淺埋超大跨度公路隧道施工工法探討

冉 龍 洲

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

1 概述

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和隧道工程領(lǐng)域相關(guān)研究的不斷深入，四車(chē)道及以上的超大跨度公路隧道越來(lái)越多，地質(zhì)及環(huán)境條件也越來(lái)越復(fù)雜。四車(chē)道及以上的超大斷面公路隧道最顯著的特征是斷面大，跨度大，扁平率小[1,2]。為了保證施工的安全，施工時(shí)幾乎均選用分部開(kāi)挖法。諸多研究均表明：四車(chē)道超大跨度隧道與常規(guī)隧道有較大的差別。張兆杰[3]結(jié)合沈大高速公路擴(kuò)建工程金州隧道，對(duì)超大跨隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為超大跨圍巖總體失穩(wěn)模式與普通雙車(chē)道隧道有較大差別，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，中洞上部施工應(yīng)作為整個(gè)施工過(guò)程的控制程序。王春河等[4]以濟(jì)南龍鼎隧道為工程背景，系統(tǒng)開(kāi)展了上下臺(tái)階法和CRD法開(kāi)挖方式下超大斷面隧道軟弱圍巖控制機(jī)制數(shù)值試驗(yàn)。張俊儒等[5]對(duì)目前所有超大跨度隧道進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，并全面總結(jié)了目前超大跨度隧道設(shè)計(jì)、施工等方面的進(jìn)展和存在的問(wèn)題。

由于分部開(kāi)挖具有工序多、步序轉(zhuǎn)換多、施工效率低的特點(diǎn)，施工工法的選擇，往往成為超大跨度隧道設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)。本文以四川某四車(chē)道高速公路為例，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段超大跨度公路隧道的施工工法進(jìn)行探討，以數(shù)值分析為手段，分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法在超大跨度公路隧道中的適用性。

2 工程案例

某高速公路為雙向八車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)速度120 km/h，隧道建筑限界為19.0 m×5.0 m；隧道內(nèi)輪廓擬定為三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，其尺寸為20.25 m×12.12 m，斷面面積192.64 m2(含仰拱)。隧址區(qū)巖性為基巖，主要為粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，局部夾泥質(zhì)粉砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖。隧道洞口淺埋段支護(hù)參數(shù)為：系統(tǒng)錨桿φ25中空注漿錨桿，L=4.5 m，間距100 cm×50 cm，梅花形布置；初期支護(hù)采用雙層初期支護(hù)形式，第一層初期支護(hù)采用Ⅰ22b型鋼鋼架，間距60 cm，噴射混凝土28 cm，第二層初期支護(hù)采用Ⅰ22b型鋼鋼架，間距60 cm，噴射混凝土24 cm；二襯采用70 cm鋼筋混凝土。淺埋段襯砌斷面如圖1所示，開(kāi)挖面積264 m2。

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型的建立

采用地層—結(jié)構(gòu)法，運(yùn)用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維計(jì)算模型。其中，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬；圍巖采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，錨桿采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型尺寸63 m×48 m×60 m，如圖2所示，模型邊界約束對(duì)應(yīng)方向的位移。

計(jì)算模型中，巖土體采用摩爾—庫(kù)侖模型，初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)等采用彈性模型，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

模擬中，對(duì)相應(yīng)的單元采取“鈍化”操作模擬開(kāi)挖，采用“激活”單元操作模擬施加襯砌。雙層初期支護(hù)采用組合梁?jiǎn)卧姆绞剑丛诔跗谥ёo(hù)時(shí)板單元厚度為第一層初期支護(hù)的厚度，在進(jìn)行第二層初期支護(hù)施工時(shí)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元厚度修改為雙層初期支護(hù)按照組合梁等代剛度計(jì)算的等效厚度。

