復(fù)雜條件下半明半暗連拱隧道洞口設(shè)計

鄔龍剛，楊開彪

(廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

連拱隧道開挖跨度較大，結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，施工工序繁多，開挖和支護施工相互交錯進行，結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜程度和施工難度遠大于分離式隧道。隧道洞口設(shè)計是連拱隧道的重點及難點，常因設(shè)計不合理導(dǎo)致洞口處隧道半邊埋深過淺甚至露空，隧道洞口地形偏壓嚴(yán)重。采用傳統(tǒng)隧道方案會導(dǎo)致路基靠山側(cè)刷方量巨大，開挖時若不及時支護或支護不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)?；?，形成高陡邊坡導(dǎo)致臨近洞口建(構(gòu))筑物出現(xiàn)險情。

相比于傳統(tǒng)方案，半明半暗連拱隧道施工方案在保證安全的前提下可大大減少對山體的開挖，使公路與地形較好地協(xié)調(diào)。目前對半明半暗連拱隧道無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)計算方法，通常在某些假定條件下采用有限元軟件進行分析，對淺埋偏壓且洞口臨近重要建筑物等復(fù)雜情況下連拱隧道的研究較少。該文結(jié)合工程實例，在洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構(gòu)筑物等不利因素疊加的情況下，采用“半明洞+半護拱”的半明半暗結(jié)構(gòu)形式入洞，對臨近電塔采用樹根樁進行保護，并通過SoilWorks軟件分析論證該方案的安全性。

1 工程概況

某雙向六車道連拱隧道采用雙連拱暗挖形式，全長167 m(K0+688—855)，包含北端半明半暗洞口段35 m、暗挖段117 m、南端明洞段15 m，設(shè)計速度60 km/h。隧道縱坡為-0.37%，北高南低。單洞凈寬為15.2 m，凈高為9.77 m。按新奧法原理采用復(fù)合式襯砌，初期支護采用錨噴支護，二次襯砌為模筑混凝土襯砌。采用曲墻式襯砌，初期支護采用C20噴射混凝土，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C35，抗?jié)B等級為P8。

北端洞口K0+688—723段地勢起伏較大，左低右高，洞身范圍地形高差達10 m，且隧道西側(cè)10 m處存在一110 kV高壓電塔無法遷改。該高壓線與隧道兩處斜交，距隧道范圍地面最近距離僅15 m(見圖1)。電力部門要求擬建隧道施工中確保電塔安全且滿足安全施工凈距要求(見圖1)。

圖1 隧道洞口現(xiàn)狀地貌

隧道北端洞口場地巖土層主要由全、強風(fēng)化混合花崗巖組成，全、強風(fēng)化層呈堅硬土狀、半巖半土狀，局部呈碎石狀；局部由混合花崗巖殘積砂質(zhì)黏性土及中風(fēng)化混合花崗巖組成(見圖2)。巖土層具有遇水軟化、崩解、巖質(zhì)軟、強度低等特點。

圖2 半明半暗洞口示意圖

擬建道路沿線所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組。建筑場地類別為Ⅱ的地段，場地特征周期為0.35 s；建筑場地類別為Ⅲ的地段，場地特征周期為0.45 s。

2 設(shè)計方案研究

因北端洞口所處場地地勢起伏較大，附近存在高壓電塔。高壓電塔采用擴大基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)距隧道外邊線僅7.6 m，其上高壓電線距地面距離較小，如采用抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索等路塹支擋方式通過，易對電塔造成較大擾動，且高壓電線下方凈空有限，無法滿足打樁、鋼筋籠吊裝等施工作業(yè)要求。另外，抗滑樁方案臨空面高度約12 m?？紤]后期錨索維護保養(yǎng)及山體植被恢復(fù)等環(huán)保因素，經(jīng)綜合比選，確定半明半暗的隧道通過方案，即先行施工左側(cè)明洞及中隔墻，利用已建成的左側(cè)明洞及中隔墻為右洞護拱提供反力，確保護拱下右洞暗挖安全。

