軟弱圍巖分岔大斷面暗挖隧道反挖施工技術(shù)分析*

楊四海，何文聰

(中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011)

0 引言

隧道分岔段向匝道引出的節(jié)點(diǎn)包含多種隧道斷面形式，如小凈距段、連拱段、大跨段。大跨段斷面根據(jù)交通車道要求，形似喇叭口，最大斷面處常采用4～8車道，圍巖穩(wěn)定性和變形特征成為分析關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)大跨度分岔隧道進(jìn)行相關(guān)研究。丁文其等[1]運(yùn)用數(shù)值分析和理論分析法對(duì)深埋分岔隧道空間荷載計(jì)算模型進(jìn)行研究。談識(shí)等[2]對(duì)大跨度分岔隧道連拱段提出無(wú)中導(dǎo)洞施工方案，并進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，但未對(duì)分岔隧道大跨段分析做詳細(xì)描述。李宣高[3]提出大跨度分岔隧道在不同圍巖等級(jí)下的開(kāi)挖施工方法，然而對(duì)Ⅱ類圍巖隧道采用6部臺(tái)階法，且先行施工中央核心土的施工方案不具有普遍適用性。吳張中等[4]通過(guò)等代圓法，結(jié)合復(fù)變函數(shù)理論推導(dǎo)大跨段斷面擴(kuò)挖時(shí)的圍巖應(yīng)力函數(shù)，將大跨段圍巖簡(jiǎn)化為各項(xiàng)同性均值彈性體，采用臺(tái)階法開(kāi)挖，適用于圍巖較好的深埋大跨隧道，對(duì)復(fù)雜條件下大跨隧道難以適用。胡云鵬[5]提出從小凈距隧道先行導(dǎo)洞向大跨段隧道開(kāi)挖、實(shí)現(xiàn)隧道雙向施工的方法，該方案在大跨段最大斷面開(kāi)始雙向擴(kuò)挖，采用臺(tái)階法施工，當(dāng)圍巖較好時(shí)可行，但未分析復(fù)雜條件下的可實(shí)施性。劉鵬[6]結(jié)合膠州灣隧道淺埋大跨分岔段案例，提出綜合采用超前注漿技術(shù)、CRD工法、微振爆破技術(shù)等控制圍巖變形，實(shí)現(xiàn)超淺埋大跨隧道(大跨段覆土僅14m)施工，因?yàn)樵撍淼蓝瓷砘驹谖L(fēng)化巖層內(nèi)，且開(kāi)挖方向?yàn)閱蜗颍┕ぐ踩哂锌煽匦?。李勇等[7]采用三維有限元分析方法研究萬(wàn)石山隧道工程分岔隧道大跨段施工方案，沒(méi)有詳細(xì)分析雙側(cè)壁開(kāi)挖施工過(guò)程中的臨時(shí)支護(hù)和圍巖狀態(tài)。

在深圳市東部過(guò)境高速公路連接線工程中，采用數(shù)值有限元方法研究軟弱圍巖條件下分岔隧道大跨段施工工法，分析由斷面隧道向大跨段隧道的反挖施工工序，并驗(yàn)證施工安全性。

1 工程概況

深圳市東部過(guò)境高速公路連接線工程是連接深圳主城區(qū)與東部過(guò)境高速公路的重要通道，南接深圳東環(huán)沿河北路，西連北環(huán)布心路，下穿東湖公園和深圳水庫(kù)，隧道全長(zhǎng)約3.1km。采用城市快速路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主線雙向6車道，設(shè)置2條東南向和南東向地下匝道有效銜接地面道路，1車道匝道(3.5m+2.5m緊急停車帶)和2車道主線隧道在谷對(duì)嶺山嶺地下交匯，與主線隧道立體交叉，如圖1所示。隧道分岔段依次為小凈距段、連拱段、分岔漸變大跨段，從匝道過(guò)渡到標(biāo)準(zhǔn)3車道。其中分岔大跨段分為E4，D4，C4，B4，A5+大斷面形式，斷面隨樁號(hào)逐漸變小，最大跨度斷面E4寬24.338m、高15.312m。

圖1 谷對(duì)嶺分岔段平面

根據(jù)地質(zhì)鉆探結(jié)果，場(chǎng)區(qū)有F7，F(xiàn)8斷層通過(guò)。場(chǎng)區(qū)覆蓋層主要為第四系上更新統(tǒng)坡洪積層，下覆依次為全風(fēng)化碎裂巖化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖化混合花崗巖、中風(fēng)化碎裂巖化混合花崗巖、微風(fēng)化碎裂巖化混合花崗巖。大跨段在F7主斷層通過(guò)位置以構(gòu)造巖為主，局部發(fā)育有糜棱巖，巖體破碎，構(gòu)造巖破碎帶存在裂隙承壓水，并沿構(gòu)造破碎帶定向富集。F8主斷層通過(guò)位置以構(gòu)造角礫巖為主，巖體破碎，構(gòu)造巖破碎帶存在裂隙承壓水，并沿構(gòu)造破碎帶定向富集。

