軟弱圍巖大跨隧道安全施工技術(shù)

譚常喜

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)南 272100)

近些年來，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，之前修建的兩車道公路已不能滿足現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸業(yè)的需求。為改變這一現(xiàn)狀，更多的三車道、四車道公路的建設(shè)已經(jīng)成為今后發(fā)展的趨勢(shì)[1]。為使隧道內(nèi)部?jī)艨毡M量貼近限界，兩車道的公路隧道斷面一般比雙線鐵路隧道斷面形狀扁坦，特別是隨著車道數(shù)量的增加，公路隧道斷面形狀則更加扁坦，跨度更大。在相同圍巖條件下，大跨度扁坦隧道與接近卵圓形的隧道其受力及變形特征是具有較大差異的[2-3]，主要表現(xiàn)為隧道拱頂沉降遠(yuǎn)大于斷面水平收斂，從而對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力都會(huì)產(chǎn)生不利影響[4-5]。因此對(duì)軟弱圍巖大跨度扁坦隧道，應(yīng)采取合理的施工方法，掌握其施工過程中的支護(hù)受力及變形特點(diǎn)，以保證隧道施工安全。本文以隧道右洞YK47+150～+240Ⅴ級(jí)圍巖段為工程依托對(duì)軟弱圍巖大跨隧道安全施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

昆楚高速勤豐特長(zhǎng)隧道為分離式雙向六車道公路隧道。左洞里程：ZK41+910～ZK47+370，全長(zhǎng)5 460 m；右洞里程：K41+935～K47+415，全長(zhǎng)5 480 m，隧道左右兩洞相間33 m，最大埋深361 m。Ⅴ級(jí)圍巖段隧道最大開挖跨度17.15 m，洞高11.68 m。隧道穿越粉質(zhì)粘土、強(qiáng)中風(fēng)化泥巖等。隧道穿越區(qū)地層以震旦系下統(tǒng)澄江組泥巖、砂巖、微-強(qiáng)風(fēng)化崗巖為主。隧址區(qū)域內(nèi)山勢(shì)陡峭，溝谷縱橫，植被及地下水較發(fā)育，在溝渠之中常年流水不斷且流量受雨季影響較大。

隧道右洞YK47+150～+240段主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，屬Ⅴ級(jí)，埋深98～110 m。由于Ⅴ級(jí)圍巖段隧道開挖跨度大及自穩(wěn)性差的特點(diǎn)，須對(duì)常用施工方法的適應(yīng)性進(jìn)行對(duì)比分析以確定合理施工方法。

2 隧道施工方案選擇

2.1 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

由于勤豐隧道為三車道隧道，開挖跨度大，Ⅴ級(jí)圍巖穩(wěn)定性差，因此隧道斷面設(shè)計(jì)為強(qiáng)支護(hù)。隧道采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，在拱部120°范圍內(nèi)布置。小導(dǎo)管采用?42 mm、壁厚4 mm、長(zhǎng)度4.5 m無縫鋼管制作，環(huán)向間距30 cm，搭接長(zhǎng)度不少于1.5 m。初期支護(hù)參數(shù)：C25噴纖維混凝土厚度29 cm，鋼拱架采用I22b型鋼鋼架，縱向間距60 cm；雙層?8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm；中空注漿錨桿，環(huán)、縱向間距100 cm×60 cm，錨桿長(zhǎng)4 m，梅花形布置。C30鋼筋混凝土二次襯砌厚度60 cm。隧道復(fù)合式襯砌斷面如圖1所示。

圖1 勤豐隧道斷面支護(hù)參數(shù)(單位：cm)

2.2 隧道施工方案比選

軟弱圍巖隧道施工方法的選擇主要取決于其地表有無構(gòu)筑物、隧道埋深、圍巖穩(wěn)定特性、隧道斷面幾何形狀及尺寸以及隧道支護(hù)參數(shù)等。軟弱圍巖大跨度隧道多采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、三臺(tái)階法、CD法及CRD法等[6]，下面對(duì)這幾種開挖方法從工序復(fù)雜性、適用條件、控制變形能力和機(jī)械化作業(yè)條件等四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，其特點(diǎn)比較列于表1。

