隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
——以貴嶺隧道為例

上官偉, 由洋旭, 王 剛, 李洪奇, 田曉雷

(1.中交一航局城市交通工程有限公司, 天津 300457; 2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266590; 3.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院, 福州 350118)

隨中我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展,隧道工程建設(shè)量不斷增加,隧道建設(shè)技術(shù)愈發(fā)成熟。近些年,高難度隧道工程建設(shè)如火如荼,地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)隧道的建設(shè)取得了重大的進(jìn)展[1-3],新型技術(shù)的應(yīng)用也為隧道建設(shè)提供了更多的科技支持[4-6]。但由于巖土地質(zhì)條件存在特異性和不確定性,不同地區(qū)的隧道建設(shè)往往需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的施工方案。因此,關(guān)于隧道建設(shè)設(shè)計(jì)與施工的成熟理論體系依然尚未建立,隧道建設(shè)依然處于在實(shí)踐中摸索經(jīng)驗(yàn)的階段。

在隧道的施工與建設(shè)過程中,隧道的支護(hù)體系是保障隧道安全施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的關(guān)鍵,因此隧道支護(hù)理論與方法漸漸成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。王睿等[7]運(yùn)用松動(dòng)圈理論研究確定隧道初期支護(hù)時(shí)機(jī)。劇仲林[8]采用直接彈性抗力法簡(jiǎn)化支護(hù)計(jì)算過程。李曉軍等[9]采用有限元的手段研究了砂質(zhì)泥巖地質(zhì)條件下淺埋大斷面小凈距隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧道支護(hù)的影響規(guī)律。趙晨陽(yáng)等[10]基于工程實(shí)例結(jié)合數(shù)值模擬手段探究了大變形隧道初期支護(hù)的力學(xué)特性。李德軍等[11]運(yùn)用數(shù)值模擬研究并優(yōu)化了大跨度山嶺隧道支護(hù)參數(shù)。劉小俊[12]結(jié)合工程實(shí)例試驗(yàn)并研究了高地應(yīng)力千枚巖隧道支護(hù)體系。邵珠山等[13]利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬建立了高地應(yīng)力下軟巖隧道支護(hù)優(yōu)化方案。皮圣[14]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)探究了初期支護(hù)格柵鋼架對(duì)控制黃土隧道沉降變形的作用。莊一舟等[15]通過室內(nèi)試驗(yàn)總結(jié)了隧道鋼拱架早期承載力學(xué)性能。

圍巖等級(jí)的差異,需要采取的支撐方式也不盡相同。在隧道的建設(shè)過程中軟巖的支護(hù)成為工程建設(shè)的重點(diǎn)之一。尤其是近年來基建的快速推進(jìn),隧道工程的應(yīng)用越發(fā)廣泛,部分施工難度較大的隧道對(duì)工期的影響越來越大。初期支護(hù)是保證隧道安全和成本的主要因素,因此,對(duì)其進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)尤為必要。

目前在地質(zhì)條件較差的軟弱地層中,隧道工程的施工難度仍然較大。不同的地質(zhì)情況要因地制宜采用不同的科學(xué)手段進(jìn)行隧道建設(shè)。本文圍繞著浦北高速貴嶺隧道工程,分析其洞門及初期支護(hù)設(shè)計(jì)方案的合理性,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

貴嶺隧道擬建隧址位于博白縣黃凌鎮(zhèn)的貴嶺附近。隧址附近僅有硬化鄉(xiāng)村道路,交通條件較為不便。隧道分左右兩線,左右線分別為13段共計(jì)26段。隧道屬于兩洞分離式隧道,左洞長(zhǎng)955 km,右洞長(zhǎng)1 010 km。隧道公路等級(jí)為兩向四車道高速公路,隧道設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h,凈寬11.5 m,凈高5.0 m。隧道進(jìn)口處左洞右洞、出口右洞處使用端墻式洞門形式,隧道出口左洞位置使用偏壓式洞門形式,設(shè)兩處人行橫洞,一處車行橫洞。隧道剖面圖如圖1所示。