2 分岔隧道大跨段設(shè)計(jì)與施工

2.1 隧道支護(hù)參數(shù)

谷對(duì)嶺分岔E4大跨段埋深約70m，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。初襯超前支護(hù)采用φ89管棚，長(zhǎng)為12m，間距為0.3m(環(huán)向)×8m(縱向)。超前小導(dǎo)管采用φ50×4鋼花管，長(zhǎng)4.5m，間距為0.3m(環(huán)向)×3.2m(縱向)。拱架間為雙層φ8@0.2m×0.2m鋼筋網(wǎng)。鋼拱架采用HW200×200×8×12型鋼，間距0.8m。初支采用C30噴射混凝土，厚0.28m，預(yù)留變形量為0.15m，外包防水為無(wú)紡布+防水板，二襯為C35鋼筋混凝土。拱腰增設(shè)R25中空注漿錨桿，長(zhǎng)為4.5m，間距為 0.8m(環(huán)向)×0.8m(縱向)，如圖2所示。

圖2 E4型襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 大跨段隧道施工方案

原設(shè)計(jì)方案施工順序是從主洞標(biāo)準(zhǔn)3車道向大跨段施工，然后依次開(kāi)挖匝道和主洞2車道段，施工斷面逐步擴(kuò)大，擴(kuò)大面積不大，安全可控。然而暗挖隧道施工掌子面有限，難以控制各掌子面施工順序，該項(xiàng)目難以具備從標(biāo)準(zhǔn)3車道向大跨段開(kāi)挖的條件。而從匝道小凈距段向主洞大跨段隧道施工，由于斷面增大面積較大，如果一次性進(jìn)入大跨度段，施工難度較大，有一定風(fēng)險(xiǎn)。因此按照減小臨空面，實(shí)現(xiàn)有序施工，逐步擴(kuò)挖的原則，采用先行導(dǎo)洞進(jìn)入跨度較小斷面，再反向擴(kuò)挖的方案，如圖3所示。掌子面由匝道小凈距段進(jìn)入連拱段，采用CD法施工，從連拱段施工先導(dǎo)洞爬坡擴(kuò)挖到E4型大跨段頂部，沿隧道主洞依次進(jìn)入D4型、C4型斷面，在C4型斷面末端橫向擴(kuò)挖出C4型斷面上臺(tái)階，反向施工C4，D4，E4右側(cè)導(dǎo)坑，按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工大跨段隧道。大跨段調(diào)頭施工平面如圖3所示。

圖3 大跨段調(diào)頭施工平面

根據(jù)文獻(xiàn)，有隧道案例在最大跨度處(此項(xiàng)目即E4段)橫向擴(kuò)挖調(diào)頭，直接施工連拱段進(jìn)入另一側(cè)主洞。若按此方案，在調(diào)頭處跨度最大，且緊鄰連拱段和小凈距段，圍巖受力情況極為復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較大。而如果盡量將先行導(dǎo)洞延續(xù)到最小斷面，即主洞標(biāo)準(zhǔn)3車道斷面才開(kāi)始調(diào)頭開(kāi)挖，由于導(dǎo)洞施工加之反向擴(kuò)挖，整個(gè)大跨段將在初期支護(hù)條件下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，根據(jù)工期安排，長(zhǎng)達(dá)半年，按照新奧法設(shè)計(jì)施工原理，隧道在初支條件下圍巖緩慢釋放應(yīng)力，長(zhǎng)期停滯不利于隧道整體穩(wěn)定性，因此導(dǎo)洞不宜過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)公路隧道施工規(guī)范要求，應(yīng)及時(shí)施作軟弱圍巖及不良地質(zhì)隧道的二襯襯砌，在Ⅳ級(jí)圍巖的情況下，二襯距掌子面≤90m[8]。然而通過(guò)施工經(jīng)驗(yàn)表明，軟弱圍巖由于自承能力有限，在二襯距掌子面超過(guò)2倍隧道跨度后，難以收斂掌子面后的初支監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，掌子面有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)樗淼朗┕ぴ趪鷰r中呈三向受力狀態(tài)，隧道拱頂不僅在橫斷面上形成松動(dòng)拱，在縱斷面上同樣存在松動(dòng)拱效應(yīng)，二襯和掌子面間的臨空面距離越大，隧道上方形成的松動(dòng)圈越難以形成壓力拱，從而持續(xù)變形甚至坍塌。因此推薦采用2倍隧道斷面，即約50m長(zhǎng)作為先行導(dǎo)洞開(kāi)挖距離反挖大跨段隧道。

