四車道超大斷面隧道淺埋偏壓式洞口進(jìn)洞方案研究

吳子瀛

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京210019）

1 引言

針對(duì)淺埋偏壓這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已有很多專家進(jìn)行了相關(guān)研究。張長(zhǎng)安【1】在漿水泉隧道埋深極淺的情況下，通過(guò)采取地表注漿、護(hù)拱、護(hù)墻等多種措施對(duì)地表進(jìn)行加固，有效規(guī)避了塌方冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。馬杲宇【2】運(yùn)用FLAC3D對(duì)淺埋偏壓隧道進(jìn)行了施工過(guò)程的力學(xué)分析，對(duì)其洞口段穿越滑坡堆積體時(shí)的圍巖變形機(jī)理進(jìn)行了深入研究。張群【3】以京滬連接線港溝隧道為背景，深入研究了超大斷面淺埋偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題。沈佳佳【4】以京滬高速濟(jì)南連接線工程與濟(jì)南繞城高速濟(jì)南連接線工程為背景，對(duì)超大斷面雙向8車道隧道二次襯砌厚度進(jìn)行了優(yōu)化研究。王小鎖【5】以蓮塘隧道為工程實(shí)例，建立三維有限元計(jì)算模型，對(duì)比計(jì)算單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)超大斷面隧道開(kāi)挖的影響。

鑒于超大斷面隧道施工的復(fù)雜性和技術(shù)困難性。這將是設(shè)計(jì)與施工領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)問(wèn)題，需要通過(guò)不斷研究和總結(jié)來(lái)豐富其設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)及理論知識(shí)。

2 工程概況

深東大道位于深汕特別合作區(qū)境內(nèi)，路線起于龍山隧道進(jìn)口處（規(guī)劃新福路北），自西南向東北方向穿越山嶺區(qū)后轉(zhuǎn)向東進(jìn)入規(guī)劃中心城區(qū)，終點(diǎn)接望鵬大道樞紐立交起點(diǎn)。其中，大山頭隧道為雙向8車道隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80km，隧道長(zhǎng)度542.5m（左右線平均長(zhǎng)度），隧道最大埋深63.27m。內(nèi)輪廓總寬18.635m。

我國(guó)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》【6】中對(duì)跨度的劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1。

表1 《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》跨度劃分標(biāo)準(zhǔn)

大山頭隧道內(nèi)輪廓跨度達(dá)到18.635m，根據(jù)以上判別標(biāo)準(zhǔn)屬于特大跨度隧道。

3 工程地質(zhì)條件

隧道進(jìn)出口段穿越圍巖主要為強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖，圍巖破碎，呈層狀構(gòu)造，穩(wěn)定性差，以Ⅴ級(jí)圍巖為主。隧道開(kāi)挖易產(chǎn)生坍塌，處理不當(dāng)會(huì)發(fā)生大的坍塌，側(cè)壁易發(fā)生小坍塌。裂隙水較發(fā)育，屬中等透水層。

4 進(jìn)洞方案研究

4.1 明洞方案

根據(jù)橫斷面和縱斷面地面線并結(jié)合地質(zhì)資料綜合確定ZK12+370樁號(hào)為洞口樁號(hào)，往洞身段做25m明洞，以ZK12+345為明暗分界樁號(hào)。具體設(shè)計(jì)方案和施工措施如下：

1）開(kāi)挖明洞邊仰坡及洞口上方土石方，右側(cè)設(shè)置高度9m的擋墻，擋墻接二級(jí)邊坡；

2）洞口段施工應(yīng)在洞頂截水溝施工完成后進(jìn)行，開(kāi)挖施工應(yīng)逐級(jí)開(kāi)挖逐級(jí)防護(hù)，邊仰坡防護(hù)應(yīng)與明洞開(kāi)挖同步進(jìn)行，應(yīng)盡量避開(kāi)雨季施工；

3）為保障洞口段邊仰坡的穩(wěn)定，減小洞口邊仰坡暴露面積，洞口施工時(shí)應(yīng)先開(kāi)挖一個(gè)洞，另一個(gè)洞及兩洞間土體先不開(kāi)挖；待先行洞洞口段施作完成后再進(jìn)行后行洞的開(kāi)挖。

4.2 暗洞方案

根據(jù)橫斷面和縱斷面地面線并結(jié)合地質(zhì)資料綜合確定ZK12+370樁號(hào)為暗進(jìn)洞口樁號(hào)。具體設(shè)計(jì)方案和施工措施如下：

1）施作反壓擋墻，擋墻基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)固的地基上，如其承載力不能滿足要求，可采取加深擴(kuò)大基礎(chǔ)、換填、注漿加固等措施；

2）對(duì)反壓擋墻和山體間進(jìn)行水泥穩(wěn)定土回填并夯實(shí)，回填前應(yīng)先清除表面植被腐殖土，回填材料宜選用穩(wěn)定性較好的碎石土。水泥摻量宜取5%～8%。回填高度要滿足拱頂?shù)淖钚÷裆钜螅?/p>

3）施作導(dǎo)向墻和大管棚，并采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖進(jìn)洞。

4.3 半明半暗方案

根據(jù)橫斷面和縱斷面地面線并結(jié)合地質(zhì)資料綜合確定ZK12+370樁號(hào)為洞口樁號(hào)。具體設(shè)計(jì)方案和施工措施如下：

