大斷面隧道工法轉(zhuǎn)換方案研究

劉家芮

（河北高速公路集團(tuán)有限公司張涿分公司，河北 涿州 072750）

0 引言

近年我國隧道建設(shè)正在向著距離長、跨度大、地形復(fù)雜等特點(diǎn)發(fā)展。當(dāng)遇到變截面問題時(shí)通常使用不同的施工工法來保證掌子面穩(wěn)定[1]。變截面處隧道施工過程復(fù)雜、圍巖受力狀態(tài)多變，其中不同工法間的轉(zhuǎn)換方式成為工程中的難題。龐萬李等[2]依托實(shí)際工程，對(duì)雙側(cè)壁法轉(zhuǎn)換為長臺(tái)階法進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)變形情況及力學(xué)特性進(jìn)行分析。殷明倫等[3]通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)工法轉(zhuǎn)換時(shí)的圍巖應(yīng)力與結(jié)構(gòu)內(nèi)力關(guān)系，確定了工法轉(zhuǎn)換時(shí)過渡段的最優(yōu)長度。隧道施工過程中，在變截面隧道采取合適的工法轉(zhuǎn)換方案，可以盡可能地減少圍巖擾動(dòng)和應(yīng)力集中，確保在規(guī)定工期內(nèi)順利完工[4]。本文以某隧道工程為依托，對(duì)大斷面隧道工法轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行研究，可為今后類似現(xiàn)場施工提供一定的參考。

1 工程概況

某隧道工程全長560.34m。主洞隧道與匝道隧道平交口分岔部分分段逐步擴(kuò)大，如圖1所示。分岔3（FC3）跨度為21.45m，分岔4（FC4）跨度為24.95m，根據(jù)兩段跨度的不同，F(xiàn)C3采用中壁法（Center Diaphragm,CD）、FC4采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，F(xiàn)C3到FC4之間采用10m延伸過渡段進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換。

圖1 隧道變截面處立面圖

2 主要施工方案

2.1 施工工法選擇

依據(jù)前期工法論證方案及FC3變更圖設(shè)計(jì)，左、右線FC3段采用CD法開挖，F(xiàn)C4段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，通過增加開挖步驟，控制單次開挖面積從而保證施工質(zhì)量。具體段落及支護(hù)形式如表1所示。

表1 段落開挖方式及支護(hù)形式

2.2 工法轉(zhuǎn)換方案

在工法轉(zhuǎn)換時(shí)，F(xiàn)C3段中隔壁在過渡段10m范圍內(nèi)逐步向FC4段中心線位置偏移，從而實(shí)現(xiàn)在不同隧道斷面間支護(hù)結(jié)構(gòu)的順利過渡，具體如圖2所示。具體工法轉(zhuǎn)換步驟如下：

圖2 導(dǎo)坑示意圖

步驟一：FC3導(dǎo)坑1開挖至與FC4交界里程停止開挖，噴射混凝土封閉掌子面。

步驟二：FC3導(dǎo)坑4跟進(jìn)至與導(dǎo)坑1同一里程處，停止開挖，噴射混凝土封閉掌子面。

步驟三：中部導(dǎo)坑及下部導(dǎo)坑2、3、5、6按FC3導(dǎo)坑步距持續(xù)跟進(jìn)。

步驟四：FC3至FC4采用10m過渡段，主要為FC4施工臺(tái)架提供作業(yè)空間。

步驟五：FC3導(dǎo)坑1向FC4導(dǎo)坑1開挖，單次開挖1.5m，2榀拱架，因挑頂及擴(kuò)挖高度較小，可直接挑頂擴(kuò)挖，施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支撐仍采用中隔壁臨時(shí)支撐。中隔壁在過渡段10m范圍內(nèi)逐步向FC4中隔壁偏移。

步驟六：FC3導(dǎo)坑1過渡段施作完成后，及時(shí)封閉掌子面。導(dǎo)坑4向FC4挑頂擴(kuò)挖，單次開挖1.5m，2榀拱架，需經(jīng)2～3次爆破形成FC4開挖輪廓線，每次爆破完成后及時(shí)采用5cm噴射混凝土進(jìn)行初噴。開挖到位后及時(shí)施作FC4導(dǎo)坑4初期支護(hù)，導(dǎo)坑4過渡段施作完成后，及時(shí)封閉掌子面。至此FC4斷面上導(dǎo)坑形成雙側(cè)壁施工作業(yè)空間。

步驟七：FC4導(dǎo)坑1按雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，及時(shí)施作支護(hù)，導(dǎo)坑1開挖15m后，開挖導(dǎo)坑4。中部導(dǎo)坑及下部導(dǎo)坑按FC4雙側(cè)壁開挖法步距持續(xù)跟進(jìn)。

