理措施的合理運(yùn)用對(duì)后面類似隧道的建設(shè)有較大的指導(dǎo)作用[2]。

圍巖穩(wěn)定性較差隧道的施工方法，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用理論與數(shù)值模擬在隧道開挖方面做了以下研究：徐瑞寧運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)昔格達(dá)組地層上仿真模擬了5種隧道施工工況，得出了設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為10～15 cm、10 cm以內(nèi)時(shí)分別采用三臺(tái)階法和CRD法[3]。舒東利等通過調(diào)研分析和滲流場-附加膨脹應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，得出了臺(tái)階法更加適合隧道開挖且開挖進(jìn)尺小于等于1.5 m[4]。卿偉宸等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場檢測對(duì)烏蒙山特大跨度四線鐵路研究，表明運(yùn)用撐索轉(zhuǎn)換和以索代撐等方式實(shí)現(xiàn)了特大跨度隧道臺(tái)階法施工[5]。牟智恒等通過比選臺(tái)階法、CRD法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，得出了CRD法在保證安全性方面優(yōu)于其他兩種工法，且在淺埋偏壓條件下先開挖淺埋側(cè)更能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[6]。

對(duì)圍巖穩(wěn)定性差的隧道施工工法雖然也做了以上研究，但是沒有全面、系統(tǒng)地對(duì)實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)、監(jiān)測部位等因素進(jìn)行分析[7]。本文從汕湛高速公路惠州至清遠(yuǎn)段TJ4標(biāo)段入手，分析了該項(xiàng)工程楓樹坳隧道中3種不同的施工方案和經(jīng)濟(jì)性，通過數(shù)值模擬比選出了合適的施工工法，并對(duì)隧道施工實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，總結(jié)出了在安全、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上各種工法的使用條件[8-11]。

1 工程概況

楓樹坳隧道穿越丘陵地貌區(qū)，小凈距分離式隧道，左線隧道起迄里程ZK68+024—ZK68+770，長746 m，右線隧道起迄里程K68+020—K68+770，進(jìn)口段洞門采用端墻式，洞門設(shè)計(jì)標(biāo)高302.88 m，出口端洞門采用端墻式，楓樹坳隧道隧址區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較弱，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定；淺部巖石分化裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，深部節(jié)理裂隙一般發(fā)育-較發(fā)育，主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙，不利于隧道圍巖穩(wěn)定。

1.1 工程監(jiān)測重難點(diǎn)項(xiàng)目

楓樹坳隧道安全專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)為高度風(fēng)險(xiǎn)Ⅲ級(jí)，隧道淺埋段落較長，地表下沉監(jiān)控量測為監(jiān)測重點(diǎn)。

1.2 采取的針對(duì)性措施

1.2.1 洞門措施

預(yù)埋沉降觀測點(diǎn)，及時(shí)監(jiān)測山體下滑坍塌；應(yīng)做到早刷坡、早支護(hù)、早封閉，有效控制破碎帶失穩(wěn)；邊仰坡采取藥卷錨桿防護(hù)，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上合理調(diào)整坡度比例，保證邊坡穩(wěn)定。

加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，做好洞內(nèi)外防排水工作；開挖后及時(shí)施做二次襯砌并做好監(jiān)控量測。

1.2.2 掌子面監(jiān)測措施

拍照對(duì)掌子面做出準(zhǔn)確素描，以便及時(shí)有效地監(jiān)控，防止圍巖發(fā)生大變形造成安全隱患；嚴(yán)格按照施工圖進(jìn)行施工，為防止暗挖斷下沉，開挖時(shí)按照要求做好初期支護(hù)，做好監(jiān)控量測工作。

備用搶險(xiǎn)機(jī)械設(shè)備、搶險(xiǎn)物資，發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)處理，洞外及時(shí)加固和做好交通疏解；按照“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測量”的方針組織施工。

1.2.3 隧道偏壓措施

在隧道偏壓段范圍內(nèi)采用鋼管樁注漿加固，防止隧道開挖后偏壓加劇引起隧道變形等危害，加強(qiáng)地表下沉監(jiān)測。適當(dāng)減小測點(diǎn)步距，增加監(jiān)控量測頻率。

1.3 開挖綜合進(jìn)度分析

不同的施工工法所對(duì)應(yīng)的隧道開挖綜合進(jìn)度指標(biāo)見表1所示。

表1 隧道開挖綜合進(jìn)度指標(biāo)表

根據(jù)以上隧道開挖綜合進(jìn)度指標(biāo)得出：三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法施工空間大，方便機(jī)械施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)，功效較高；單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效率提高了一倍。

