超大跨度公路隧道進洞方案研究

李合銀，侯文明，張建剛，李 超

(1. 中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471031； 2. 長安大學，西安 710064)

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，在新建公路及改擴建公路工程中，超大跨度隧道工程日益增多[1-4]。在隧道進洞施工時，洞口段圍巖破碎，地質(zhì)條件差，易發(fā)生變形與坍塌等工程病害[5-8]。超大跨度公路隧道因其開挖跨度大，斷面形狀更加扁平，在進洞時支護結(jié)構(gòu)受力復雜，更易發(fā)生圍巖失穩(wěn)和襯砌結(jié)構(gòu)開裂與破壞等問題[9-10]，同時由于多次爆破開挖對圍巖造成頻繁擾動，超大跨度隧道極易發(fā)生較大變形從而增加坍塌風險。因此，超大跨度隧道合理進洞方案的選取顯得至關重要。目前國內(nèi)已有的超大跨度公路隧道數(shù)量較少，對于超大跨度公路隧道的進洞方案還沒有形成系統(tǒng)的技術標準[11-12]，且現(xiàn)行隧道設計施工技術規(guī)范沒有給出單洞四車道公路隧道支護設計參數(shù)和施工措施的指導，可供參考的類似工程有限，故對超大跨度公路隧道進洞方案的研究十分必要。

以連霍高速公路(編號G30)新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段改擴建工程中的杏花村1號隧道項目為依托，結(jié)合地質(zhì)情況、支護設計及開挖工法，通過數(shù)值模擬手段并利用現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對超大跨度公路隧道進洞方案進行研究，從而確定超大跨度公路隧道合理進洞方案，并為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

杏花村1號隧道位于新疆烏魯木齊市達坂城區(qū)白楊河右岸，是國內(nèi)已建分離式雙洞八車道公路隧道，于2020年6月正式通車。其最大開挖跨度為22.56 m，最大開挖高度為14.65 m，屬于超大跨度隧道。杏花村1號隧道上行線長為940 m，下行線長為1 191 m，隧道設計參數(shù)如表1所示。

表1 隧道設計參數(shù)

1.1 洞口段地層巖性

隧道進口段坡體緩傾，坡面基巖直接出露，巖體表層風化嚴重，巖體破碎，風化層厚度為2～5 m，下覆中風化鑲嵌基巖，無崩塌及滑坡現(xiàn)象；出口段坡面較陡，巖體層理清晰且表層風化嚴重，巖層呈中薄層狀，中風化及微風化巖體呈中厚層狀與塊狀，中風化及微風化巖層層間結(jié)合緊密，硅鈣質(zhì)填充較好，山坡巖體總體較完整，偶有掉塊。坡面發(fā)育有幾條小型匯流槽，并且有小型沖蝕現(xiàn)象。

1.2 洞口段襯砌類型

隧道洞口段襯砌類型分布如表2所示。

表2 隧道洞口段襯砌類型分布

在巖石強度及完整性系數(shù)的基礎上，考慮圍巖特征和環(huán)境等因素，為杏花村1號隧道圍巖分級。根據(jù)不同圍巖等級，選取不同支護參數(shù)的襯砌類型。杏花村1號隧道上行線進洞口段襯砌類型以S5a級為主，出洞口段圍巖以S4a級為主，下行線進洞口段襯砌類型以S5a級為主，出洞口段圍巖以S5b級為主。

2 進洞施工難點

(1) 該隧道最大開挖跨度達22.56 m，最大斷面面積為264.09 m2，結(jié)構(gòu)受力與普通隧道相比更為復雜，洞口段圍巖主要為凝灰?guī)r，揭露圍巖節(jié)理較為發(fā)育，進洞施工安全風險大。

(2) 洞口埋深淺，施工質(zhì)量標準高，施工組織復雜，工序轉(zhuǎn)換頻繁，施工難度大且工程進度緩慢。

3 進洞方案

3.1 施工工法的選取

通過對已建超大跨度公路隧道的施工工法調(diào)研，超大跨度公路隧道Ⅳ級和Ⅴ級圍巖一般采用臺階法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)及雙側(cè)壁導坑法等施工工法。結(jié)合杏花村1號隧道洞口段圍巖狀況，同時考慮到多次爆破開挖對圍巖造成的擾動，有發(fā)生較大變形和坍塌的風險。雙側(cè)壁導坑法能夠?qū)⑺淼来罂缍乳_挖轉(zhuǎn)換為多個小跨度開挖，且開挖后每個小部分各自閉合，能夠較好地控制圍巖變形，因此選用雙側(cè)壁導坑法開挖進洞，同時通過數(shù)值模擬的方法對選用雙側(cè)壁導坑法的安全性進行驗證。