表1 4種工法適用性對(duì)比

由表1可以看出，對(duì)于隧道變形控制要求不是很嚴(yán)格的山嶺隧道，如果嚴(yán)格進(jìn)行施工過程中的工序管理，做好各種工序之間的銜接，保證隧道施工安全，三臺(tái)階法不僅可以大大簡(jiǎn)化隧道施工工序，從而加快施工進(jìn)度，還可節(jié)約如采用CD法或CRD法所必需的臨時(shí)支護(hù)。

三臺(tái)階法施工以“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、緊封閉”為原則進(jìn)行施工，主要施工歩序(見圖2)為：利用已安裝的I22b鋼架座支架施作注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)；分別依次開挖斷面上臺(tái)階①～③部及④部落底，施作初期支護(hù)Ⅰ～Ⅳ；架立初支鋼架(I22b)，間距0.6 m，在兩側(cè)分別打設(shè)長(zhǎng)4.0 m的?42 mm鎖腳注漿錨管各2根并與鋼架焊接牢靠，分次噴混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，打設(shè)各部錨桿；分段澆筑仰拱二襯Ⅴ和仰拱填充Ⅵ，澆筑拱墻部二襯Ⅶ，完成隧道施工。

圖2 Ⅴ級(jí)圍巖地段隧道施工順序

3 隧道施工過程三維數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

先利用ANSYS進(jìn)行建模，再將數(shù)值模型導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行開挖及支護(hù)模擬計(jì)算。隧道模型的尺寸為：模型水平寬100 m，向右為x軸正向；模型高90 m，隧道拱頂?shù)侥Ｐ蜕媳砻娴木嚯x為52 m，向上為z軸正向；y方向?yàn)樗淼垒S線方向，正向?yàn)樗淼篱_挖方向，開挖長(zhǎng)度為84 m。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為應(yīng)力邊界。由于此段隧道平均埋深為102 m，上部50 m高度圍巖自重作用采用在模型上表面施加1.0 MPa的面力來間接考慮隧道總埋深。此段落圍巖為花崗巖，將圍巖簡(jiǎn)化為上層強(qiáng)風(fēng)化和下層中風(fēng)化花崗巖。

圍巖、初期支護(hù)均采用實(shí)體單元來模擬。注漿超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)簡(jiǎn)化為拱部120°加固圈，厚度為0.5 m。

圍巖及加固圈視為摩爾—庫(kù)侖理想彈塑性材料，支護(hù)及二襯結(jié)構(gòu)視為彈性材料。初期支護(hù)的鋼架在計(jì)算模擬時(shí)根據(jù)抗彎剛度相等原則提高初期支護(hù)的彈性模量以間接考慮鋼架的作用。圍巖物理力學(xué)參數(shù)參照地質(zhì)資料及《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》確定，隧道超前支護(hù)加固圈，地層和支護(hù)的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 地層和支護(hù)的物理力學(xué)性能指標(biāo)

3.2 模擬施工步驟

隧道注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)每次施工4.5 m，開挖3.0 m，開始施工下一循環(huán)的超前支護(hù)，搭接長(zhǎng)度1.5 m。每個(gè)臺(tái)階模擬開挖進(jìn)尺1.2 m，相鄰兩個(gè)臺(tái)階開挖面錯(cuò)開3.6 m，上臺(tái)階開挖36 m后開始施作二襯，每次施作長(zhǎng)度9 m。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

在模擬隧道施工過程中，為獲得圍巖開挖后的應(yīng)力釋放效果，各部支護(hù)施作滯后一個(gè)進(jìn)尺。記錄每個(gè)計(jì)算步的結(jié)果信息，以分析隧道模型中部斷面上位移及支護(hù)的應(yīng)力變化規(guī)律。

3.3.1 變形分析

隧道開挖后斷面周邊的變形特征直接反映了隧道的穩(wěn)定性，因而在研究隧道施工過程中的力學(xué)行為時(shí)，拱頂沉降及水平收斂曲線的變化規(guī)律都是重要研究對(duì)象。隧道施工過程中拱頂沉降和中臺(tái)階水平收斂變化曲線分布如圖3所示。

