軟圍巖地質(zhì)條件下山區(qū)高速公路隧道施工技術(shù)

劉 波

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530003)

隨著我國現(xiàn)代化事業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，越來越多的精品工程相繼涌現(xiàn)。以我國隧道工程為例，通過業(yè)內(nèi)專家們數(shù)十載的不斷探索，現(xiàn)已形成比較完善的科研、施工一體化系統(tǒng)，隧道工程的整體施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)處于世界領(lǐng)先地位，具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一大批專利技術(shù)在國內(nèi)外的隧道工程施工中被廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于軟圍巖地質(zhì)條件下的山區(qū)高速公路隧道施工領(lǐng)域而言，技術(shù)還不是很成熟，能獲取的、可應(yīng)用的工程資料并不多，從目前已有的文獻(xiàn)來看，多側(cè)重于軟圍巖地質(zhì)條件下山區(qū)高速公路隧道施工技術(shù)的理論層面的研究，與實(shí)際施工過程的結(jié)合較少，缺乏有力的基礎(chǔ)支撐及實(shí)例認(rèn)證[1-2]。

本文通過對(duì)軟圍巖地質(zhì)特征以及形變特征的詳細(xì)分析，進(jìn)而總結(jié)出在此類地質(zhì)條件下進(jìn)行山區(qū)高速公路隧道施工的技術(shù)要求，包括對(duì)施工設(shè)備、人員安全以及風(fēng)險(xiǎn)因素方面的管控。通過精準(zhǔn)的數(shù)值模擬分析過程，使施工中的具體工程參數(shù)得以呈現(xiàn)，而對(duì)計(jì)算模型的分析更能直觀、準(zhǔn)確地定位巖體力學(xué)參數(shù)。最后，通過工程實(shí)例的解析來進(jìn)一步對(duì)軟圍巖地質(zhì)條件下的山區(qū)高速公路隧道施工技術(shù)加以論述，本文可為此類隧道工程的施工提供一定的理論依據(jù)，對(duì)于施工質(zhì)量及安全性的管控具有參考意義[3-4]。

1 軟圍巖地質(zhì)特征及形變特征

軟圍巖地質(zhì)構(gòu)造特殊，其周邊環(huán)境的復(fù)雜性決定了隧道在此類地質(zhì)環(huán)境下施工所具有的特殊難度，對(duì)軟圍巖地質(zhì)特征及形變特征的準(zhǔn)確分析，可確保后續(xù)施工過程順利進(jìn)行。

1.1 地質(zhì)特征

軟圍巖的巖體強(qiáng)度極低。由我國巖體工程的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、巖土勘察規(guī)范以及山區(qū)高速公路隧道的設(shè)計(jì)規(guī)范可知，軟圍巖的單軸最大抗壓強(qiáng)度在30 MPa以下，且軟圍巖通常易受強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的沖擊，使節(jié)理、縫隙以及斷面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)面充填軟質(zhì)物料時(shí)，極易對(duì)圍巖的自穩(wěn)性造成影響。此外，軟圍巖的賦存環(huán)境較差，軟圍巖通常賦存于地應(yīng)力多變以及高富水量的地質(zhì)環(huán)境中，進(jìn)而可造成涌水或塌方等地質(zhì)事故[5-6]。

1.2 形變特征

在山區(qū)高速公路隧道開挖過程中，圍巖的形變過程通常會(huì)經(jīng)歷彈性形變階段、彈性及塑形共同作用階段以及蠕變、塑形共同作用的三個(gè)階段，值得注意的是，在最后一個(gè)階段中，仍以蠕變形變?yōu)橹?。歸納起來，對(duì)于堅(jiān)硬的圍巖來說，通常情況以彈性和塑形形變?yōu)橹鳎泧鷰r常以塑形形變和蠕變形變?yōu)橹鱗7]。軟圍巖的形變有以下特點(diǎn)：

1.2.1 形變量大

在隧道開挖后，軟圍巖最顯著的特征便是形成明顯的塑形形變，具體參數(shù)變化如圖1所示。

1.2.2 形變速度快

當(dāng)隧道開挖之后，堅(jiān)硬圍巖形變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)便可恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)，即形變速率較小，而軟圍巖在隧道開挖之后，形變速率卻非常大，尤其是在初始階段，其形變速率極大。

圖1 桂柳隧道ZK120+651軟圍巖形變收斂曲線圖

1.2.3 形變持續(xù)時(shí)間長且縱向形變特征顯著

軟圍巖開挖后，縱向形變常表現(xiàn)為拱頂沉降、側(cè)墻內(nèi)擠等現(xiàn)象，所引起的位移一般都指向隧道開挖的中心方向。對(duì)于軟圍巖來說，在初始階段形變速率較快的同時(shí)，其持續(xù)性時(shí)間也較長，且具備顯著的蠕變形變特性[8]。

1.2.4 擾動(dòng)范圍廣

軟圍巖隧道周圍的塑形區(qū)會(huì)隨著施工過程的推進(jìn)而不斷擴(kuò)大，尤其在支護(hù)措施不當(dāng)或結(jié)構(gòu)剛度不強(qiáng)時(shí)，圍巖的擾動(dòng)范圍就會(huì)更大，致使錨桿長度無法到達(dá)彈性區(qū)，因此，常引起噴錨支護(hù)的失效。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 理論模型概述