3.2 計(jì)算步序

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計(jì)算施工步序同實(shí)際設(shè)計(jì)步序，如圖3所示：1)進(jìn)行分部1開(kāi)挖；2)進(jìn)行分部1的支護(hù)，含第一層初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、錨桿等；3)分部2開(kāi)挖；4)分部2的支護(hù)；5)分部3開(kāi)挖；6)分部3支護(hù)；7)分部4開(kāi)挖；8)分部4支護(hù)；9)分部5開(kāi)挖；10)分部5支護(hù)；11)分部6開(kāi)挖；12)分部6支護(hù)；13)進(jìn)行第二層初期支護(hù)施工；14)拆除臨時(shí)支護(hù)。

分部6支護(hù)后，仰拱初支封閉，同一斷面初支封閉成環(huán)。待初支全部封閉成環(huán)后，再進(jìn)行第二層初期支護(hù)施工。

CD法開(kāi)挖分塊及步序如圖4所示，詳細(xì)建模及計(jì)算步序此處不再贅述。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 沉降分析

分別從地表橫向沉降槽、縱向沉降槽以及隧道的收斂變形方面，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5所示為不同工法施工下的地表橫向沉降特征。從圖5可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的最大沉降約5.3 mm，CD法施工引起的最大沉降約7.13 mm，CD法施工引起的地表沉降值比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法增加約34.53%。

圖6所示為在不同掌子面位置對(duì)應(yīng)的地表沉降槽特征。從圖6可以看出，掌子面施工引起前方沉降的影響范圍約為20 m，掌子面后方約25 m地表沉降達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；CD法施工引起的地表沉降值大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。CD法施工由于掌子面開(kāi)挖面大，對(duì)前方的影響范圍略大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。但CD法施工步序少，整體封閉快，CD法開(kāi)挖引起的沉降比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更快趨于穩(wěn)定。

4.2 隧道變形分析

圖7，圖8所示分別為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法施工引起的隧道變形特征。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起隧道拱頂最大沉降7.0 mm，隧道仰拱隆起5.1 mm，隧道豎向收斂12.1 mm；CD法引起的隧道拱頂最大沉降約9.53 mm，仰拱隆起約7.78 mm，隧道豎向收斂17.31 mm。CD法引起的沉降比雙側(cè)導(dǎo)坑法大36.14%，豎向收斂變形大約43.06%，但所有沉降和變形值均較小，屬于可控范圍內(nèi)。

4.3 土體塑性開(kāi)展區(qū)分析

圖9，圖10所示分別為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖和CD法開(kāi)挖引起的周?chē)鷰r土體的塑性區(qū)分布范圍?？梢钥闯?，兩種施工工法引起的塑性區(qū)區(qū)域大致相當(dāng)，主要在側(cè)壁及仰拱拱腳位置；CD法施工引起的等效塑性應(yīng)變值明顯大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，塑性區(qū)深度也大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。兩種工法在隧道周邊均未形成大范圍的貫通塑性區(qū)，隧道不存在大范圍坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)數(shù)值分析，對(duì)四車(chē)道超大跨度隧道淺埋暗挖段工法選擇進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：1)CD法施工引起的地表沉降約比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大34.53%，隧道收斂變形大43.06%；CD法施工引起的隧道周邊塑性區(qū)范圍與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法基本相似，范圍更大，但均未形成貫通塑性區(qū)；2)Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段超大跨度施工中，CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的沉降、變形及塑性區(qū)范圍均屬于可控范圍；3)鑒于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法步序復(fù)雜，封閉時(shí)間更長(zhǎng)，因此引起的沉降收斂時(shí)間更長(zhǎng)；4)通過(guò)研究可知，兩種工法均可適用于Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段四車(chē)道大跨度隧道施工。但由于數(shù)值計(jì)算考慮的是施工支護(hù)、地質(zhì)情況均較理想化的情況，在實(shí)際工程中，需結(jié)合施工工期、工程地質(zhì)條件、施工組織情況進(jìn)行工法的選擇，在施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)和施工控制。本文的研究對(duì)于工法選擇具有一定的指導(dǎo)意義。