1.4 安全質(zhì)量分析

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法斷面分塊多，施工相互干擾大，且雙側(cè)壁導(dǎo)坑上緣尖而窄，成形、出渣及施作系統(tǒng)錨桿很困難。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法需對(duì)側(cè)壁導(dǎo)坑靠核心土一側(cè)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)采用Ф22藥卷錨桿（帶鋼墊板）、I18鋼拱架和Ф50超前注漿小導(dǎo)管，工序多、繁雜、進(jìn)度緩慢、安全系數(shù)高。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支護(hù)待監(jiān)控量測證明圍巖穩(wěn)定后才可拆除，拆除難度大，容易對(duì)已穩(wěn)定圍巖進(jìn)行二次擾動(dòng)，有安全隱患。

三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法就是將大斷面劃分成自上而下3個(gè)小單元進(jìn)行開挖，縮小開挖斷面；采用臨時(shí)仰拱就是使每個(gè)小單元及時(shí)封閉成環(huán)，形成環(huán)向受力，有效地發(fā)揮初期支護(hù)整體受力效果，保護(hù)圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形，阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱開挖法分塊少，各部開挖及支護(hù)自上而下，步步成環(huán)，及時(shí)封閉，各分部封閉成環(huán)時(shí)間短，臨時(shí)仰拱能有效阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平收斂，減少隧道圍巖變形。且三臺(tái)階法上、中、下臺(tái)階同時(shí)進(jìn)行施工互不干擾，施工空間大，施作方便，系統(tǒng)錨桿的施工質(zhì)量容易得到保證，且施工工期較短。三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法下臺(tái)階和中臺(tái)階拉開10 m，下臺(tái)階對(duì)中臺(tái)階能起到核心土作用；中臺(tái)階和上臺(tái)階拉開10 m，中臺(tái)階對(duì)上臺(tái)階起到核心土作用，安全上得到保證。

單側(cè)壁導(dǎo)坑法就是將大斷面劃分成2個(gè)小洞4個(gè)單元進(jìn)行開挖，每個(gè)導(dǎo)坑能更快成環(huán)，形成環(huán)向受力，有效地發(fā)揮初期支護(hù)整體受力效果，保護(hù)圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形，阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，后行洞鋼架是直接與先行洞鋼架進(jìn)行對(duì)接，就不會(huì)出現(xiàn)鋼架連接不順暢的情況，再加上左右側(cè)步距較雙側(cè)壁短，能夠更早地讓初支、二次襯砌成環(huán)，更能保障施工安全，施工工期處于雙側(cè)壁導(dǎo)坑及三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱之間。

根據(jù)以上安全質(zhì)量分析得出：三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法可以使每個(gè)單元及時(shí)封閉成環(huán)，有效地抑制圍巖變形，安全上可以得到保證；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中相互干擾，會(huì)造成二次擾動(dòng)，有安全隱患。

1.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

采取3種不同的施工工法施工時(shí)，不同的項(xiàng)目實(shí)施過程中所用材料的數(shù)量和造價(jià)見表2所示。

表2 隧道開挖經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)比對(duì)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法每延米導(dǎo)洞支護(hù)費(fèi)用為1.57萬元，三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法每延米支護(hù)費(fèi)用為1.45萬元，單側(cè)壁導(dǎo)坑法每延米導(dǎo)洞支護(hù)費(fèi)用為1.496萬元。因此，使用三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法可以節(jié)約費(fèi)用，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法花費(fèi)最大。

2 不同工法數(shù)值模擬分析

實(shí)際工程中由于經(jīng)濟(jì)、安全、質(zhì)量等因素對(duì)不同的施工工法會(huì)有一定的制約。為尋求合適的工法，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)隧道采用的CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步開挖法3種工法進(jìn)行數(shù)值模擬，通過各種的變形特征進(jìn)行比較，得出優(yōu)選工法。

2.1 圍巖參數(shù)選取

系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管注漿的效果采用模擬其支護(hù)效果的方式來進(jìn)行近似，具體的方法為采取提高加固圈的參數(shù)來進(jìn)行表達(dá)支護(hù)措施對(duì)圍巖的強(qiáng)化效果。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，本次圍巖加固圈c、ψ值按提高30%考慮。數(shù)值模擬中采用的實(shí)體單元等效剛度等參數(shù)見表3所示。

表3 實(shí)體單元等效剛度參數(shù)

2.2 圍巖塑性區(qū)情況

運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)不同施工工法下隧道圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行模擬。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法塑性區(qū)分布情況見圖1所示；三臺(tái)階七步開挖法塑性區(qū)分布情況見圖2所示；CD法開挖塑性區(qū)分布情況見圖3所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法塑性區(qū)分布