2.3 大斷面不對(duì)稱開(kāi)挖施工方案

反挖施工段為斷層帶軟弱圍巖大跨度隧道，圍巖條件較差，因此結(jié)合先行導(dǎo)洞初期支護(hù)，可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。考慮先行導(dǎo)洞作為反挖施工人員出入和出渣通道，對(duì)斷面寬度有一定要求，因此設(shè)置先行導(dǎo)洞斷面寬度為8.6m、高9.8m。由于高度較大，圍巖破碎，難有自穩(wěn)能力，采用HW200×200×8×12型鋼對(duì)導(dǎo)洞頂部進(jìn)行橫向支撐。

隨著整體斷面縮小，導(dǎo)洞斷面不變，相對(duì)整體斷面面積占比不斷變大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑逐漸變成不對(duì)稱支護(hù)形態(tài)。施工最不利斷面為C4型斷面，左側(cè)導(dǎo)坑斷面較大，其他部分較小，整體受力不利，因此需分析斷面施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)承載力。C4型臨時(shí)支護(hù)鋼架如圖4所示。

圖4 C4型臨時(shí)支護(hù)鋼架設(shè)計(jì)

3 有限元分析模型建立

掌子面左右取5倍開(kāi)挖跨徑距離，下部取3倍跨徑距離，可消除計(jì)算邊界效應(yīng)。二維巖土體寬200m、深100m。巖土體采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，鋼材、混凝土采用彈性本構(gòu)，錨桿采用植入式桁架單元，截面為φ25，壁厚3.5mm，長(zhǎng)4.5m。鋼架采用梁?jiǎn)卧?，為HW200×200×8×12鋼拱架。巖土體采用平面應(yīng)變單元。圍巖注漿、圍巖超前支護(hù)均采用提高加固部位巖體本構(gòu)參數(shù)15%，30%強(qiáng)度值實(shí)現(xiàn)。超前注漿、超前支護(hù)、仰拱回填混凝土等通過(guò)改變邊界屬性實(shí)現(xiàn)。圍巖和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，2所示。左右邊界約束水平位移，底邊為固定約束，對(duì)整體模型施加自重荷載，對(duì)開(kāi)挖區(qū)域巖土體進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以更好地反映巖體開(kāi)挖后的應(yīng)力變形規(guī)律。掌子面模型如圖5所示。

圖5 大斷面非對(duì)稱開(kāi)挖掌子面模型

表1 巖土計(jì)算參數(shù)

4 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 圍巖變形分析

根據(jù)圍巖豎向位移分布圖，可看出左上臺(tái)階開(kāi)

表2 隧道支護(hù)材料參數(shù)

挖后，圍巖最大沉降發(fā)生在拱肩處，約5mm；最大隆起發(fā)生在左上臺(tái)階底部靠中部土體處，約1.1mm。左中臺(tái)階開(kāi)挖后，最大沉降發(fā)生在中部下臺(tái)階土體處，約10mm；最大隆起發(fā)生在左中臺(tái)階底部靠中部土體處，約15mm。左下臺(tái)階開(kāi)挖后，最大沉降發(fā)生在中部下臺(tái)階土體處，與上開(kāi)挖步位置相同，約16mm；最大隆起發(fā)生在左下臺(tái)階底部靠中部土體處，約15mm，數(shù)值與上個(gè)開(kāi)挖步相同。左下臺(tái)階回填時(shí)，圍巖土體沉降和隆起最大值與位置都不變。

右上臺(tái)階開(kāi)挖后，最大沉降發(fā)生在中部下臺(tái)階土體處，約20mm；最大隆起發(fā)生在右上臺(tái)階底部靠中部土體處，約16mm。右下臺(tái)階開(kāi)挖后，最大沉降發(fā)生在中部下臺(tái)階土體處，約22mm；最大隆起發(fā)生在右下臺(tái)階底部靠右側(cè)處，約18mm。

中上臺(tái)階開(kāi)挖后，最大沉降發(fā)生在中部下臺(tái)階土體處，約18mm；最大隆起發(fā)生在右上臺(tái)階底部靠中部土體處，約18mm。中下臺(tái)階開(kāi)挖后，最大沉降發(fā)生在右側(cè)拱肩，約18mm；最大隆起發(fā)生在右側(cè)仰拱處，約20mm。待初支閉合后，拆除隧道內(nèi)臨時(shí)支撐時(shí)，圍巖豎向變形基本保持不變。

