韓門大斷面隧道預(yù)留核心土法施工中軟弱圍巖變形預(yù)測與控制

皇 民，金沐妍

(1. 河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450015)

鄭州市中原路西延線S237段快速通道韓門公路隧道為三車道隧道，開挖斷面在150 m2以上，為超大斷面隧道。由于圍巖的時(shí)間和空間效應(yīng)，軟弱破碎圍巖中修建大斷面隧道時(shí)圍巖大變形、區(qū)域性塌方等風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于小斷面隧道[1-4]。韓門隧道所處圍巖地質(zhì)情況多為軟弱破碎帶，包含多條斷層，自穩(wěn)能力差。隧道左線1 370 m，其中Ⅴ級圍巖占888 m；右線1 175 m，其中Ⅴ級圍巖占913 m。一般來說，Ⅴ級圍巖常采用中隔墻(CD)法、交叉中隔墻(CRD)法等特殊工法，但這些工法施工復(fù)雜，而且需要施作和拆除大量臨時(shí)支護(hù)，成本高，進(jìn)度慢[5-8]，無法滿足韓門隧道的工期要求。通過三維數(shù)值計(jì)算和圍巖監(jiān)控測量分析，研究韓門大斷面隧道Ⅴ級圍巖段采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進(jìn)行臺階施工的安全性，分析圍巖破碎軟弱條件下超大斷面公路隧道圍巖變形規(guī)律，可為工程實(shí)踐與設(shè)計(jì)提供參考。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的施工要點(diǎn)是，首先對上臺階環(huán)形拱部進(jìn)行開挖并進(jìn)行初期支護(hù)，然后順序開挖核心土和下臺階，其預(yù)留核心土對隧道掌子面具有較好的穩(wěn)定作用，且無須施作大量臨時(shí)支護(hù)，工序比較簡單。

1 工程概況

韓門大斷面隧道Ⅴ級圍巖段開挖跨度16.9 m，高度11.3 m，襯砌總厚度93 cm，其中初期支護(hù)為C25型鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，厚度28 cm，二次襯砌為C30型防水鋼筋混凝土，厚度65 cm。拱部軟弱圍巖部分采用φ22鋼筋砂漿系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固。隧道圍巖與支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道圍巖與支護(hù)參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of rock and lining

2 數(shù)值分析

采用FLAC 3D巖土專業(yè)分析軟件對韓門大斷面隧道進(jìn)行分析，隧道數(shù)值分析模型如圖1所示。該模型含73 410個(gè)單元、78 430個(gè)節(jié)點(diǎn)，橫向(x方向)計(jì)算范圍取80 m,模型每側(cè)邊界距隧道中心均為40 m,豎向(z方向)高度取50 m,縱向長度取60 m。

圖1 韓門隧道數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical model of Hanmen tunnel

2.1 環(huán)形開挖預(yù)留核心土

上臺階拱部開挖是隧道施工的重要環(huán)節(jié)，為確保隧道安全，上臺階開挖采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土方式，開挖進(jìn)尺2 m，核心土縱向保留長度不小于4 m。開挖第1步與第10步的隧道圍巖豎向沉降如圖2與圖3所示。

圖2 環(huán)形開挖第1步隧道圍巖豎向沉降Fig.2 Vertical displacement of the first step arch in circular excavation

圖3 環(huán)形開挖第10步隧道圍巖豎向沉降Fig.3 Vertical displacement of the tenth step in circular excavation

圖4、圖5為隧道設(shè)定監(jiān)測斷面處的監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降和橫向位移隨著環(huán)形拱部開挖進(jìn)尺變化狀況(1號監(jiān)測點(diǎn)距離隧道洞口2 m，2號監(jiān)測點(diǎn)距離隧道洞口4 m，3號監(jiān)測點(diǎn)距離隧道洞口10 m，4號監(jiān)測點(diǎn)距離隧道洞口20 m，5號監(jiān)測點(diǎn)距離隧道洞口30 m。圖中橫坐標(biāo)表示距隧道洞口的距離；縱坐標(biāo)表示沉降和位移)。在此重點(diǎn)關(guān)注的是拱頂豎向沉降與拱腳橫向位移，其余的計(jì)算結(jié)果不再一一列舉。