結(jié)合軟圍巖地質(zhì)條件搭建理論模型，起止里程樁號(hào)為YK105+70～YK105+186，模型具體范圍：沿隧道的軸線長度為87 m，并分別沿隧道軸線兩側(cè)延伸大約3倍洞徑，仰拱距模型底部75 m處。為有效分析上下臺(tái)階法、單側(cè)壁法以及三臺(tái)階開挖法的效果，將理論模型統(tǒng)一，僅通過所定義的組件來顯示各自的差異性，如下頁圖2所示。同時(shí)，將邊界效應(yīng)考慮其中，選用YK105+129斷面作為分析斷面，來對(duì)比具體的施工方案，而初襯以及二襯均采用彈性模型，但圍巖部分采用的則是彈塑性模型[9-10]。

2.2 計(jì)算模型分析

將模型的所有側(cè)面進(jìn)行法向約束設(shè)置，而底部設(shè)置完全約束，且上邊界屬自由邊界。通過分析所設(shè)計(jì)的原始施工方案以及現(xiàn)場勘查資料，以上下臺(tái)階法為例，來確定實(shí)際施工過程中的開挖順序：(1)上臺(tái)階開挖1.0 m時(shí)對(duì)其錨固和初襯相同深度；(2)當(dāng)上臺(tái)階開挖達(dá)到10 m后進(jìn)行下臺(tái)階的開挖，并維持上、下臺(tái)階間的開挖距離為10 m；(3)當(dāng)下臺(tái)階開挖1.0 m時(shí)，對(duì)其錨固、初襯并仰拱1.0 m；(4)當(dāng)仰拱鋪設(shè)達(dá)20 m后開始進(jìn)行二襯施工[11-12]。單元開挖覆蓋范圍如圖3所示。

圖2 理論模型網(wǎng)格示例圖

圖3 單元開挖覆蓋范圍圖

通過圖3推導(dǎo)可得到地表單元沉降表達(dá)式為：

(1)

其中，We——開挖后地表單元的沉降值；

β——所影響的范圍；

α——地表傾角；

θ——傳播角。

(2)

即當(dāng)?shù)乇韮A角α=0°且θ=90°時(shí)，單元沉降值為：

(3)

3 工程實(shí)例解析

3.1 橫斷面設(shè)計(jì)

以廣西桂柳高速公路軟圍巖隧道區(qū)域?yàn)槔?，?duì)隧道的建筑邊界進(jìn)行設(shè)計(jì)，建筑邊界單洞凈寬擬定15.0 m，V級(jí)圍巖隧道的橫斷面組成為：(0.85+0.5+3.85×3+0.85+0.85)m，隧道設(shè)有雙側(cè)的檢修通道，其內(nèi)輪廓基于有效的結(jié)構(gòu)受力和便于施工方面考慮，襯砌內(nèi)輪廓擬采用三心圓策略，隧道凈空以及橫斷面除達(dá)到行車凈空標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)將照明、消防以及其他運(yùn)管等設(shè)施所需空間考慮其中[13-15]。隧道V級(jí)圍巖襯砌支護(hù)詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

3.2 力學(xué)參數(shù)分析

因軟圍巖自身強(qiáng)度低、形變量大且結(jié)構(gòu)松散，受施工過程中的擾動(dòng)敏感，因此使得二襯受力偏大，而上下臺(tái)階法的最大壓應(yīng)力值位于開挖邊界的二襯外側(cè)，大小約為37 MPa左右，受導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)的拆除影響，底鼓現(xiàn)象發(fā)生在了仰拱中間，但通過對(duì)比可知，在上下臺(tái)階開挖邊界左右兩側(cè)和左右拱腳等處均發(fā)生了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，而單側(cè)壁法在主洞開挖邊界處右側(cè)以及仰拱間發(fā)生了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，二襯受力較為合理，但施工過程中應(yīng)注重局部支護(hù)，即采用單側(cè)壁法施工更為有效。

3.3 具體實(shí)施過程

桂柳高速公路隧道嚴(yán)格按照V級(jí)圍巖段式開挖，在超前支護(hù)等基礎(chǔ)措施準(zhǔn)備完成之后，通過雙側(cè)壁導(dǎo)坑的方式進(jìn)行，而側(cè)導(dǎo)洞的開挖過程利用正臺(tái)階斷面法，主洞的開挖通過斷面預(yù)留法進(jìn)行，通常情況下，開挖進(jìn)度<2 m/d。在實(shí)際的施工過程中，桂柳隧道采用“弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則，并及時(shí)分析、處理在施工過程中實(shí)時(shí)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證了施工質(zhì)量和工期。對(duì)于二襯過程，拱部及邊墻使用C25型防水混凝土進(jìn)行施工，其抗?jié)B級(jí)別超過S6級(jí)，仰拱使用C25型普通混凝土，回填階段使用C15片石混凝土，而仰拱的超挖部分均使用C25型混凝土回填。通過對(duì)該隧道施工期間以及后續(xù)工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，軟圍巖地質(zhì)條件下所采用的隧道施工技術(shù)效果顯著，工期和質(zhì)量均得到了有效保證。

表1 隧道V級(jí)圍巖襯砌支護(hù)詳細(xì)參數(shù)表

4 結(jié)語

本文通過對(duì)軟圍巖地質(zhì)條件下的山區(qū)高速公路隧道施工技術(shù)進(jìn)行深入研究，來分析此條件下隧道的施工對(duì)環(huán)境的特殊要求以及主要技術(shù)難點(diǎn)，并提出了數(shù)值模型分析的方法，進(jìn)而全面保證了此類隧道在施工過程中的工期、質(zhì)量以及安全性。本文最后以廣西境內(nèi)典型的軟圍巖地質(zhì)條件為例，通過對(duì)桂柳高速公路隧道施工過程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的分析，來對(duì)施工的可行性進(jìn)行綜合預(yù)判，對(duì)于軟圍巖地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)研究具有一定的參考價(jià)值。

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