2.1 設(shè)計方案

為確保隧道施工安全及進洞右側(cè)2號電塔安全，對右洞右側(cè)山體采用樹根樁加固，并進行左洞拱腳及中隔墻預(yù)制方樁地基加固。設(shè)計方案如下：

(1) 主洞開挖采用預(yù)留核心土環(huán)形導(dǎo)坑方法，核心土的縱向長度不小于5 m，高度不小于4 m。胸坡設(shè)為1∶0.2，因圍巖完整性、風(fēng)化程度、地下水發(fā)育等原因?qū)е缕旅骐y穩(wěn)定，加噴混凝土。每循環(huán)進尺噴混凝土一次，掌子面噴5 cm厚混凝土封閉。

2.1 兩組臨床療效對比 研究組顯效23例，有效21例，無效2例，對照組顯效21例，有效22例，無效9例，研究組治療總有效率（95.65%）高于對照組（82.69%），差異有統(tǒng)計學(xué)意義（χ2=4.114，P=0.043）。

(2) 樹根樁支護。開挖前在電塔與隧道之間打設(shè)4排直徑25 cm、間距35 cm(或50 cm)樹根樁，排距為60 cm(或80 cm)，樁長為至隧道支護底面以下5 m (或3 m)。

(3) 初期支護鋼架采用I22b型鋼，全環(huán)設(shè)置；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土。

(4) 為控制沉降，拱墻鋼架設(shè)鎖腳錨管并墊型鋼，且初期支護盡早封閉成環(huán)。每榀鋼架采用4根鎖腳錨管，鎖腳錨管采用φ42鋼花管并注水泥漿。

(5) 若電塔的沉降變形超過設(shè)計或相關(guān)規(guī)范容許值，則對電塔補充跟蹤注漿措施，確保其安全。

2.2 施工步驟

步驟1：跳槽開挖左洞1部，開挖后立即在坑槽兩側(cè)坡面噴射厚10 cm C20混凝土，依次施作右洞外側(cè)電塔加固樹根樁、左洞基礎(chǔ)處理預(yù)制方樁(見圖3)。

圖3 施工步驟1示意圖

步驟2：施作左側(cè)明洞，并采用C20混凝土回填左洞左下角開挖基槽；施作中隔墻，在墻右側(cè)上、下角預(yù)埋鋼筋和鋼板(見圖4)。

圖4 施工步驟2示意圖

步驟3：待明洞及中隔墻施工完成并達到設(shè)計強度后，跳槽開挖右上部邊坡并錨噴支護；回填右洞至護拱內(nèi)輪廓線，澆筑42 cm厚護拱；待護拱混凝土初凝后，立即采用M10漿砌片石及土石同步對稱回填護拱兩側(cè)三角區(qū)；護拱達到設(shè)計強度后，同步對稱回填土石至護拱頂0.5 m(見圖5)。

圖5 施工步驟3示意圖

步驟4：在護拱的保護下采用側(cè)壁導(dǎo)坑法依次開挖Ⅰ～Ⅴ部并施作初期支護，待初期支護變形穩(wěn)定后，施作暗洞二次襯砌；待二次襯砌達到設(shè)計強度后，進行洞門墻基礎(chǔ)土石方開挖，并施作洞門端墻；最后回填土石至設(shè)計標(biāo)高(見圖6)。

圖6 施工步驟4示意圖

3 半明半暗連拱隧道數(shù)值分析

采用SoilWorks有限元軟件對上述施工方法進行數(shù)值模擬計算。選取電塔處截面進行分析，模型計算范圍為隧道左、右、下側(cè)約70 m，模型共劃分為14 835個單元(見圖7)。

圖7 計算模型

隧道巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)勘察報告及《公路隧道設(shè)計細則》取值(見表1)，支護材料參數(shù)見表2。隧道施工步驟見表3，其中工序11見圖8。

圖8 工序11示意圖

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)

表2 支護材料參數(shù)

表3 隧道施工步驟

隧道變形分析結(jié)果見圖9、圖10、表4、表5，內(nèi)力分析結(jié)果見圖11～13。隧道施工過程中，中隔墻的最大水平變形為1.9 mm，電塔側(cè)的偏壓力由左側(cè)隧道和回填土抵消，半明半暗工法可較好地控制隧道的水平變形；最大彎矩為54 kN·m(出現(xiàn)在右側(cè)拱腰位置)，最大軸力為742 kN(出現(xiàn)在右側(cè)拱腳處)，最大剪力為171 kN(出現(xiàn)在右側(cè)拱腰位置)，隧道受力以軸力為主。