圖3 拱頂沉降與水平收斂曲線

從圖3可以看出：隧道拱頂沉降及斷面水平收斂大部分發(fā)生在開挖前后，因而對(duì)于軟弱圍巖大跨隧道，隧道開挖后必須及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)以控制圍巖過度變形；隧道施工引起的拱頂沉降顯著大于斷面水平收斂，拱頂沉降最大值為84 mm，因而對(duì)于三車道隧道而言，監(jiān)測(cè)施工過程中的拱頂沉降是現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

3.3.2 初期支護(hù)受力分析

隧道模型模擬開挖及支護(hù)完成后，模型中部斷面初期支護(hù)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力

從圖4可以看出：支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)，與拱頂產(chǎn)生較大變形相對(duì)應(yīng)，最大拉應(yīng)力為1.05 MPa；而最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在斷面兩側(cè)拱腳處，最大壓應(yīng)力為9.8 MPa。不管是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，都在安全范圍之內(nèi)，由此可見初期支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

3.3.3 圍巖塑性區(qū)

圖5為隧道施工計(jì)算模型完成施工及支護(hù)計(jì)算模擬后，模型中部斷面上隧道斷面周邊地層的塑性區(qū)分布特征。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布

由于隧道斷面及施工方案的對(duì)稱性，施工完成后斷面周邊圍巖塑性區(qū)分布為蝴蝶狀的對(duì)稱塑性區(qū)。塑性區(qū)深度最大處為斷面兩側(cè)拱肩處，其次為兩側(cè)墻角下方處。

以上對(duì)V級(jí)圍巖段隧道施工過程中支護(hù)變形、受力及圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律等的三維數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用三臺(tái)階法施工可以保證隧道施工安全。

4 隧道施工監(jiān)測(cè)

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可行性，在隧道施工過程中在YK47+170設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行隧道拱頂沉降、圍巖與初期支護(hù)間圍巖壓力和鋼架翼緣應(yīng)力監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)位置對(duì)稱于隧道中線，分別在拱頂和兩側(cè)拱腰、拱腳、墻中和墻腳共計(jì)9個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。在隧道上臺(tái)階開挖并施作初期支護(hù)后即安裝位移測(cè)點(diǎn)、壓力盒及鋼筋計(jì)等應(yīng)力傳感器。

4.2 拱頂沉降

YK47+170斷面拱頂沉降曲線如圖6所示，拱頂沉降受工序影響明顯，每次開挖后拱頂沉降均有一個(gè)快速增長(zhǎng)隨后趨緩的過程。拱頂最大沉降值72.4 mm，小于數(shù)值模型計(jì)算值84 mm，二者較為接近，說明隧道施工過程的三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以作為施工方法選擇的一個(gè)重要參考。

圖6 拱頂沉降曲線

4.3 圍巖壓力

圖7為隧道斷面各點(diǎn)處圍巖與初期支護(hù)之間圍巖壓力的變化曲線。拱頂處圍巖壓力最大，為119.3 kPa；兩側(cè)拱腰處接觸壓力較為接近，其量值大小僅小于拱頂處?？傮w來說，由于隧道開挖遵循了“多打孔、少裝藥、充分利用圍巖自穩(wěn)能力”的原則，且開挖后進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，使得圍巖松動(dòng)范圍得到了較好控制，因而圍巖與初支間的圍巖壓力不是很大。

圖7 圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線

4.4 鋼架應(yīng)力

圖8為隧道斷面各點(diǎn)處初期支護(hù)鋼拱架內(nèi)側(cè)翼緣應(yīng)力的變化曲線。隧道拱部處鋼拱架壓力主要為拉應(yīng)力，而兩側(cè)邊墻處鋼架主要承受壓應(yīng)力，穩(wěn)定后最大拉應(yīng)力量值為69.4 MPa，遠(yuǎn)小于Q235鋼材的抗拉強(qiáng)度；兩側(cè)邊墻處的壓應(yīng)力最大值也僅有46.2 MPa。

5 結(jié)束語(yǔ)

昆楚高速勤豐三車道隧道采用三臺(tái)階法施工，既保證了隧道施工安全，又節(jié)約了工程施工成本，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 鋼拱架應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線