超大跨度公路隧道超前支護(hù)措施研究

馬湘波，臧春雷，王 倫，秦童童，陳文鵬

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

0 引言

近年來，隨著我國機動車保有量和公路交通量的迅猛增長，城市道路交通堵塞與高速公路“通而不暢”等問題日益突出，原有雙向4車道、6車道公路已不能滿足社會需求，因此一大批雙向8車道公路應(yīng)運而生，隨之雙向8車道即單洞4車道超大跨度公路隧道的數(shù)量也日益增多[1-2]。

超大跨度公路隧道開挖面積大、結(jié)構(gòu)扁平、施工工序復(fù)雜，圍巖荷載分布及支護(hù)力學(xué)特性復(fù)雜多變，尤其在軟弱圍巖及斷層、破碎帶等不良地質(zhì)條件下，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)坍塌和隧道襯砌開裂破壞等問題[3-5]。隧道建設(shè)中，主要通過超前大管棚和超前小導(dǎo)管等輔助措施達(dá)到加固圍巖、控制圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的目的[6-7]。然而，目前國內(nèi)超大跨度公路隧道數(shù)量還很少，尚未形成系統(tǒng)的針對超大跨度公路隧道的設(shè)計和施工規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，超大跨度公路隧道穿越不良地質(zhì)條件時面臨超前支護(hù)的參數(shù)設(shè)計無據(jù)可依、無例可鑒的困境，給施工造成極大不便。因此，對超大跨度公路隧道超前支護(hù)措施進(jìn)行研究十分必要。

本文以濱萊高速公路改擴(kuò)建工程樂疃隧道為工程依托，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，對超大跨度公路隧道超前支護(hù)措施在不同圍巖條件下的應(yīng)用及其支護(hù)效果進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

樂疃隧道為濱萊高速公路改擴(kuò)建工程隧道群中最長的一座，位于淄博市博山區(qū)樵嶺前村東北側(cè)約800m處，為雙洞8車道分離式隧道。隧道設(shè)計速度為100km/h，最大埋深118.5m，最大開挖跨度21.5m，最大開挖高度14.3m。隧道左線長2 010m，右線長1 995m，為超大跨度公路長隧道。樂疃隧道洞身處有一段棚洞橋結(jié)構(gòu)，開挖時由隧道進(jìn)口、隧道出口和棚洞橋大、小里程洞口端對向掘進(jìn)，左、右線共計6個工作面，隧道設(shè)計參數(shù)如表1所示，縱斷面如圖1所示。

表1 樂疃隧道設(shè)計參數(shù)

圖1 樂疃隧道縱斷面

1.2 地質(zhì)概況

隧址區(qū)為剝蝕低山丘陵地貌區(qū)，相對高度>100m，局部基巖出露。隧道洞口段地勢較低，覆蓋層較薄，地形坡度較陡，坡度約33°，第四系覆蓋層分布不均勻，厚0.8～3.5m。隧址區(qū)出露和揭露地層以中奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，層狀構(gòu)造，巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部溶蝕裂隙發(fā)育，裂隙面見泥質(zhì)充填，穩(wěn)定性較差。

2 超前支護(hù)措施

樂疃隧道采用的超前支護(hù)措施主要為超前大管棚和超前小導(dǎo)管。隧道施工過程中根據(jù)圍巖條件及施工難度對其進(jìn)行搭配組合或適當(dāng)調(diào)整其尺寸參數(shù)以達(dá)到加固圍巖、控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、保證施工安全的目的。此措施在超大跨度隧道施工中極具代表性，故以樂疃隧道所采取措施為例進(jìn)行分析。同時，由于圍巖變形與初期支護(hù)強度有著密切關(guān)系，故將初期支護(hù)設(shè)計參數(shù)作為一種分析背景進(jìn)行交代。

2.1 超前大管棚支護(hù)

洞口段是隧道的咽喉部位，圍巖往往軟弱破碎，穩(wěn)定性差且成拱能力弱，給隧道施工帶來較大困難[8-9]，故一般采用超前大管棚進(jìn)行預(yù)加固以達(dá)到良好的控制圍巖變形的效果[10-11]。樂疃隧道各洞口段圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，裂隙面見泥質(zhì)充填，地質(zhì)條件較差，進(jìn)洞前設(shè)置超前大管棚支護(hù)對圍巖進(jìn)行加固以保護(hù)洞口段施工，設(shè)置范圍應(yīng)綜合考慮洞口段及圍巖條件過渡段進(jìn)行確定。超前大管棚設(shè)計參數(shù)如表2所示，設(shè)計如圖2所示。