步驟八：及時(shí)施作仰拱及填充，封閉成環(huán)。

2.3 雙層初支施工措施

導(dǎo)坑1開挖10～15m后進(jìn)行導(dǎo)坑4開挖，導(dǎo)坑4開挖10～15m后進(jìn)行導(dǎo)坑2開挖，及時(shí)噴射混凝土封閉掌子面，進(jìn)行第二層初支施作；導(dǎo)坑2、5、3、6第二層初支與第一層初支同步施作。導(dǎo)坑7第二層初支滯后第一層初支2～3循環(huán)施作。在施作雙層初支時(shí)應(yīng)注意：①第一層初支與第二層初支拱架錯(cuò)開設(shè)置；②在第一層初支臨時(shí)支撐噴射混凝土，要預(yù)留好第二層拱架橫穿位置，以避免第二層初支施作時(shí)鑿除橫穿孔；③第二層初支應(yīng)與第一層初支拱架的搭接位置錯(cuò)開；④第二層初支拱架應(yīng)增設(shè)鎖腳錨桿和縱向連接筋進(jìn)行固定。

2.4 臨時(shí)支撐拆除措施

在確定拆除段的永久支護(hù)封閉完成后，此時(shí)才可對(duì)該段的臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行拆除，拆除時(shí)需滿足規(guī)范要求。在臨時(shí)支護(hù)拆除前，需要對(duì)拆除段的沉降變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)均滿足穩(wěn)定條件時(shí)方可進(jìn)行拆除[5]。首先采取隔3拆1的方法，觀測到的隧道變形量和變形速率均處于正常范圍內(nèi)時(shí)，采取隔1拆1的方法，以防中隔壁支撐突然失穩(wěn)倒塌。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對(duì)臨時(shí)支撐上的混凝土進(jìn)行清理，逐環(huán)清理鋼筋網(wǎng)及鋼架。對(duì)單次拆除臨時(shí)支護(hù)長度以不大于1m為宜。

2.5 監(jiān)控量測措施

應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，在開挖、支護(hù)完成后及時(shí)對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況對(duì)檢測項(xiàng)目及內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整[6]。對(duì)于分岔段超大斷面施工，主要進(jìn)行的監(jiān)測項(xiàng)目有：地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察、拱頂下沉量測、鋼支撐內(nèi)力量測等。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D對(duì)變截面隧道進(jìn)行數(shù)值模擬[7]，選取隧道左線ZK4+005.0—ZK4+055.0建立模型，長寬高分別為50m×160m×140m，如圖3所示。模擬計(jì)算中初期支護(hù)采用殼單元，錨桿采用桿單元，二襯、中隔墻均采用實(shí)體單元，隧道開挖使用null單元實(shí)現(xiàn)。圍巖及支護(hù)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)工程勘察資料結(jié)合相關(guān)規(guī)范取得，如表2～表3所示[8]。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

表2 計(jì)算模型中圍巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

按照實(shí)際施工方案模擬開挖完成的隧道位移云圖如圖4所示，在過渡段并未發(fā)現(xiàn)較大的變形，過渡段中隧道產(chǎn)生的位移變化較為平穩(wěn)，并未發(fā)生因截面擴(kuò)大而導(dǎo)致變形超過控制量的情況。

圖4 隧道位移云圖

在隧道縱深方向每隔5m分別在拱頂設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，對(duì)拱頂處的位移變形進(jìn)行監(jiān)測，將數(shù)值模擬中開挖穩(wěn)定后的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，如表4所示。

表4 拱頂位置處數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場監(jiān)測變形結(jié)果

將數(shù)值模擬得到的沉降量與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬得到的位移均小于現(xiàn)場實(shí)測位移，相對(duì)誤差為12%左右，無論是數(shù)值模擬還是現(xiàn)場實(shí)測得到的拱頂沉降均在規(guī)范的控制范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以某隧道工程為背景，對(duì)大斷面隧道采用過渡段進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換的要點(diǎn)進(jìn)行了分析，并且利用數(shù)值模擬對(duì)工法轉(zhuǎn)換時(shí)隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)對(duì)隧道開挖完成后拱頂沉降值的分析，無論是數(shù)值模擬結(jié)果還是監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，開挖完成后的拱頂變形均處于規(guī)定要求的控制范圍內(nèi)，證實(shí)了采用過渡段進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換有利于圍巖的穩(wěn)定；在開挖過渡段時(shí)，拆除中隔壁會(huì)導(dǎo)致拱頂下沉和拱底的隆起變形量增加。因此，拆除臨時(shí)支架過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工作。

（2）采用10m延伸過渡段進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，方便大型機(jī)械進(jìn)入工作區(qū)，避免對(duì)后續(xù)雙側(cè)壁段導(dǎo)坑的施工造成影響，有效提高了施工效率。