圖1 隧道剖面圖

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

隧道隧址區(qū)屬于剝蝕侵蝕丘陵地貌,隧道進(jìn)口位于黃凌鎮(zhèn)貴子地附近,左進(jìn)洞口位于沖溝里,左洞上方匯水面積大,沖溝里的水量大,右側(cè)洞口位置位于山體斜坡上面,地面標(biāo)高大多處于210～240 m位置,相對(duì)高差大約為30 m,自然邊坡坡向處于240°,坡度為20°～27°;隧道出口位于黃凌鎮(zhèn)雜嶺塘附近,左出洞口位于沖溝里,右側(cè)出口位于斜坡地帶,地形上為斜坡,地面標(biāo)高位置為190～220 m,相對(duì)高差在30 m左右,自然邊坡坡向坡度為20°,坡度為9°～10°。

1.2.2 地層巖性

1.2.3 地表水及地下水

在隧道進(jìn)出口均發(fā)育一條季節(jié)性沖溝,雨季沖溝接受大氣降雨,形成地表徑流,溝谷里均發(fā)育有一小溪,常年有水,雨季時(shí)流量大。地下水以第四紀(jì)的疏松孔隙水和基巖裂隙水為主?？紫端运寞B地層為主,由空氣降雨補(bǔ)充,水量中等左右,以疏松巖石作為渠道,以蒸發(fā)、垂直滲透進(jìn)入基巖裂縫或補(bǔ)充地表水源。地下水主要分布于沖溝低洼地帶,受大氣降水及基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給,水量有限且較穩(wěn)定,對(duì)隧道影響較小。

2 隧道總體設(shè)計(jì)

2.1 隧道平面及縱斷面設(shè)計(jì)

隧道縱截面的規(guī)劃要充分考慮隧道的長(zhǎng)度、通風(fēng)、采光、主施工的方向、入口的布置、排水、進(jìn)出口的接線等。具體隧道布置參數(shù)見表1。

表1 隧道布置參數(shù)

2.2 隧道橫斷面設(shè)計(jì)

2.2.1 隧道建筑限界

貴嶺隧道根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[16]及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D 70/1—2018)[17]的要求按250～350 m間隔設(shè)置行人橫道,按750～1 000 m間距設(shè)置通車橫道(車行橫通道可同時(shí)作為人行橫通道,中、短隧道可不設(shè)置)。為了滿足隧道運(yùn)營(yíng)救援要求,長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道在隧道洞外需設(shè)置洞外聯(lián)系道,洞外聯(lián)系道結(jié)合路基中央分隔帶開口設(shè)置,由總體及路基路面專業(yè)協(xié)調(diào)完成。隧道建筑界限圖如圖2所示。

圖2 隧道建筑限界圖

2.2.2 隧道襯砌內(nèi)輪廓線設(shè)計(jì)

隧道凈斷面應(yīng)滿足隧道的建筑物邊界要求,同時(shí)考慮隧道照明、通風(fēng)、運(yùn)營(yíng)管理設(shè)施、裝飾等方面存在的問題;從工程的經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征出發(fā),隧道主洞和緊急停車帶均為三心圓、曲邊墻;隧道斷面不大的行車橫通道、行人橫洞采用直墻、割圓拱斷面形式是最好的方案。隧道內(nèi)輪廓圖如圖3所示。

圖3 隧道內(nèi)輪廓圖

3 支護(hù)形式的選擇

3.1 洞門襯砌設(shè)計(jì)

為了確保山腹的穩(wěn)定性,減少對(duì)洞口天然條件的損害,本項(xiàng)目采取“先入后出”的原則,盡量減少隧道的開挖高度。根據(jù)該隧道出入口的具體條件,采取一種外嵌清條石端壁形式的入口。按照“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),信息法施工”的設(shè)計(jì)思路,在施工過程中,采取從上到下的逆作法,在施工過程中,采取網(wǎng)、錨噴支護(hù)等措施。在洞口工程中,應(yīng)盡量減小洞口附近的巖體干擾,及時(shí)做好洞口的防滲排水溝、洞口邊傾邊防護(hù),以保證洞口的安全。