計算工況選取隧道Ⅴ級圍巖淺埋及斷層破碎帶段受力最不利位置，根據(jù)地勘資料，Ⅴ級圍巖淺埋及斷層破碎帶段最不利位置最大埋深約為68 m。

為簡化計算過程，數(shù)值模擬給出的設定為：①所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性；②圍巖采用平面單元模擬，噴射混凝土、鋼架和二次襯砌采用梁單元模擬；③圍巖材料選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)模型；④不考慮空間效應，采用二維平面計算模型。

圍巖物理力學參數(shù)如表3所示，臨時支護及初期支護的物理力學和幾何參數(shù)如表4所示。

表3 圍巖物理力學參數(shù)

表4 臨時支護及初期支護的物理力學和幾何參數(shù)

根據(jù)最不利工況實際埋深及隧道結(jié)構(gòu)尺寸，采用有限元數(shù)值分析軟件midas GTS NX建立相應的數(shù)值模型，隧道洞口開挖數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 隧道洞口開挖數(shù)值模型

由計算結(jié)果可知，雙側(cè)壁導坑法施工整體變形較小，最大變形出現(xiàn)在先行導坑臨時支撐處，在拆除臨時支撐前，臨時支護最大變形為28 mm，臨時支護拆除前支護結(jié)構(gòu)變形矢量圖如圖2所示。初期支護最大變形主要位于拱頂和仰拱底部，表現(xiàn)為支護結(jié)構(gòu)向隧道內(nèi)部空間的收斂變形，初期支護在成環(huán)后拆除臨時支護前的最大變形為12 mm。臨時支護拆除后，初期支護收斂變形為23 mm，其值較拆除臨時支撐前略有增加，臨時支護拆除后支護結(jié)構(gòu)變形矢量圖如圖3所示，最大變形位置主要出現(xiàn)在拱頂、仰拱底部以及原臨時支撐與初期支護連接部位。

圖2 臨時支護拆除前支護結(jié)構(gòu)變形矢量圖

圖3 臨時支護拆除后支護結(jié)構(gòu)變形矢量圖

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)中關于復合式襯砌初期支護允許洞周相對收斂值的規(guī)定，本計算段的允許拱頂相對下沉收斂值可采用0.3%進行控制，計算下沉值為23 mm，總高度為1 330 cm，相對下沉收斂值為0.17%。結(jié)果表明，采用雙側(cè)壁導坑法能有效控制沉降，支護結(jié)構(gòu)下沉收斂值滿足規(guī)范要求。

襯砌段開挖完成后會在洞周形成部分圍巖塑性區(qū)，圍巖塑性區(qū)如圖4所示，塑性區(qū)主要集中于拱腰以及拱腳位置，因此在采用雙側(cè)壁導坑法開挖時，應加強監(jiān)控量測，掌握合理的支護時間，做好超前支護，充分發(fā)揮超前支護對圍巖的預加固作用，確保圍巖在開挖過程中的安全與穩(wěn)定。

圖4 圍巖塑性區(qū)

數(shù)值模擬計算結(jié)果表明：采用雙側(cè)壁導坑法能夠?qū)ⅱ跫墖鷰r淺埋及斷層破碎帶段支護結(jié)構(gòu)變形控制在規(guī)范允許限值內(nèi)，確保整個施工過程的安全性，施工工法合理且可靠。