表2 樂疃隧道超前大管棚設(shè)計參數(shù)

圖2 洞口段超前大管棚設(shè)計(單位：cm)

施工時先進(jìn)行套拱施作，套拱沿隧道軸向長2m、厚0.7m。先按設(shè)計尺寸架立4榀I25a，間距60cm，然后預(yù)埋導(dǎo)向管，環(huán)向間距40cm，在拱部122°35′范圍內(nèi)布置，接著以預(yù)留核心土作為支撐，搭建模板，最后澆筑C30混凝土形成套拱，套拱施作如圖3所示。以套拱作為支撐，采用裝載機和管棚鉆機鉆進(jìn)相結(jié)合的工藝進(jìn)行棚管頂進(jìn)，鋼管沿隧道周邊以外插角1°(不包括路線縱坡)方向打入圍巖，最后進(jìn)行注漿作業(yè)以完成施工。

圖3 套拱施作

2.2 雙排超前小導(dǎo)管支護(hù)

雙排超前小導(dǎo)管支護(hù)適用于超大跨度隧道V級圍巖段預(yù)加固。樂疃隧道V級圍巖段巖體極破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，采用上臺階CD法開挖，采取雙排超前小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施并向IV級圍巖段進(jìn)行適當(dāng)延伸，通過注漿提高圍巖自身承載力，改善結(jié)構(gòu)受力條件，以保證隧道施工安全，雙排超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)如圖4所示。超前小導(dǎo)管采用φ50×5 熱軋無縫鋼管，使用風(fēng)動鑿巖機鉆孔并導(dǎo)入，第1排長3.0m，環(huán)向間距40cm，外插角為8°～12°，搭接長度1.2m；第2排長4.5m，環(huán)向間距40cm，外插角為3°～6°，搭接長度為1.5m。在導(dǎo)管管壁間隔10cm進(jìn)行鉆孔，孔徑為10mm，梅花形布置在導(dǎo)管表面，尾部留1.0m止?jié){段。

圖4 V級圍巖段雙排超前小導(dǎo)管設(shè)計(單位：cm)

2.3 單排超前小導(dǎo)管支護(hù)

單排超前小導(dǎo)管支護(hù)適用于超大跨度隧道IV級圍巖段預(yù)加固。樂疃隧道IV級圍巖段巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，采用上臺階CD法開挖，采取單排φ50×5 超前小導(dǎo)管作為輔助措施并向III級圍巖段合理延伸，加固拱周軟弱巖體以提高圍巖穩(wěn)定性，其具體設(shè)計參數(shù)如圖5所示。超前小導(dǎo)管長4.5m，環(huán)向間距40cm，外插角為5°～8°，搭接長度為1.5m，對稱布置在隧道中心線兩側(cè)120°拱頂范圍內(nèi)。

圖5 IV級圍巖段單排超前小導(dǎo)管設(shè)計(單位：cm)

3 隧道監(jiān)控量測

3.1 監(jiān)控量測內(nèi)容與方案

為確保樂疃隧道施工安全和工程質(zhì)量，本項目對圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)控量測，量測項目包括初期支護(hù)拱頂沉降、周邊收斂等。隧道監(jiān)測項目及監(jiān)測頻率如表3所示，變形測點布置如圖6所示。

表3 現(xiàn)場測試項目及量測方法

圖6 樂疃隧道初期支護(hù)變形試驗段測點布置

3.2 監(jiān)控量測結(jié)果分析

對樂疃隧道全線的初期支護(hù)變形進(jìn)行長期監(jiān)測，并根據(jù)測點位置和監(jiān)測結(jié)果整理出關(guān)鍵點的最大沉降量和最大收斂量。對應(yīng)于各超前支護(hù)措施，分別選取施工標(biāo)準(zhǔn)度最高的3個典型斷面進(jìn)行分析，分別是位于淺埋洞口段的ZK105+957斷面、位于V級圍巖段的ZK105+942斷面和位于IV級圍巖段的ZK105+892斷面。

3.2.1斷面ZK105+957

樂疃隧道淺埋洞口段斷面ZK105+957各觀測點的最大沉降值及收斂值如表4所示。拱頂沉降時態(tài)曲線與周邊收斂時態(tài)曲線分別如圖7所示。

表4 ZK105+957斷面測點最大變形量統(tǒng)計

圖7 ZK105+957斷面拱頂沉降及周邊收斂時態(tài)曲線(2017年)

