大跨度隧道Ⅳ級(jí)圍巖取消仰拱施工實(shí)例分析

劉邦勝

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

仰拱是為改善上部支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)，是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一，其與二次襯砌構(gòu)成隧道整體，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。仰拱的作用：解決基礎(chǔ)承載力不夠，減少下沉；防止底鼓的隆起變形，調(diào)整襯砌應(yīng)力的作用；封閉圍巖，阻止圍巖變形過大，提高結(jié)構(gòu)的整體承載力；增加底部和墻部的支撐抵抗力，防止內(nèi)擠而產(chǎn)生剪切破壞。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)》建議三車道隧道圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)時(shí)設(shè)置仰拱。但是隧道地質(zhì)的模糊評(píng)判、隧道巖土材料的本構(gòu)關(guān)系、隧道圍巖的變形控制指標(biāo)、支護(hù)襯砌強(qiáng)度增長(zhǎng)和圍巖變形的關(guān)系多依賴于經(jīng)驗(yàn)積累、類比分析而定，故《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)》同時(shí)也提出了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工的思想。本文以馬鞍山隧道為例，通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖隧道底板進(jìn)行應(yīng)力、圍巖變形、初期支護(hù)和二次襯砌間的接觸受力、底板巖體受到的垂直壓力、關(guān)鍵部位的二次襯砌鋼筋受力、混凝土內(nèi)力及鎖腳錨桿內(nèi)力的監(jiān)測(cè)，分析整理應(yīng)力數(shù)值，認(rèn)為取消部分Ⅳ級(jí)圍巖的仰拱是可行的。

1 工程概況

馬鞍山隧道是青蘭高速邯涉段土建工程的控制性工程，其中右線全長(zhǎng)4 370 m，左線全長(zhǎng)4 320 m。隧道最大埋深約307 m，隧道采用標(biāo)準(zhǔn)分離式三車道設(shè)置，最大寬開挖寬度約16.81 m，開挖高度約11.75 m。隧道進(jìn)口平面線形為圓曲線，左線圓曲線半徑為R=3 500 m，不設(shè)超高，橫坡為2%，右線為R=2 490 m，超高為2%，隧道內(nèi)超高過渡方式采用線性過渡，出口位于直線上，橫坡為2%，左、右線縱斷面線形均設(shè)計(jì)為單向坡，坡度均為0.83%，隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)標(biāo)高分別為：左幅626.740 m，右幅626.066 m；出口設(shè)計(jì)標(biāo)高分別為：左幅663.347 m，右幅663.430 m。隧道進(jìn)出口洞門設(shè)計(jì)均采用端墻式。

2 針對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖設(shè)置仰拱段落進(jìn)行全斷面監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在馬鞍山隧道左線ZK157+094、ZK157+102，巖性為寒武系中統(tǒng)徐莊組到寒武系中統(tǒng)張廈組的過渡段，夾中厚層灰?guī)r，上部為灰色中層灰?guī)r夾頁巖，屬較硬巖～較軟巖。巖層走向與洞軸線夾角為38°。巖層間結(jié)合較差，主要發(fā)育二組節(jié)理。巖體較破碎～較完整，巖體穩(wěn)定性較差～差。隧道出水形式以潮濕及滴水為主，斷面埋深約206.3 m，該斷面采用上下臺(tái)階法開挖，初期支護(hù)采用C20噴射混凝土，4φ22鋼格柵(間距100 cm)，錨桿采用φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)350 cm。二次襯砌采用C25混凝土。

2.1 隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)

隧道拱頂下沉、周邊收斂等位移的量測(cè)，每5～10 m設(shè)置一個(gè)斷面。收集整理量測(cè)結(jié)果，累計(jì)收斂值都≤2 cm。分析認(rèn)為隧道在初期支護(hù)后基本穩(wěn)定。

2.2 隧道各項(xiàng)受力情況的監(jiān)測(cè)

實(shí)施的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：

(1)采用鋼弦式量測(cè)系統(tǒng)，其由鋼弦式傳感器(壓力盒)和鋼弦頻率測(cè)定儀組成，監(jiān)測(cè)作用于仰拱底板圍巖受到的垂直壓力，了解圍巖壓力的量值和分布，判斷圍巖的穩(wěn)定性。把測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(2)采用鋼弦式量測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)作用于初期支護(hù)和二次襯砌間的接觸受力，分析支護(hù)和二次襯砌的穩(wěn)定性和安全度。把測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)，

(3)采用鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)鋼拱架的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可知鋼拱架的實(shí)際工作狀態(tài)，從鋼拱架的性能曲線上可以確定在此壓力作用下鋼拱架所具有的安全系數(shù)，根據(jù)鋼拱架的受力狀態(tài)，判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；了解鋼拱架的實(shí)際工作狀態(tài)，保證隧道施工安全。