圖4 拱頂豎向沉降隨拱部環(huán)形開挖發(fā)展情況Fig.4 Development of the vertical displacement of arch crown with annular arch excavation

圖5 拱腳橫向位移隨拱部環(huán)形開挖發(fā)展情況Fig.5 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular arch excavation

由圖4和圖5可知：環(huán)形拱部開挖，隧道拱頂位移逐步增加。由于隧道開挖斷面較大，圍巖地質(zhì)條件較差，隧道拱部開挖后，圍巖產(chǎn)生明顯變形，且隨著開挖進(jìn)尺的增加，拱頂豎向沉降也逐步發(fā)展。當(dāng)開挖進(jìn)尺到18 m后，拱頂豎向沉降趨于平穩(wěn)，但其絕對數(shù)值仍在發(fā)展；當(dāng)開挖進(jìn)尺至20 m時(shí)，拱頂豎向沉降更加穩(wěn)定，同時(shí)圍巖也產(chǎn)生了較明顯的塑性破壞。這說明開挖引起了圍巖內(nèi)力的劇烈調(diào)整，且圍巖已經(jīng)釋放了一定荷載，圍巖形變壓力開始趨緩，此時(shí)為施作二次襯砌的良好時(shí)機(jī)。此時(shí)，應(yīng)停止上臺階開挖，及時(shí)開挖下臺階，閉合仰拱初期支護(hù)并及時(shí)澆筑二次襯砌，以確保隧道結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合拱部環(huán)形開挖數(shù)值，擬定20 m為上臺階環(huán)形開挖進(jìn)尺長度。

2.2 中臺階開挖

圖6、圖7為典型監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降和橫向位移隨中臺階開挖進(jìn)尺變化情況。

圖7 拱腳橫向位移隨中臺階開挖進(jìn)尺發(fā)展情況Fig.7 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular middle step excavation

由圖6和圖7可知：中臺階中槽開挖第1步，拱腳部分的橫向位移有一定增加，拱頂沉降則沒有明顯增加；第1步后，中臺階中槽繼續(xù)開挖，隧道與圍巖的位移未有明顯變化。這是由于中臺階中槽開挖時(shí)，為兩側(cè)拱腳預(yù)留了較大的圍巖基礎(chǔ)，保護(hù)拱腳和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？梢?，在拱腳穩(wěn)定的前提下，中臺階中槽開挖對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不大。

2.3 兩側(cè)邊墻開挖

圖8、圖9為典型監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降和橫向位移隨左邊墻開挖進(jìn)尺變化情況。右邊墻開挖情況類似，不再贅述。

圖8 拱頂豎向沉降隨左邊墻開挖進(jìn)尺發(fā)展情況Fig.8 Development of the vertical displacement of arch crown with annular left wall excavation

圖9 拱腳橫向位移隨左邊墻開挖進(jìn)尺發(fā)展情況Fig.9 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular left wall excavation

由圖8和圖9可知：開挖隧道邊墻導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)豎向沉降呈緩慢增加趨勢，但整體數(shù)值較小；橫向位移隨開挖有微小反復(fù)，整體數(shù)值也不大，均在韓門隧道施工設(shè)計(jì)允許的收斂變形范圍內(nèi)。這說明韓門隧道Ⅴ級圍巖段擬定的中槽先行開挖方式是可行的。

2.4 仰拱開挖

圖10、圖11為典型監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降和橫向位移隨仰拱開挖進(jìn)尺變化情況。

圖10 拱頂豎向沉降隨仰拱開挖發(fā)展情況Fig.10 Development of the vertical displacement of arch crown with annular invert arch excavation

圖11 拱腳橫向位移隨仰拱開挖進(jìn)尺發(fā)展情況Fig.11 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular invert arch excavation

