大斷面公路隧道初支優(yōu)化與變形控制

摘要 膨脹土容易引起收縮破壞，對(duì)隧道施工質(zhì)量造成了很大危害，為了限制其變形，可在工程建設(shè)中提高鋼拱架強(qiáng)度并預(yù)留變形量。文章以鋼拱架取代了鋼格柵，以提高鋼拱架強(qiáng)度。提高預(yù)留變形量到25 mm，在后續(xù)建設(shè)中有效抑制了隧道變形。試驗(yàn)結(jié)果表明：隧道變形的主要原因?yàn)閲鷰r變形、初支抑制圍巖變形的能力不足和初期支護(hù)預(yù)留變形量不合理。通過(guò)使用鋼拱架可有效抑制隧道變形率，相對(duì)于鋼格柵降低了35%。通過(guò)提高預(yù)留變形量，可改善隧洞穩(wěn)定性，從而抑制其變形。通過(guò)提高預(yù)留變形率，可減少二襯混凝土用量，進(jìn)而起到了降低工程造價(jià)的作用。

關(guān)鍵詞 膨脹土;隧道;變形;控制

中圖分類號(hào) U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0163-03

收稿日期：2022-03-22

作者簡(jiǎn)介：周海林（1986—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。

0 引言

膨脹土主要成分為黏土礦物，水對(duì)其體積影響大，具有親水性，在吸水后體積改變較小，而在失水后收縮量較大。膨脹土存在顯著的脹縮性，對(duì)工程的安全性與穩(wěn)定性有著嚴(yán)重的影響。

邢發(fā)紅等[1]以某地區(qū)膨脹土隧道為研究對(duì)象，利用有限元軟件計(jì)算其安全系數(shù)及位移?？偨Y(jié)影響膨脹土隧道穩(wěn)定性的因素。楊軍平等[2]開展干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究膨脹土隧道的內(nèi)力及變形規(guī)律。丁小平[3]以某地區(qū)隧道為例，分析膨脹土對(duì)施工過(guò)程的影響，總結(jié)了施工過(guò)程的注意事項(xiàng)，以保證施工的安全性。陳纖等[4]對(duì)膨脹土進(jìn)行有限元分析，并對(duì)比正交試驗(yàn)結(jié)果，分析影響隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

該文以西南地區(qū)某大斷面公路隧道為研究對(duì)象，分析施工過(guò)程中存在的問(wèn)題。通過(guò)在施工中增大鋼拱架剛度和預(yù)留變形量，抑制膨脹土隧道的變形量。分析上述措施對(duì)膨脹土變形的改善效果，優(yōu)化施工方案。為膨脹土隧道施工提供了理論支持與參考依據(jù)。

1 工程概況

某公路隧道位于我國(guó)西南地區(qū)，受西南地區(qū)地形限制，隧道通過(guò)地區(qū)為山區(qū)，地形復(fù)雜，地勢(shì)高低起伏不平，沖溝溝谷為V形。地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，地層為主要為第四系全新統(tǒng)洪積砂質(zhì)黃土，滑坡堆積塊石土;上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土和細(xì)圓礫土;中更新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土，下伏第三系泥巖夾砂巖。隧道局部穿越膨脹土地段。該工程膨脹土自由膨脹率20%～60%，膨脹力5～40 kPa，飽和吸水率12%～29%，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

2 膨脹土施工難點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)情況分析

2.1 施工難點(diǎn)分析

2.1.1 預(yù)留變形量確定困難

由于膨脹土隧道的變形程度及變形量難以預(yù)測(cè)，在實(shí)際工程中，變形預(yù)留量問(wèn)題成為施工過(guò)程中的難點(diǎn)。膨脹土吸水后體積會(huì)顯著增大，當(dāng)預(yù)留變形量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致初支受膨脹土擠壓而發(fā)生開裂的情況，影響隧道的穩(wěn)定性和施工過(guò)程的安全性[5]。如采用較大的預(yù)留變形量，施工過(guò)程中需要更多的建筑材料，導(dǎo)致工程造價(jià)較高，無(wú)法保證工程的經(jīng)濟(jì)性。