3.2 進洞控制措施與開挖方法

3.2.1 進洞控制措施

杏花村1號隧道上行線進洞口段圍巖較破碎，該段為淺埋段，襯砌類型由S5a級向S5c級過渡，在S5a段先按設計要求施作超前大管棚，管棚施工完畢再采用超前小導管注漿加固洞周圍巖，考慮到支護結(jié)構(gòu)的整體性，超前小導管與管棚需超前搭接，實際搭接長度為5 m。進洞施工工法采用雙側(cè)壁導坑法，結(jié)合洞口段的不利地質(zhì)條件，S5a段和S5b段采用雙層初期支護對圍巖進行支護，保證進洞的安全性，其他襯砌段采用單層初期支護；隧道上行線出洞口段揭露圍巖為Ⅳ級，圍巖條件較好，首先進行邊仰坡和洞頂截水溝的施作，再按設計要求施工超前小導管，完成進洞準備。

杏花村1號隧道下行線進出洞口段均為Ⅴ級圍巖，選用雙側(cè)壁導坑法開挖進洞，施工時輔以超前大管棚和超前小導管等對圍巖進行支護。先施工大管棚，管棚施工完畢后設置超前小導管，超前小導管施工時搭接管棚距離為5 m。結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果和洞口實際圍巖情況，隧道進洞控制措施及開挖工法如表5所示，洞口襯砌類型及參數(shù)如表6 所示。

表5 隧道進洞控制措施及開挖工法

表6 洞口襯砌類型及參數(shù)

3.2.2 開挖方法

杏花村1號隧道進出口段邊坡較陡，區(qū)域巖石屬于強風化凝灰?guī)r，巖體表層風化嚴重，層間結(jié)合差，巖體較破碎，圍巖條件差，進洞均采用雙側(cè)壁導坑法施工，雙側(cè)壁導坑法開挖示意如圖5所示。為確保進洞階段施工安全，雙側(cè)壁導坑法每循環(huán)進尺長度為1榀拱架間距，Ⅴ級圍巖S5a、S5b和S5c型襯砌在導坑法施工過程中，導坑長度不得大于8 m，二襯與最遠掌子面距離不宜大于55 m；S5d和S4a型襯砌在導坑法施工過程中，導坑長度不得大于12 m，二襯與最遠掌子面距離不宜大于75 m。

圖5 雙側(cè)壁導坑法開挖示意

4 監(jiān)控量測分析

4.1 監(jiān)控量測方案及內(nèi)容

根據(jù)隧道的結(jié)構(gòu)特點、施工工藝以及現(xiàn)場地質(zhì)情況，確定監(jiān)測項目和方法。采用國內(nèi)較成熟的測試手段對隧道施工中的關鍵斷面進行跟蹤監(jiān)測，初期支護測點布置如圖6所示。

圖6 初期支護測點布置

隧道初期支護的監(jiān)測項目主要包括拱頂下沉和凈空收斂，初期變形監(jiān)測頻率要求較高，待變形值穩(wěn)定后監(jiān)測頻率適當減少，現(xiàn)場測試項目及監(jiān)測頻率如表7所示。

表7 現(xiàn)場測試項目及監(jiān)測頻率

4.2 現(xiàn)場實施效果分析

在杏花村1號隧道上、下行線洞口段埋設變形監(jiān)測測點，對隧道的拱部沉降和凈空收斂進行長期監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果指導現(xiàn)場施工。選取上行線出洞口Ⅳ級圍巖斷面SK3495+490和上行線進洞口Ⅴ級圍巖斷面SK3494+580這2個典型斷面進行分析研究。

1) 斷面SK3495+490

SK3495+490斷面測點累計變形量統(tǒng)計如表8所示。SK3495+490斷面拱頂沉降時態(tài)曲線如圖7所示；SK3495+490斷面周邊收斂時態(tài)曲線如圖8所示。

圖7 SK3495+490斷面拱頂沉降時態(tài)曲線

圖8 SK3495+490斷面周邊收斂時態(tài)曲線

表8 SK3495+490斷面測點累計變形量統(tǒng)計

由表8可知，斷面SK3495+490的拱頂沉降最大值發(fā)生在1號測點(拱頂偏左)，為17.38 mm；周邊收斂最大值發(fā)生在5-5′號測點(左拱腳至臨時支撐)，為14.68 mm，均小于預留變形量的100 mm。