由以上工法隧道圍巖塑性區(qū)分布情況以及安全質(zhì)量分析得出：三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法可以使每個(gè)單元及時(shí)封閉成環(huán)，有效地抑制圍巖變形，安全上可以得到保證；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中相互干擾，會(huì)造成二次擾動(dòng)，有安全隱患。因此，應(yīng)對(duì)塑性區(qū)的地方應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測，加強(qiáng)支護(hù)，隧道應(yīng)早日封閉成環(huán)。

2.3 圍巖裂縫情況

圖2 三臺(tái)階七步開挖法塑性區(qū)分布

圖3 CD法開挖塑性區(qū)分布

針對(duì)3種施工工法的開挖特點(diǎn)，分別在楓樹坳隧道拱頂、拱腳處對(duì)隧道拱頂沉降、水平位移點(diǎn)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4所示。

表4 3種施工工況監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂最大沉降最大，位移發(fā)生在左右側(cè)壁拱腳處；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制圍巖變形能力較好，適用于圍巖自穩(wěn)能力差的隧道。三臺(tái)階七步開挖法拱頂最大沉降12.3 mm，適用于圍巖自穩(wěn)能力較好的隧道；CD法介于兩者之間。數(shù)值模擬情況與實(shí)際情況相符，施工中應(yīng)勤測量、早支護(hù)，注意拱腳處強(qiáng)度。

總結(jié)以上分析得出，從塑性區(qū)分布和安全質(zhì)量方面得出三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法可以使每個(gè)單元及時(shí)封閉成環(huán)，有效地抑制圍巖變形，安全上可以得到保證；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中相互干擾，會(huì)造成二次擾動(dòng)，有安全隱患；但從監(jiān)測數(shù)據(jù)看三臺(tái)階法拱頂最大沉降最大，適用于圍巖條件較好的情況；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制圍巖變形能力較好，適用于圍巖自穩(wěn)能力差的隧道；CD法介于兩者之間；另外經(jīng)濟(jì)效益方面雖雙側(cè)壁法花費(fèi)較大，但是3種工法相差不大。因此，在圍巖條件差時(shí)采用雙側(cè)壁法施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，早日支護(hù)，控制圍巖變形，加強(qiáng)對(duì)拱腳支護(hù)，保證施工安全。

3 結(jié)論

通過以上對(duì)楓樹坳、大坪、烏樹頭隧道的綜合分析，研究不同圍巖條件下的施工工法、經(jīng)濟(jì)性、安全性的特點(diǎn)，探究適用于圍巖穩(wěn)定性差的隧道的施工工法，得出以下結(jié)論：

a）總結(jié)以上開挖隧道的安全質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬分析后的結(jié)果，該工程中主洞洞身段Ⅴ級(jí)淺埋段、土質(zhì)圍巖段或風(fēng)化、破碎較為嚴(yán)重的洞口段地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，雖花費(fèi)較大但是能保證施工安全；Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，相對(duì)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法速度提升了一倍且經(jīng)濟(jì)性較好；Ⅳ級(jí)深埋硬質(zhì)巖段采用三臺(tái)階法開挖施工，施工進(jìn)度快，更加經(jīng)濟(jì)。

b）該工程中隧道3種施工工法雖然雙側(cè)壁法月進(jìn)度只有12.5 m，但相對(duì)其他工法安全，因該工程采用雙側(cè)壁法且左、右導(dǎo)坑宜保持一倍洞跨以上距離，建議按不小于15 m選擇左、右導(dǎo)坑縱向錯(cuò)距。中導(dǎo)坑與后行導(dǎo)坑m距離不宜小于一倍洞跨，建議中導(dǎo)坑與后行導(dǎo)坑縱向距離為15～20 m。

c）為防掌子面坍塌，噴射混凝土應(yīng)緊跟開挖作業(yè)面，及早封閉巖面，必要時(shí)用噴混凝土封閉掌子面和預(yù)留核心土，分部開挖等應(yīng)急方案。

d）對(duì)于隧道開挖不能只關(guān)注經(jīng)濟(jì)方面因素，雖三臺(tái)階法施工方便且速度較快，但控制圍巖變形方面效果較差；在隧道施工中應(yīng)更加關(guān)注安全性因素和開挖過程中圍巖塑性區(qū)分布及監(jiān)控量測等因素，綜合分析掌握每種施工工法要點(diǎn)，保證施工質(zhì)量和安全，防止隧道開挖過程中變形過大，發(fā)生垮塌。