預(yù)留變形量是保證膨脹土隧道安全性與經(jīng)濟(jì)性的重要因素。在保證施工過(guò)程安全性的基礎(chǔ)上，降低工程的造價(jià)，需要合理選擇預(yù)留變形量。

2.1.2 支護(hù)參數(shù)選擇困難

目前隧道設(shè)計(jì)大多采用復(fù)合式襯砌。初支常采用型鋼結(jié)構(gòu)。由于膨脹土具有脹縮性，且其膨脹與收縮的程度與環(huán)境的溫度和濕度有關(guān)，變形程度與受力情況較為復(fù)雜。為確定土體的相關(guān)施工參數(shù)，需經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試相關(guān)內(nèi)容，導(dǎo)致膨脹土隧道支護(hù)參數(shù)難以確定。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析

2.2.1 膨脹土段隧道變形情況

隧道DK133+750～780段為膨脹性圍巖。在施工過(guò)程中圍巖出現(xiàn)環(huán)向裂縫。鋼架結(jié)構(gòu)邊墻和拱腳發(fā)生變形。混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生剝落情況。上述施工問(wèn)題對(duì)施工過(guò)程的安全性存在巨大影響，嚴(yán)重影響后續(xù)施工的開展，對(duì)施工過(guò)程產(chǎn)生了不利影響。

對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行觀測(cè)，斷面變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1。由圖可知，在DK133+780斷面，上臺(tái)階收斂量最大，為280 mm。在DK133+765斷面和DK133+765斷面有下臺(tái)階收斂量最大值，為250 mm。在DK133+765斷面，有最大拱頂沉降量，為220 mm。因此，需重點(diǎn)關(guān)注DK133+765斷面和DK133+765斷面，合理控制此處斷面的變形量是施工過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)上述隧道變形量，選擇合理預(yù)留變形量對(duì)施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。

2.2.2 隧道變形原因初步分析

通過(guò)上述對(duì)各斷面的變形量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可得，隧道變形的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）圍巖變形。由于前期地質(zhì)勘探測(cè)得膨脹土的相關(guān)參數(shù)與工程實(shí)際有差異。為保證施工過(guò)程的安全性，針對(duì)該工程圍巖泥巖開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究相關(guān)力學(xué)性能及工程參數(shù)[6]。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)可得，該工程膨脹土膨脹力為83.7 kPa，膨脹率為71%。由于其膨脹力和膨脹率較大，導(dǎo)致該工程局部變形嚴(yán)重。

（2）初支抑制圍巖變形的能力不足。隧道常采用鋼架，間距1.2 m。在土體性質(zhì)較好的地段，根據(jù)隧道設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，施工狀況良好。在遇到膨脹土地段時(shí)，圍巖出現(xiàn)環(huán)向裂縫。鋼架結(jié)構(gòu)邊墻和拱腳發(fā)生變形。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生剝落情況，鋼筋外鼓凸出。由于鋼格柵尺寸在鋼筋變形后發(fā)生變化，鋼架底部對(duì)接較為困難。上述原因?qū)е鲁踔Р环€(wěn)定，是圍巖發(fā)生變形。

隧道設(shè)計(jì)采用的錨桿與鋼架連接，抗拉強(qiáng)度為150 kN，但力學(xué)性能不能滿足實(shí)際工程的需要，不能抑制水平收斂，導(dǎo)致變形的發(fā)生。

（3）初期支護(hù)預(yù)留變形量不合理。施工時(shí)膨脹性圍巖的特性與前期地質(zhì)勘探測(cè)得膨脹土的相關(guān)參數(shù)有差異。預(yù)留變形量跟普段段相同，而膨脹土具有脹縮性，采用前期的預(yù)留變形量使其變形不能滿足要求[7]。

3 膨脹土隧道方案優(yōu)化

3.1 方案擬定

膨脹土易發(fā)生收縮破壞，對(duì)隧道施工產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為控制其變形，可在施工中增大鋼拱架剛度和預(yù)留變形量。增大預(yù)留變形量為25 mm，采用型鋼鋼架替代鋼格柵，以抑制隧道變形[8]。采用上述優(yōu)化方案有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）型鋼鋼架剛度較大，力學(xué)性能優(yōu)異，可以增大隧道穩(wěn)定性，抑制隧道變形;