(4)采用鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)關(guān)鍵部位的二次襯砌鋼筋受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。把測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(5)采用混凝土壓力傳感器對(duì)二次襯砌混凝土應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其目的是為了了解混凝土層的變形特性以及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的可靠性及安全程度，檢驗(yàn)二次襯砌設(shè)計(jì)的合理性。每個(gè)斷面在二次襯砌中布置5個(gè)混凝土壓力傳感器。

(6)鎖腳錨桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)。為了解錨桿實(shí)際工作狀態(tài)及軸向力的大小，結(jié)合圍巖內(nèi)部位移量測(cè)，判斷圍巖發(fā)展趨勢(shì)，分析圍巖內(nèi)強(qiáng)度下降區(qū)的界限，評(píng)價(jià)錨桿支護(hù)效果。采用鋼弦式電測(cè)錨桿，每個(gè)斷面布置3～5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

從測(cè)試數(shù)據(jù)上分析，各項(xiàng)測(cè)試數(shù)值較小，且呈變小趨勢(shì)，各項(xiàng)受力趨于穩(wěn)定，隧道整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

課堂教學(xué)主要分為兩部分：教師講解與學(xué)生自主完成實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，教師在課程的開始綜合講解該項(xiàng)目所融合的知識(shí)點(diǎn)，然后按模塊劃分，對(duì)每一模塊的講解借鑒“對(duì)分”的模式，由于知識(shí)點(diǎn)為前期所學(xué)知識(shí)，對(duì)于學(xué)生而言并不是很困難，因此每節(jié)課分為三部分：首先教師對(duì)要講解的功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單概述；其次學(xué)生之間進(jìn)行討論，對(duì)遇到的問題進(jìn)行組內(nèi)解決，組內(nèi)無法解決的提交給老師，由教師匯總后統(tǒng)一解決共性問題；最后學(xué)生對(duì)自己的實(shí)訓(xùn)課題進(jìn)行完成，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)或者軟件程序的編寫。

3 Ⅳ級(jí)圍巖取消仰拱試驗(yàn)段的實(shí)施

3.1 取消仰拱段落的選定及支護(hù)參數(shù)的確定

YK157+044～YK157+008段掌子面巖性為薄層頁巖夾灰?guī)r，圍巖整體上與ZK157+094、ZK157+102段落基本一致。經(jīng)參建各單位人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確認(rèn)該段圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖，確定初期支護(hù)采用原設(shè)計(jì)Ⅳ型支護(hù)參數(shù)，局部參數(shù)由設(shè)計(jì)院計(jì)算校核后稍作調(diào)整，但取消仰拱設(shè)置。為確保施工過程中的安全，將原臺(tái)階法開挖調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，并對(duì)超前支護(hù)做適當(dāng)加強(qiáng)。具體調(diào)整參數(shù)如下：

超前支護(hù)為φ25砂漿錨桿，環(huán)距為30 cm(原設(shè)計(jì)40 cm)，排距為3 m，L=4.5 m，每環(huán)63根，搭接長(zhǎng)度≥1 m。每榀格柵鋼架較原設(shè)計(jì)增加6根3 mφ22鎖定砂漿錨桿。襯砌構(gòu)造為：φ22砂漿錨桿(系統(tǒng)錨桿)，L=3.5 m，梅花型布置@100×100；噴C20混凝土厚20 cm，鋼格柵間距@=100 cm施作；掛鋼筋網(wǎng)φ6.5@20×20；二襯施作50 cm厚的C25混凝土，二襯邊墻底部作局部加大橫截面，并設(shè)置兩根φ25砂漿錨桿，L=3.5 m，縱向間距為50 cm，錨桿端頭伸入二襯混凝土50 cm；預(yù)留變形量視圍巖變形情況設(shè)置，預(yù)留8 cm(詳見圖1)。

圖1 正常橫坡度Ⅳ級(jí)圍巖無仰拱段隧道襯砌斷面圖

3.2 具體施工工藝

(1)施工準(zhǔn)備

做好人員、機(jī)械的準(zhǔn)備工作，保證施工的連續(xù)性與進(jìn)度要求。人工機(jī)械進(jìn)行場(chǎng)地平整及完善臨時(shí)排水設(shè)施，營(yíng)造良好的施工環(huán)境。隨后進(jìn)行測(cè)量放線，放出洞口中樁，把全站儀置于中樁，放出開挖輪廓線。

(2)左側(cè)先行導(dǎo)坑上部開挖及支護(hù)

爆破采用光面爆破或預(yù)裂爆破以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。爆破作業(yè)要對(duì)鉆孔深度、鉆孔直徑、鉆孔位置及裝藥量嚴(yán)格控制，爆破采用光面爆破或預(yù)裂爆破，周邊眼間距35～40 cm，采用間隔裝藥，掏槽眼采用直眼掏槽。采用人工進(jìn)行清刷開挖面，使隧道周邊輪廓圓順，成拱度良好，形成良好受力拱。開挖預(yù)留變形量為8 cm，放樣時(shí)注意控制。