圖10和圖11表明，各監(jiān)測點(diǎn)在該部位仰拱開挖時(shí)拱頂豎向沉降和橫向位移變化很小，而且在仰拱施工完成后，拱頂沉降變化很小，數(shù)值逐漸穩(wěn)定。由此可見，仰拱的閉合作用對隧道結(jié)構(gòu)豎向沉降的控制十分重要。

2.5 二次襯砌施作

二次襯砌采用Liner單元模擬，在初期支護(hù)穩(wěn)定后進(jìn)行施工，為隧道結(jié)構(gòu)安全提供保障。分析和計(jì)算均表明：隧道二次襯砌施工完成后，隧道圍巖的豎向沉降和橫向位移均沒有進(jìn)一步發(fā)展，襯砌最大彎矩25.7 kN·m,最大剪力13.8 kN，最大軸力16.5 kN，荷載在襯砌內(nèi)產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力是0.3 MPa，最大拉應(yīng)力是0.57 MPa，小于JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》[9]中C30型防水鋼筋混凝土襯砌的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度20 MPa，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度2.2 MPa)，表明該施工模式下的隧道二次襯砌是安全可靠的結(jié)構(gòu)形式。襯砌完成后隧道圍巖豎向沉降情況如圖12所示，襯砌內(nèi)力如圖13至圖15所示。

圖14 隧道二次襯砌剪力圖Fig.14 Shear force of the tunnel lining

圖15 隧道二次襯砌軸力圖Fig.15 Axial force of the tunnel lining

3 監(jiān)控量測

現(xiàn)場監(jiān)測是檢驗(yàn)隧道施工優(yōu)劣最直接的方法，可采用全站儀與隧道斷面檢測儀進(jìn)行隧道豎向沉降監(jiān)測[10-11]。

自韓門隧道進(jìn)洞以來，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法應(yīng)用逐步成熟，獲得了較好的效果，單次掘進(jìn)進(jìn)尺2 m，上臺階超前開挖長度控制在20 m以內(nèi)，仰拱和二次襯砌盡快完成閉合，每月進(jìn)尺在60 m以上，隧道圍巖狀態(tài)比較穩(wěn)定，襯砌結(jié)構(gòu)安全。采用全站儀監(jiān)測隧道豎向沉降的結(jié)果表明：監(jiān)測值與計(jì)算值偏差較小，監(jiān)測值整體略小于計(jì)算值，其主要原因是監(jiān)測工作至少要在隧道開挖后爆破通風(fēng)和清理危石結(jié)束后才能進(jìn)行，其間圍巖荷載將逐漸增加，并導(dǎo)致隧道圍巖變形增加，但該變形在后期測量中很難體現(xiàn)出來。

圖16為1號監(jiān)測斷面處圍巖拱頂沉降監(jiān)控值與計(jì)算值的對比情況。其余幾個(gè)監(jiān)測斷面與此相同，均與計(jì)算值吻合。

圖16 1號監(jiān)測斷面拱頂沉降對比Fig.16 Comparison of vault vertical displacement on the first monitoring section

4 結(jié)論

(1)韓門大斷面隧道Ⅴ級圍巖段的數(shù)值分析和施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隧道上臺階拱部開挖預(yù)留核心土法可以有效減少掌子面的擠出變形，從而限制了拱頂沉降和隧道收斂變形。

(2)三車道超大斷面山嶺隧道在Ⅴ級圍巖段采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法在理論和技術(shù)上均是可行的，施工中應(yīng)注意保持施工步距合理，上臺階開挖超前中臺階長度不宜大于20 m。

(3)中臺階中槽開挖能有效提高環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的施工效率，但中臺階中槽開挖應(yīng)注意在邊墻部分預(yù)留一定厚度的圍巖保護(hù)層來確保隧道拱腳安全。該圍巖保護(hù)層厚度應(yīng)大于3 m，在開挖中臺階時(shí)應(yīng)保證拱部核心土縱向長度不小于4 m。

(4)仰拱閉合施工對臺階法施工很重要，仰拱閉合后各監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降均未見進(jìn)一步發(fā)展，表明仰拱對控制圍巖沉降的重要性，施工中應(yīng)及早封閉仰拱并施作二次襯砌。