超大跨度隧道上臺(tái)階CD法直墻式臨時(shí)支護(hù)研究

李九超，臧春雷，余鸞鸚，劉亞輝

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重慶 401120； 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

根據(jù)JTG 3 370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[1]的規(guī)定，超大跨度隧道是指開挖跨度>18m的隧道，常見(jiàn)的單洞四車道公路隧道大多屬于此類。這類隧道具有跨度大、扁平率低、薄拱的特點(diǎn)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況復(fù)雜，開挖過(guò)程中施工順序復(fù)雜多變。因此如何采用合理的開挖方法是目前施工中的難點(diǎn)。合理的施工方法應(yīng)同時(shí)滿足施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)利于不同方法之間的轉(zhuǎn)換，以免影響工程進(jìn)度，又可以降低工程造價(jià)。目前國(guó)內(nèi)在隧道開挖方法的研究方面已經(jīng)有了一定的發(fā)展，并取得了一些研究成果[2-9]。然而現(xiàn)階段我國(guó)超大跨度公路隧道施工方法沒(méi)有可供遵循的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，主要依靠工程類比法，因此在實(shí)際施工中容易造成施工方法偏于保守。

上臺(tái)階CD法作為一種比較先進(jìn)的施工方法，能夠減少不必要的臨時(shí)支撐，在工期、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的CD法施工。正因如此，近年來(lái)上臺(tái)階CD法在公路隧道領(lǐng)域運(yùn)用的越來(lái)越廣泛，但是目前對(duì)上臺(tái)階CD法的研究還相對(duì)較少，尤其是對(duì)超大跨度公路隧道上臺(tái)階CD法臨時(shí)支護(hù)的研究目前還處于空白狀態(tài)。因此，對(duì)上臺(tái)階CD法臨時(shí)支護(hù)的變形規(guī)律和安全性的研究是很有必要的。

采用直墻式臨時(shí)支護(hù)相比曲墻式臨時(shí)支護(hù)具有減少施工步驟、提高立架效率、節(jié)省材料等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于施工中，但是其變形規(guī)律、支護(hù)效果及其安全性的研究尚滯后于工程實(shí)踐。因此，本文以濱萊高速改擴(kuò)建工程佛羊嶺隧道為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值模擬，對(duì)直墻式臨時(shí)支護(hù)的變形規(guī)律及穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

佛羊嶺隧道是雙洞八車道公路隧道，左線長(zhǎng)772m，右線長(zhǎng)775m，兩洞間距8.4～19m，隧道最大開挖跨度21.48m，最大開挖高度14.3m，最大埋深66.6m。

隧址區(qū)為剝蝕低山丘陵地貌區(qū)，土體以第四系殘坡積層含砂粉質(zhì)黏土、殘積土為主，地表多為耕植土，土體類型為松散土體。隧址區(qū)主要巖性為太古代混合花崗巖，屬于Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖無(wú)滑坡、崩塌、泥石流等影響場(chǎng)地穩(wěn)定的不良地質(zhì)現(xiàn)象。隧道整體位于地下水水位以上，無(wú)溶洞發(fā)育現(xiàn)象。

佛羊嶺隧道Ⅳ級(jí)段采用直墻式臨時(shí)支護(hù)的上臺(tái)階CD法開挖，現(xiàn)場(chǎng)施工如圖1所示，隧道設(shè)計(jì)斷面及開挖工序如圖2所示。

圖1 直墻式臨時(shí)支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工

圖2 隧道設(shè)計(jì)斷面及開挖工序

開挖工序?yàn)椋孩傧葘?dǎo)坑上臺(tái)階開挖；②后導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖；③先導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖；④后導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖；⑤核心土與仰拱整體開挖。

2 隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

拱部沉降與凈空收斂量測(cè)是隧道監(jiān)控量測(cè)的主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容[10]，能夠直接反映隧道施工過(guò)程中的穩(wěn)定性情況，同時(shí)為隧道施工質(zhì)量與安全提供必要依據(jù)。為了確定上臺(tái)階CD法直墻式臨時(shí)支護(hù)的效果，本文以佛羊嶺隧道為依托，對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖段進(jìn)行拱部沉降和凈空收斂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)。