4.2 圍巖受力分析

4.2.1不對(duì)稱開(kāi)挖施工過(guò)程最大剪應(yīng)力分析

根據(jù)圍巖最大剪應(yīng)力分布圖，左上臺(tái)階開(kāi)挖后，圍巖最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)拱肩處，為1 941kPa，即左下臺(tái)階角部出現(xiàn)應(yīng)力集中，該開(kāi)挖步要加固左下角部。左中臺(tái)階開(kāi)挖后，圍巖最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)角部中部巖體處，為2 816kPa，即該臺(tái)階右下角部出現(xiàn)應(yīng)力集中，該開(kāi)挖步要加固角部。左下臺(tái)階、右側(cè)壁開(kāi)挖后的應(yīng)力集中位置相同，兩側(cè)拱腰邊墻處剪應(yīng)力較大。開(kāi)挖完成后，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)拱腰邊墻處，為2 160kPa，且兩側(cè)邊墻處剪應(yīng)力較大，建議錨桿加固長(zhǎng)度超出應(yīng)力集中區(qū)，角度范圍為-45°～45°。

4.2.2大斷面不對(duì)稱開(kāi)挖過(guò)程圍巖塑性區(qū)分析

根據(jù)圍巖塑性分布區(qū)圖，左上臺(tái)階開(kāi)挖后，左側(cè)和右側(cè)角部巖體發(fā)生塑性變形。左中及左下臺(tái)階開(kāi)挖后，左側(cè)和右側(cè)邊巖體發(fā)生塑性變形。右上臺(tái)階開(kāi)挖后，右側(cè)拱肩有大面積圍巖發(fā)生塑性變形。開(kāi)挖完畢后，掌子面拱肩、拱腰、拱腳處均出現(xiàn)大面積塑性區(qū)，建議加固該區(qū)域圍巖，提高強(qiáng)度指標(biāo)。

4.3 初支受力分析

4.3.1臨時(shí)支撐受力分析

臨時(shí)支撐內(nèi)力分布如圖6所示，左上橫撐所受拉應(yīng)力最大，為5 485kPa。中左豎撐所受壓應(yīng)力最大，為53 585kPa。中左豎撐所受剪應(yīng)力最大，靠近圍巖一端剪應(yīng)力為59 178kPa。另一端與中橫撐搭接，為51 476kPa。中左豎撐靠近圍巖一端所受彎矩組合最大，為61 117kPa。受力均滿足鋼支撐應(yīng)力承載力要求，建議加固左上橫撐和中左豎撐，防止發(fā)生破壞。

圖6 臨時(shí)支撐內(nèi)力分布

4.3.2初襯變形分析

根據(jù)初襯變形圖，最大水平變形出現(xiàn)在右側(cè)拱腰上部，為35mm，沿x軸負(fù)向。沿x軸正向最大水平變形為23mm，出現(xiàn)在左側(cè)拱腰下部。最大沉降為44mm，在仰拱右側(cè)1/3處。最大隆起為19mm，在仰拱左側(cè)1/3處。建議在上述位置加固圍巖和初支，以防破壞結(jié)構(gòu)。

4.3.3初襯受力分析

根據(jù)大斷面初襯內(nèi)力云圖，仰拱受最大拉應(yīng)力為539kPa，左側(cè)邊墻初襯承受最大壓應(yīng)力為98 308kPa。最大剪應(yīng)力在左右邊墻與橫撐搭接處，

約70 000kPa。最大彎矩組合在2個(gè)拱腰邊墻處。施工時(shí)注意邊墻拱架接腿和橫撐連接位置可靠連接，防止節(jié)點(diǎn)失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

1)從小斷面匝道開(kāi)挖進(jìn)入分岔隧道大跨段需考慮導(dǎo)洞長(zhǎng)期安全性，根據(jù)周邊圍巖情況，考慮整體大斷面隧道穩(wěn)定性，綜合確定反挖調(diào)頭施工位置。

2)反挖施工大斷面軟弱圍巖下的分岔隧道大跨段施工，可采用非對(duì)稱雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法，支護(hù)參數(shù)和分布形式需根據(jù)地層結(jié)構(gòu)法有限元計(jì)算確定。

3)采用數(shù)值有限元分析得出反挖大跨段設(shè)計(jì)支護(hù)和工法實(shí)施中的圍巖變形和應(yīng)力、初支變形和內(nèi)力均在安全允許范圍內(nèi)。本文通過(guò)計(jì)算給出臨時(shí)支護(hù)的計(jì)算內(nèi)力和變形，建議加固薄弱圍巖和支護(hù)。

本項(xiàng)目在施工中獲得成功，臨時(shí)支護(hù)穩(wěn)定直至二襯澆筑完成，變形和支護(hù)內(nèi)力均滿足設(shè)計(jì)要求，本文限于篇幅沒(méi)有做深入對(duì)比分析，后續(xù)將根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步研究并完善形成系統(tǒng)工法。