圖9 隧道水平位移(單位：mm)

圖10 隧道豎向位移(單位：mm)

表4 隧道變形 mm

表5 中隔墻水平位移 mm

圖11 隧道彎矩(單位：kN·m)

圖12 隧道軸力(單位：kN)

圖13 隧道剪力(單位：kN)

取靠近隧道側(cè)的電塔基礎(chǔ)為分析對象，變形分析結(jié)果見表6。半明半暗隧道施工對臨近電塔的影響以水平位移為主，施工過程中最大水平、豎向和總位移分別約4.7 mm、1.4 mm、4.9 mm，水平位移在可控范圍內(nèi)，半明半暗工法可較好地控制臨近建(構(gòu))筑物的變形。

表6 電塔基礎(chǔ)變形 mm

4 施工注意事項

(1) 右洞開挖遵循“短進尺，多循環(huán)，初期支護緊跟掌子面”的原則，采用人工或機械開挖，不得采取爆破工藝；施工中加強對圍巖的監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)圍巖變形不收斂或其他異常情況時采取加強措施，保證安全。

(2) 施工過程中如發(fā)現(xiàn)邊坡不穩(wěn)，立即采取臨時防護措施，并通知參建各方予以解決。

(3) 為探明隧道中可能出現(xiàn)的斷層破碎帶、突然涌水等不良地質(zhì)，提前掌握掌子面前方的地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，施工過程中進行地質(zhì)超前預(yù)報。

(4) 因圍巖完整性、風(fēng)化程度、地下水發(fā)育等原因?qū)е缕旅骐y穩(wěn)定時加噴混凝土，每循環(huán)進尺噴一次，掌子面噴5 cm厚混凝土封閉。

(5) 隧道開挖后逐段核對地質(zhì)資料，及時進行初期支護并根據(jù)監(jiān)控量測資料確定二次襯砌施作時間。發(fā)現(xiàn)與設(shè)計地質(zhì)資料出入較大時，通知設(shè)計單位及時修正支護參數(shù)及施工方法。對勘察報告中提及的存在孤石地段，施工時引起重視，必要時采取加強措施。

(6) 建立日常量測管理機制，加強洞內(nèi)、洞頂、地表的監(jiān)控量測。隧道開挖后施作初期支護的同時加強對洞室收斂變形、圍巖內(nèi)部變形、地表沉降的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時匯報監(jiān)理、設(shè)計、業(yè)主三方，及時采用補強的支護措施，控制變形。

(7) 隧道施工中嚴(yán)密觀測電塔的振動監(jiān)測點，其報警值應(yīng)符合電力部門要求。

5 實施效果

現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，電塔基礎(chǔ)的最大變形為3.6 mm，隧道中隔墻變形為2.4 mm。目前隧道已施工完畢，位移已穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果和有限元分析結(jié)果較吻合，驗證了半明半暗工法在洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構(gòu)筑物等復(fù)雜條件下的適用性。

6 結(jié)論

(1) 針對洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構(gòu)筑物等不利因素疊加的情況，通過總結(jié)工程實踐經(jīng)驗，采用“半明洞+半護拱”的半明半暗隧道結(jié)構(gòu)形式。采用有限元分析軟件對各施工步驟進行數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合，驗證了半明半暗連拱隧道施工方法在洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構(gòu)筑物等因素疊加情況下的可行性。

(2) 半明半暗連拱隧道施工過程中，右側(cè)隧道拱頂處的水平位移和豎向位移大于左側(cè)隧道，左側(cè)隧道拱腳的豎向位移大于右側(cè)隧道。

(3) 暗洞隧道施工過程中的最大彎矩為54 kN·m，位于右側(cè)拱腰處；最大軸力為742 kN，位于右側(cè)拱腳處；最大剪力為171 kN，位于右側(cè)拱腰處。隧道受力以軸力為主。

(4) 隧道施工過程中電塔基礎(chǔ)最大水平、豎向和總位移分別約4.7 mm、1.4 mm、4.9 mm，半明半暗工法可較好地控制臨近建(構(gòu))筑物的變形。