由表4及圖7可知，斷面ZK105+957的初期支護(hù)拱頂沉降最大值出現(xiàn)在2號測點(拱頂偏右)，為25.6mm，僅占預(yù)留變形量的17.0%；周邊收斂最大值出現(xiàn)在0-6(拱頂至右拱腳)，為14.5mm，僅占預(yù)留變形量的9.7%，均遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量150mm。圍巖及初期支護(hù)變形規(guī)律為先急劇增長，再緩慢變形，最后于仰拱施作即初期支護(hù)閉合成環(huán)后6d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2斷面ZK105+942

樂疃隧道V級圍巖段斷面ZK105+942各觀測點的最大沉降值及收斂值如表5所示。拱頂沉降時態(tài)曲線和周邊收斂時態(tài)曲線如圖8所示。

表5 ZK105+942斷面測點最大變形量統(tǒng)計

圖8 ZK105+942斷面拱頂沉降及周邊收斂時態(tài)曲線(2017年)

由表5及圖8可得，斷面ZK105+942的初期支護(hù)拱頂沉降最大值出現(xiàn)在2號測點(拱頂偏右)，為21.3mm，僅占預(yù)留變形量的14.2%；周邊收斂最大值出現(xiàn)在0-5(拱頂至左拱腳)，為20.2mm，僅占預(yù)留變形量的13.5%，均遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量150mm。圍巖及初期支護(hù)變形規(guī)律為先急劇增長，再緩慢變形，最后于仰拱施作即初期支護(hù)閉合成環(huán)后14d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.3斷面ZK105+892

樂疃隧道IV級圍巖段斷面ZK105+892各觀測點的最大沉降值及收斂值如表6所示。拱頂沉降時態(tài)曲線和周邊收斂時態(tài)曲線如圖9所示。

表6 ZK105+892斷面測點最大變形量統(tǒng)計

圖9 ZK105+942斷面拱頂沉降及周邊收斂時態(tài)曲線(2017年)

由表6及圖9可得，斷面ZK105+892的初期支護(hù)拱頂沉降最大值出現(xiàn)在2號測點(拱頂偏右)，為27.8mm，僅占預(yù)留變形量的23.2%；周邊收斂最大值出現(xiàn)在5-6(主斷面拱腳)，為25.3mm，僅占預(yù)留變形量的21.1%，均遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量120mm。圍巖及初期支護(hù)變形規(guī)律為先急劇增長，再緩慢變形，最后于仰拱施作即初期支護(hù)閉合成環(huán)后16d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文通過對樂疃隧道各超前支護(hù)措施的研究，得出以下結(jié)論。

1)隧道淺埋洞口段圍巖條件下，以H200×200型鋼鋼架和30cm厚C25噴射混凝土等進(jìn)行初期支護(hù)時，采取φ108×6超前大管棚進(jìn)行超前支護(hù)措施。初期支護(hù)于閉合成環(huán)后6d變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其拱頂沉降最大值為25.6mm，周邊收斂最大值為14.5mm，均遠(yuǎn)小于設(shè)計預(yù)留變形量150mm，說明超前大管棚支護(hù)能有效控制洞口段圍巖變形。

2)隧道V級圍巖條件下，以H200×200型鋼鋼架和30cm厚C25噴射混凝土等進(jìn)行初期支護(hù)時，采取φ50×5雙排超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。初期支護(hù)于閉合成環(huán)后14d變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其拱頂沉降最大值為21.3mm，周邊收斂最大值為20.2mm，均遠(yuǎn)小于設(shè)計預(yù)留變形量150mm，雙排超前小導(dǎo)管能保證隧道V級圍巖段圍巖穩(wěn)定。

3)隧道IV級圍巖條件下，以I20b型鋼鋼架和28cm厚C25噴射混凝土等進(jìn)行初期支護(hù)時，采取φ50×5單排小導(dǎo)管超前支護(hù)。初期支護(hù)于閉合成環(huán)后16d變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其拱頂沉降最大值為27.8mm，周邊收斂最大值為25.3mm，均遠(yuǎn)小于設(shè)計預(yù)留變形量120mm，單排超前小導(dǎo)管能顯著控制隧道IV級圍巖段圍巖變形。