3.2 洞身襯砌設(shè)計(jì)

根據(jù)新奧法的基本原則,選擇以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等作主要支護(hù)方式,以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等主要具體方式作用在早期支護(hù),后期使用混凝土模板和混凝土,多個(gè)部分共同組成永久性承載結(jié)構(gòu)的保護(hù)措施。

4 隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 支護(hù)形式選擇

隧道的圍巖情況相對(duì)復(fù)雜,其中隧道右側(cè)施工部分分段圍巖級(jí)別長(zhǎng)度:右幅Ⅴ級(jí)圍巖段共長(zhǎng)占36.1%,Ⅳ級(jí)圍巖段約占38.1%,Ⅲ級(jí)圍巖約占其中的25.8%;隧道左段施工部分分段圍巖級(jí)別長(zhǎng)度:Ⅴ級(jí)圍巖約為28.3%,Ⅳ級(jí)圍巖約占42.4%,Ⅲ級(jí)圍巖大約為29.3%。

本工程為近距離、高級(jí)別的高速公路隧道,其洞口區(qū)為V級(jí),洞段圍巖為IV級(jí)或Ⅲ級(jí)。V型圍巖體的邊坡穩(wěn)定性較低,成孔狀況較好,自穩(wěn)性較低,容易出現(xiàn)較大的崩塌;Ⅳ級(jí)圍巖自身穩(wěn)定性差,存在著小崩塌的危險(xiǎn)。根據(jù)施工條件、斷面形式和地質(zhì)條件,并根據(jù)其本身承載能力,采用新型的新技術(shù),采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu),即采用前期支護(hù)、中段支護(hù)和二次支護(hù)組成的支護(hù)形式,具體為:由于初期支護(hù)中間加入中間防水層以及二次襯砌組合而成的新型新襯砌手段,里面初次支護(hù)運(yùn)用噴、錨、網(wǎng)支護(hù),工字型鋼拱架,這樣可以最好地利用圍巖自承載能力,采用新型支護(hù)技術(shù)的同時(shí)采用大管棚、超前小導(dǎo)管技術(shù)等超前支護(hù)技術(shù)。

貴嶺隧道內(nèi)輪廓圖中內(nèi)輪廓線半徑為6.65 m,V級(jí)圍巖巖體預(yù)留變形12 cm,初次襯厚度27 cm,二次襯厚50 cm,隧道的開挖半徑7.54 m。參考工程類比的方法進(jìn)行復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)行理論分析進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)工程技術(shù)規(guī)程的規(guī)定、工程實(shí)際情況,合理地進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的修整。本工程選取的支護(hù)參數(shù)依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際情況而定。支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)參數(shù)

4.2 圍巖初期支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

圍巖初期支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算是隧道工程中的重要部分。初期支護(hù)對(duì)于隧道整體建設(shè)往往具有決定性作用,初期支護(hù)能起到承受早期圍巖壓力,控制圍巖變形,防止圍巖變形過大,保證施工期間隧道基本穩(wěn)定的作用?，F(xiàn)假定噴射混凝土、鋼支撐、錨桿以及圍巖所組成聯(lián)合支護(hù),隧道初期支護(hù)的總支護(hù)抗力P可視為各部分支護(hù)抗力之和,即

P=P1+P2+P3+P4

(1)

計(jì)算所得的P應(yīng)該符合不等式

P≥Pmin

(2)

式中:P1為噴射隧道混凝土提供的支護(hù)抗力,MPa;P2為內(nèi)部鋼拱架支撐提供的支護(hù)抗力,MPa;P3為錨桿提供的支護(hù)抗力,MPa;P4為圍巖本身提供的支護(hù)抗力,MPa;Pmin為開挖隧道后巖體中為避免產(chǎn)生剪切滑移造成隧道破壞需要擁有的極限支護(hù)阻力,MPa。