由圖7可知，對于隧道的拱頂沉降，當開挖1部和2部時，分別埋設1號和2號測點，此時沉降值增長迅速；3部和4部開挖之后，沉降值繼續(xù)增長，直到5部開挖后，1號和2號測點沉降值增長緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖8可知，對于隧道的周邊收斂，開挖1部和2部后，拱腰與臨時支撐之間的收斂值迅速增長；3部和4部開挖后，收斂值沒有產(chǎn)生突變，可以看出其開挖對收斂的影響較?。浑S著5部的開挖，由于原來5部作用在1部和2部臨時支撐上的圍巖壓力消失，臨時支撐缺少了來自5部的約束力，所以臨時支撐短暫向5部擴張，此時拱腰與臨時支撐間不再收斂，從圖8中可以明顯看出隨著5部的開挖，收斂值產(chǎn)生短暫的下降，當臨時支撐在1部、2部和5部之間達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，收斂逐漸呈現(xiàn)緩慢變化趨勢，待支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)后逐漸穩(wěn)定。

總體來說，拱頂沉降時態(tài)曲線呈緩坡臺階式增長，各個拱頂沉降觀測點的沉降值前期增長較快，隨著時間推移，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定；周邊收斂時態(tài)曲線整體呈增長趨勢，隨著隧道支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，收斂值也逐漸趨于穩(wěn)定。

2) 斷面SK3494+580

SK3494+580斷面測點累計變形量統(tǒng)計如表9所示。SK3494+580斷面拱頂沉降時態(tài)曲線如圖9所示；SK3494+580斷面周邊收斂時態(tài)曲線如圖10所示。

由表9可得，斷面SK3494+580的拱頂沉降最大值發(fā)生在1號測點(拱頂偏左)，為21.13 mm；周邊收斂最大值發(fā)生在3-3′號測點(左拱腰至臨時支撐)，為15.99 mm，均小于預留變形量的150 mm。

表9 SK3494+580斷面測點累計變形量統(tǒng)計

由圖9和圖10可知，SK3494+580斷面各個測點的沉降和收斂隨開挖工序的變化規(guī)律與斷面SK3495+490斷面基本一致。

圖9 SK3494+580斷面拱頂沉降時態(tài)曲線

圖10 SK3494+580斷面周邊收斂時態(tài)曲線

總體來看，時態(tài)曲線呈緩坡臺階式增長，各個拱頂沉降觀測點的沉降值前期增長較快，隨著時間推移，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定；周邊收斂時態(tài)曲線整體呈增長趨勢，隨著隧道支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，收斂值也逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上，拱頂沉降時態(tài)曲線和周邊收斂時態(tài)曲線均呈緩坡臺階式增長趨勢，沉降值和收斂值均表現(xiàn)為前期增長較快，隨著時間推移變形量逐漸趨于穩(wěn)定。因此，在杏花村1號隧道洞口段進洞施工中，采用上述進洞方案能使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)安全進洞。

5 結(jié)論

通過對杏花村1號隧道進洞方案的研究，得出以下結(jié)論。

(1) 杏花村1號隧道Ⅳ級圍巖洞口段采用雙側(cè)壁導坑法施工，輔以超前錨桿進行加固。Ⅳ級圍巖斷面拱部沉降最大值為17.38 mm，周邊收斂最大值為14.68 mm。

(2) 杏花村1號隧道Ⅴ級圍巖洞口段采用雙側(cè)壁導坑法施工，輔以超前小導管和超前大管棚進行加固。Ⅴ級圍巖斷面拱部沉降最大值為21.13 mm，周邊收斂最大值為15.99 mm。

(3) Ⅳ級圍巖洞口斷面的累計變形量遠小于設計預留變形量的100 mm；Ⅴ級圍巖洞口斷面的累計變形量遠小于設計預留變形量的150 mm。

(4) 實際進洞施工采用的雙側(cè)壁導坑法的拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測值與數(shù)值模擬計算值比較吻合，說明數(shù)值模擬能夠較好為施工工法的選擇提供依據(jù)。

(5) 根據(jù)現(xiàn)場實測值，S5a和S5b段采用雙層初期支護能夠較好控制拱部沉降和周邊收斂，而且累計變形量也遠小于預留變形量，增強進洞施工的安全性。

(6) 根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，隨著時間推移，拱頂沉降和周邊位移能夠較快趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明進洞施工采用的雙側(cè)壁導坑法和超前支護措施能夠很好地確保進洞施工安全性，采用上述進洞方案能使隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進洞方案安全、合理，可為今后類似工程提供參考。