2.1 變形監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)佛羊嶺隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工方法，確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和方法。在隧道拱部布置了3個(gè)沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)0，1，2；拱腰和拱腳處布置了3-3’，5-5’，3-4，5-6共4條水平收斂測(cè)線，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1沉降變形

整理佛羊嶺隧道右線Ⅳ級(jí)圍巖段拱部沉降變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，得到各斷面沉降變形的最大沉降速率與最終沉降值，如表1所示，其中將典型斷面YK115+815監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成沉降時(shí)態(tài)曲線如圖4所示。

表1 拱部沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 拱部沉降時(shí)態(tài)曲線

由表1可以看出，各監(jiān)測(cè)斷面的拱部各點(diǎn)最大沉降速率為3.8mm/d，最終沉降最大值為13.3mm，可知監(jiān)測(cè)斷面在初期支護(hù)階段的拱部沉降變形相對(duì)較小，均能滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

根據(jù)圖4中的沉降時(shí)態(tài)曲線可以看出，拱頂偏左(1號(hào)測(cè)點(diǎn))的沉降值相對(duì)較大，穩(wěn)定后的沉降值分別在7.5mm左右，其他兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降幅度則相差不大。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降時(shí)態(tài)曲線大體上呈現(xiàn)為：“初期快速增長(zhǎng)→中期緩慢增長(zhǎng)→后期趨于穩(wěn)定”3個(gè)階段，雖受施工過(guò)程中爆破振動(dòng)等因素的影響，沉降時(shí)態(tài)曲線有微小波動(dòng)，但整體變化規(guī)律一致，且均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量150mm。

2.2.2收斂變形

整理佛羊嶺隧道右線Ⅳ級(jí)圍巖段收斂變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，如表2所示，其中典型斷面YK115+815的收斂變形時(shí)態(tài)曲線如圖5所示。因?yàn)楹髮?dǎo)洞開挖以后臨時(shí)支護(hù)受爆破振動(dòng)等因素的影響，變形雜亂無(wú)規(guī)律，故在后導(dǎo)洞開挖以后，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主斷面收斂變形。

表2 凈空收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 凈空收斂時(shí)態(tài)曲線

從表2中可以看出：隧道各監(jiān)測(cè)斷面凈空收斂的最終相對(duì)收斂值均較小，最大收斂速率為1.4mm/d，最大收斂值為5.1mm，變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量150mm，說(shuō)明隧道在開挖過(guò)程中初期支護(hù)能夠滿足要求。

從圖5中可以看出：隨著后導(dǎo)洞的開挖，變形收斂均先急劇增長(zhǎng)，之后進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)階段，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，即呈現(xiàn)為：“初期快速增長(zhǎng)→中期緩慢增長(zhǎng)→后期趨于穩(wěn)定”3個(gè)階段，且最終均趨于穩(wěn)定，說(shuō)明初期支護(hù)完全能夠滿足要求。

3 隧道變形數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步了解佛羊嶺隧道Ⅳ級(jí)圍巖段直墻式臨時(shí)支護(hù)的上臺(tái)階CD法施工變形規(guī)律和安全性，采用有限元軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以便與實(shí)際施工中的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 建立模型及選取參數(shù)

選取佛羊嶺隧道右線典型斷面YK115+815建立有限元典型斷面模型，該隧道開挖跨度為21m，建模時(shí)兩側(cè)寬度取140m，隧道下方取3倍隧道跨度，隧道上方根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙取50m，左右兩側(cè)界面施加水平方向約束，底面施加垂直方向約束，初始地應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力的影響。視圍巖為理想彈塑形材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型，初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)采用梁?jiǎn)卧?，錨桿采用植入式桁架單元，荷載釋放系數(shù)為4∶3∶3。計(jì)算模型如圖6所示，材料參數(shù)如表3，4所示。

圖6 計(jì)算模型

表3 支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

表4 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 變形結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)佛羊嶺隧道YK115+815斷面上臺(tái)階CD法采用直墻式臨時(shí)支護(hù)施工引起的豎向位移云圖進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論。