開挖之后，立即進(jìn)行支護(hù)。先噴一層厚2～3 cm的C20噴射混凝土，再進(jìn)行其他支護(hù)。導(dǎo)坑壁臨時(shí)支護(hù)采用φ22砂漿錨桿@120×100L=200 cm、噴C20混凝土厚12 cm、φ6.5鋼筋網(wǎng)@25×25、鋼格柵縱向間距100 cm。

先行導(dǎo)坑上部開挖、支護(hù)一定距離后，即進(jìn)行導(dǎo)坑下部開挖及支護(hù)。導(dǎo)坑下部關(guān)鍵是邊墻馬口跳槽的開挖，邊墻馬口跳槽易采取長(zhǎng)短馬口結(jié)合，減少跳槽次數(shù)。首輪馬口長(zhǎng)度宜≤2 m，且首輪馬口的中心宜選在拱圈接縫處，并注意巖層傾斜和穩(wěn)定情況，防止順層坍滑。

(4)設(shè)置臨時(shí)壁墻支護(hù)

沿隧道先行導(dǎo)坑左側(cè)開挖輪廓，設(shè)置臨時(shí)壁墻支護(hù)，主要采用鋼格柵以及錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴C20混凝土組成。

(5)后行導(dǎo)坑上部開挖及支護(hù)

后行導(dǎo)坑上部開挖及支護(hù)類似先行導(dǎo)坑上部的開挖及支護(hù)方法。但是由于先行導(dǎo)坑的開挖使得在開挖后行導(dǎo)坑時(shí)多出一個(gè)臨空面，加大了爆破開挖的難度，故應(yīng)嚴(yán)格控制爆破開挖，降低對(duì)先行導(dǎo)坑支護(hù)的影響，采用控制爆破減少對(duì)周邊圍巖以及先行導(dǎo)坑的擾動(dòng)。爆破后首先對(duì)先行導(dǎo)坑進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)圍巖松動(dòng)、噴的混凝土裂開及脫離等不良的情況，立即采取有效措施加固處理。

(6)后行導(dǎo)坑下部開挖及支護(hù)

后行導(dǎo)坑下部開挖及支護(hù)類似先行導(dǎo)坑下部開挖及支護(hù)的方法。值得注意的是，先行、后行導(dǎo)坑開挖必須保證安全距離。

(7)施作防水層及灌注二次襯砌混凝土

二襯的施作受時(shí)間因素影響很大，直接關(guān)系到襯砌結(jié)構(gòu)的安全，過早施作會(huì)使二次襯砌承受較大的圍巖壓力，過晚又不利于初期支護(hù)的穩(wěn)定，隧道二次襯砌質(zhì)量的好壞對(duì)隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定、使用功能的正常發(fā)揮以及外觀美均有很大影響，為了監(jiān)測(cè)隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，確定二次襯砌施作時(shí)間。

3.3 隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)與隧道各項(xiàng)受力情況的監(jiān)測(cè)

隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)與隧道各項(xiàng)受力情況的監(jiān)測(cè)按ZK157+094、ZK157+102段落方案進(jìn)行布設(shè)，并加大量取數(shù)據(jù)頻率，及時(shí)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

分析，取消仰拱段的凈空收斂及其他各項(xiàng)受力情況與正常設(shè)置仰拱段偏差不大，說明隧道圍巖及結(jié)構(gòu)本身都處于安全穩(wěn)固狀態(tài)。

4 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)段實(shí)例分析可以得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于大跨扁平隧道，在屬于較硬巖～較軟巖的Ⅳ級(jí)圍巖及Ⅳ級(jí)圍巖以下的段落可以不設(shè)置仰拱。

(2)“新奧法”施工要求充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，按照“強(qiáng)度折減”的理念，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)》的建議支護(hù)參數(shù)仍有優(yōu)化的空間，值得進(jìn)一步研究。在確保安全的前提下，有效降低建設(shè)、管理成本。

(3)本案例的成功施做，對(duì)灰?guī)r地區(qū)兩車道隧道Ⅳ級(jí)圍巖取消仰拱的研究具有一定指導(dǎo)作用和參考價(jià)值，若能進(jìn)一步證明Ⅳ級(jí)圍巖隧道的安全穩(wěn)定性而大力推廣，將取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]羅 成，章繼樹.特大斷面公路隧道仰拱受力機(jī)理分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(增)：225-228.

[3]宋 飛，成 銘.基于隧道荷載模式的仰拱力學(xué)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(增)：192-194.

[4]李 明，陳洪凱，葉四橋.公路隧道仰拱力學(xué)行為的數(shù)值模擬研究[C].2007年全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議，2007.