1）從洞口樁號(hào)ZK12+370往洞身15m范圍內(nèi)設(shè)置偏壓式耳墻，耳墻采用C30混凝土，并設(shè)置φ10cm PVC泄水管，排出裂隙水與地表水，以減少水對(duì)土體的擾動(dòng)；

2）耳墻外側(cè)回填M10漿砌片石，高度為5.5m，M10漿砌片石以上回填水泥混合土；

3）襯砌外側(cè)設(shè)置護(hù)拱，護(hù)拱基礎(chǔ)左側(cè)置于偏壓耳墻內(nèi)，護(hù)拱采用C25混凝土，護(hù)拱厚度為70cm。護(hù)拱內(nèi)采用I20b工字鋼支護(hù)，縱向間距50cm；

4）半明半暗段采用坡率1∶0.75分臺(tái)階開(kāi)挖，每層開(kāi)挖高度不超過(guò)2m，開(kāi)挖后立即采取錨噴支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：噴射厚度為10cm的C25噴射混凝土防護(hù)，并鋪設(shè)φ8mm鋼筋網(wǎng)片，鋼筋間距為20cm；同時(shí)采用φ22mm砂漿錨桿對(duì)坡面進(jìn)行加固，砂漿錨桿長(zhǎng)度為4.0m，間距1.2m，梅花形布置。

4.4 3種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4.4.1 明洞方案

優(yōu)點(diǎn)：施工方便，有利于縮短施工工期。

缺點(diǎn)：

1）開(kāi)挖明洞邊仰坡和拱部土石方，需大面積刷坡，地表穩(wěn)定性和原坡體平衡遭到破壞，加上雨水沖刷滲透作用，容易造成滑坡等問(wèn)題；

2）破壞的地表植被難以恢復(fù)，破壞生態(tài)及周圍環(huán)境。與綠色設(shè)計(jì)的理念相違背；

3）臨時(shí)防護(hù)費(fèi)用高，土石方開(kāi)挖費(fèi)用高；

根據(jù)以上分析，本項(xiàng)目推薦采用半明半暗進(jìn)洞方案。

4.4.2 暗洞方案

優(yōu)點(diǎn)：不用刷坡，安全風(fēng)險(xiǎn)小，不用大開(kāi)大挖，對(duì)原狀土擾動(dòng)少。

缺點(diǎn)：

1）回填土石方不易壓實(shí)，穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生地表沉降，甚至造成坍塌冒頂；

2）回填工程量較大，工程造價(jià)較高，施工難度較大。

4.4.3 半明半暗方案

優(yōu)點(diǎn)：

1）刷坡較少，對(duì)地表和原狀土的破壞和擾動(dòng)較少，有利于保護(hù)周圍環(huán)境；

2）邊仰坡刷坡高度低，不易產(chǎn)生滑坡，安全風(fēng)險(xiǎn)較低；

3）回填工程量較小，工程造價(jià)較低。

缺點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性不如明洞方案，但優(yōu)于暗洞方案。

5 數(shù)值模擬計(jì)算

根據(jù)JTG/T 070—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》的要求，采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，為了消除邊界效應(yīng)，左右邊界取3B（B為毛洞跨度），下部邊界取3B′（B′為毛洞高度），上部邊界取至地表。左右邊界施加水平約束，下部邊界施加豎向約束，上部邊界為自由邊界。

5.1 選擇參數(shù)

本次數(shù)值模擬計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)的選取主要是根據(jù)隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告，并參考JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》【7】，再結(jié)合工程及計(jì)算經(jīng)驗(yàn)選取，具體參數(shù)表見(jiàn)表2、表3。

表2 模型材料物理力學(xué)參數(shù)值

表3 模型圍巖物理力學(xué)參數(shù)值

5.2 建立模型

根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》的要求，圍巖采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，錨桿通過(guò)提高加固區(qū)圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角來(lái)近似模擬，噴射混凝土，二襯采用梁?jiǎn)卧M，圍巖采用平面應(yīng)變模擬，鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M。鋼拱架通過(guò)提高噴射混凝土的強(qiáng)度值來(lái)近似模擬。

5.3 結(jié)果分析

5.3.1 位移分析

根據(jù)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，最大位移發(fā)生在開(kāi)挖中間圍巖的施工過(guò)程中，最大位移為12.59mm。滿足設(shè)計(jì)預(yù)留變形量20cm的要求。

5.3.2 二襯內(nèi)力分析

根據(jù)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，最大軸力發(fā)生在右側(cè)拱腳處，為982.237kN。最大彎矩發(fā)生在右側(cè)拱腳處，為143.288kN·m。根據(jù)計(jì)算可知，二襯結(jié)構(gòu)的裂縫寬度和安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，并留有較大的安全儲(chǔ)備，故該項(xiàng)目所采用的淺埋偏壓式洞口的進(jìn)洞方案可以滿足安全施工和運(yùn)營(yíng)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)3種進(jìn)洞方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比，選擇采用半明半暗的進(jìn)洞方案，并結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)該進(jìn)洞方案進(jìn)行了研究分析，驗(yàn)證了該進(jìn)洞方案的合理性。期望能對(duì)以后類似隧道洞口方案的設(shè)計(jì)和施工有所幫助。