1)佛羊嶺隧道YK115+815斷面豎向位移和水平位移均呈現(xiàn)出左右兩側(cè)對(duì)稱的變形規(guī)律。

2)根據(jù)豎向位移圖，拱頂處變形量較大，現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)注意采取加固措施。

將數(shù)值模擬結(jié)果與YK115+815斷面拱部沉降實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，豎向位移對(duì)比結(jié)果如表5所示、水平位移對(duì)比結(jié)果如表6所示。

表5 拱部沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表6 凈空收斂模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

對(duì)比拱部沉降和凈空收斂的實(shí)測(cè)值與模擬值，可以得出以下結(jié)論。

1)大部分實(shí)測(cè)值與模擬值相比結(jié)果偏小，原因是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)設(shè)備時(shí)，隧道已經(jīng)開挖并產(chǎn)生變形，這部分變形現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法監(jiān)測(cè)到。

2)無(wú)論豎向位移還是水平位移，盡管數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)測(cè)值略大，但均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量150mm，因此佛羊嶺隧道YK115+815斷面上臺(tái)階CD法采用直墻式臨時(shí)支護(hù)施工是安全的。

3.3 安全系數(shù)分析

采用JTG/TD70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中的綜合安全系數(shù)法對(duì)超大跨公路隧道初期支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)度校核與評(píng)價(jià)。在計(jì)算鋼架和噴射混凝土承擔(dān)的軸力和彎矩時(shí)，將初期支護(hù)承擔(dān)的總軸力和總彎矩按式(1)～(3)分擔(dān)給鋼架和噴射混凝土。

(1)

(2)

Mg=M

(3)

式中：N，M為單位長(zhǎng)度內(nèi)的總軸力和總彎矩；Ah，Ag為噴射混凝土和鋼架的截面面積；Eh，Eg為噴射混凝土及鋼架的彈性模量；Nh，Ng為噴射混凝土及鋼架分別承受的軸力；Mh，Mg為噴射混凝土及鋼架分別承受的彎矩。

噴射混凝土及鋼架強(qiáng)度采用綜合安全系數(shù)法進(jìn)行校核時(shí)，其強(qiáng)度應(yīng)符合式(4)～(6)規(guī)定：

KhyNh≤αRhyAh

(4)

(5)

(6)

式中：Rhy為噴射混凝土的抗壓極限強(qiáng)度；Rgy為鋼架鋼材的抗壓極限強(qiáng)度；Rgl為鋼架鋼材的抗拉極限強(qiáng)度；Khy為噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度綜合安全系數(shù)；Kg為鋼架的抗壓、抗拉強(qiáng)度綜合安全系數(shù)；Wg為鋼架截面抗彎剛度；α為偏心影響系數(shù)。

從表7，8可以看出，噴射混凝土抗壓安全系數(shù)大于規(guī)范最小安全系數(shù)2.4、鋼架的抗壓和抗拉安全系數(shù)均大于規(guī)范最小安全系數(shù)2，滿足安全施工要求，所以上臺(tái)階CD法采用直墻式臨時(shí)支護(hù)施工受力情況合理，結(jié)構(gòu)整體安全性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值模擬的結(jié)果可知拱部沉降和凈空收斂變形均較小，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，說(shuō)明超大跨度公路隧道在Ⅳ級(jí)圍巖段，上臺(tái)階CD法采用直墻式臨時(shí)支護(hù)施工時(shí)，圍巖和初期支護(hù)變形是滿足要求的。

表7 初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

表8 臨時(shí)支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

2)由監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知沉降和收斂變形主要分為3個(gè)階段：急劇增長(zhǎng)-緩慢增長(zhǎng)-相對(duì)穩(wěn)定；隨著后導(dǎo)洞的開挖，先導(dǎo)洞變形持續(xù)增長(zhǎng)，之后變形緩慢增長(zhǎng)，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3)從安全系數(shù)分析結(jié)果來(lái)看，噴射混凝土抗壓安全系數(shù)與型鋼鋼架抗壓和抗拉安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明超大跨度公路隧道在Ⅳ級(jí)圍巖段，上臺(tái)階CD法采用直墻式臨時(shí)支護(hù)時(shí)臨時(shí)支護(hù)的安全性是滿足要求的。