（2）型鋼鋼架在施工過(guò)程中效率更高;

（3）鋼架受力加工簡(jiǎn)單，質(zhì)量較易保證，受力效果穩(wěn)定。

（4）采用型鋼能夠控制隧道變形，減少預(yù)留變形量，從而降低二襯混凝土使用量，降低工程造價(jià)。

3.2 鋼架受力性能分析

以型鋼鋼架替代原設(shè)計(jì)格柵鋼架，需分析型鋼鋼架的力學(xué)性能。以型鋼鋼架為研究對(duì)象，采用有限元軟件分析型鋼鋼架的受力情況。

取隧道上拱部進(jìn)行分析。以實(shí)際工況對(duì)有限元模型進(jìn)行加載，并考慮圍巖膨脹土對(duì)型鋼鋼架的膨脹作用。采用兩種不同的工況，考慮集中荷載和均布荷載對(duì)有限元模型的影響，對(duì)比鋼格柵和型鋼鋼架有限元模型的受力情況[9]。集中荷載和均布荷載作用下變形量對(duì)比圖如圖2、3所示。由圖可知，在集中力作用下，格柵鋼架的變形量均大于型鋼鋼架的變形量。當(dāng)荷載為4 000 N時(shí)，變形量最小，當(dāng)荷載量為60 000 N時(shí)，變形量最大。隨著荷載的增大，格柵鋼架與型鋼鋼架的變形量差距越來(lái)越大，說(shuō)明在集中荷載下，型鋼鋼架對(duì)變形有明顯的抑制作用。在均布荷載作用下，格柵鋼架的變形量均大于型鋼鋼架的變形量。當(dāng)荷載為524 525 N時(shí)，變形量最小，當(dāng)荷載量為5 245 257 N時(shí)，變形量最大。隨著荷載的增大，格柵鋼架與型鋼鋼架的變形量差距越來(lái)越大，說(shuō)明在均布荷載作用下，型鋼鋼架對(duì)變形有明顯的抑制作用[10]。

3.3 優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)施工

預(yù)留變形量調(diào)整為250 mm，改用Φ42鋼花管注漿錨桿，以增強(qiáng)初支穩(wěn)定性。

優(yōu)化后的初期支護(hù)變形曲線如圖4。由圖可知上臺(tái)階收斂最大值為230 mm，優(yōu)化前上臺(tái)階收斂最大值為280 mm，降低了17.8%，優(yōu)化方案對(duì)隧道變形有良好的改善作用。下臺(tái)階收斂最大值為230 mm，優(yōu)化前上臺(tái)階收斂最大值為250 mm，降低了8%，優(yōu)化方案對(duì)隧道變形有良好的改善作用。拱頂沉降最大值為150 mm，優(yōu)化前拱頂沉降最大值為220 mm，降低了31.8%，優(yōu)化方案對(duì)隧道變形有良好的改善作用。優(yōu)化方案對(duì)于拱頂沉降的改善效果最為明顯。

4 結(jié)論

該文以西南地區(qū)某大斷面公路隧道為研究對(duì)象，分析其施工過(guò)程中存在的問(wèn)題。通過(guò)在施工中增大鋼拱架剛度和預(yù)留變形量，抑制膨脹土隧道的變形量[11]。結(jié)論如下：

（1）隧道變形的主要原因?yàn)閲鷰r變形、初支抑制圍巖變形的能力不足和初期支護(hù)預(yù)留變形量不合理。

（2）在集中力及均布荷載作用下，格柵鋼架的變形量均大于型鋼鋼架的變形量。型鋼鋼架對(duì)變形有明顯的抑制作用。

（3）優(yōu)化后上臺(tái)階收斂最大值為230 mm，降低了17.8%，下臺(tái)階收斂最大值為230 mm，降低了8%，拱頂沉降最大值為150 mm，降低了31.8%。優(yōu)化方案對(duì)隧道變形有良好的改善作用，且對(duì)于拱頂沉降的改善效果最為明顯。

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