4.2.1 噴射混凝土提供的支護(hù)抗力P1

依據(jù)下列公式對(duì)支護(hù)抗力P1進(jìn)行計(jì)算。

τs=0.43σs

(4)

b=2Rcosα

(7)

式中:ds為噴射層的厚度,m;τs為噴射層的抗剪強(qiáng)度;as為噴混凝土的剪切角,取30°;b為剪切區(qū)高度,m;ψ為剪切滑移面的平均傾角,(°);σs為混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,取12.5MPa;l為錨桿有效長(zhǎng)度,V、Ⅳ級(jí)取3.5m,Ⅲ級(jí)取2.5m;t為錨桿橫向間距,取1.2m;R為隧道開挖半徑長(zhǎng)度,m;W為加固帶厚度,m;α為計(jì)算參數(shù),取60°

在V級(jí)圍巖范圍內(nèi),預(yù)設(shè)變形量12cm,初次襯厚度27cm,二次襯厚度50cm,隧道的開挖半徑長(zhǎng)度R取7.54m,即

R=6.65+0.12+0.27+0.5=7.54 m。

在Ⅳ級(jí)圍巖范圍,預(yù)留變形量8cm,初次襯厚度23cm,二次襯厚度40cm,隧道的開挖半徑長(zhǎng)度R取7.36m,即

R=6.65+0.08+0.23+0.4=7.36 m。

在Ⅲ級(jí)圍巖范圍,預(yù)設(shè)變形量5cm,初次襯厚度10cm,二次襯厚度35cm,隧道的開挖半徑長(zhǎng)度R取7.15m,即

R=6.65+0.05+0.10+0.35=7.15 m。

經(jīng)計(jì)算可知,在V級(jí)圍巖范圍內(nèi)P1=0.67MPa,在Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P1=0.52MPa,在Ⅲ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P1=0.29MPa。

4.2.2 鋼支撐提供的支護(hù)抗力P2

鋼拱架支撐提供的支護(hù)抵抗力在運(yùn)算時(shí)能夠換算成相關(guān)的噴射混凝土支護(hù)抵抗力數(shù)值,即

τt=0.43τstp0

(10)

式中:FS為每米隧道鋼材當(dāng)量面積,m2;τst為噴射層內(nèi)鋼材的抗剪強(qiáng)度,取12.5MPa;τt為計(jì)算抗剪強(qiáng)度;p0為巖體初始應(yīng)力,取15MPa;αt為噴射層內(nèi)鋼材的破壞剪切角,取45°。

計(jì)算可得在V級(jí)圍巖范圍內(nèi)P2=0.23MPa;在Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P1=0.11MPa;由于在本工程中鋼支撐僅存于V級(jí)圍巖與Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi),因此Ⅲ級(jí)圍巖中無鋼支撐提供的支護(hù)抗力。

4.2.3 錨桿提供的支護(hù)抗力P3

錨桿受力破壞有兩種情況:①由于自身的力量不夠,導(dǎo)致錨桿斷裂;②錨桿黏結(jié)破壞,也等同于水泥砂漿錨桿與鉆孔里面之間的黏聚力不足而發(fā)生黏結(jié)破壞。

第一種情形發(fā)生的話,錨桿提供的均布徑向支護(hù)抗力

式中:F為錨桿的斷面面積,m2;σ為錨桿的抗拉強(qiáng)度,MPa;e為錨桿的縱向間距,m;t為錨桿的橫向間距,m。

經(jīng)計(jì)算可知,在V級(jí)圍巖范圍內(nèi)P′3=0.12MPa,在Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P′3=0.11MPa,在Ⅲ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P′3=0.09MPa。

第二種情形發(fā)生的話,錨桿提供的均布徑向支護(hù)抗力

S=πDlsτs

(13)

式中:S為錨桿抵抗拔力,也稱作錨桿的錨固力;D為錨桿鉆孔孔徑,取100mm;τs為鉆孔孔壁與水泥漿體之間極限粘連強(qiáng)度,取0.65MPa;ls為錨固段長(zhǎng)度,為3.5m。

經(jīng)計(jì)算可知,在V級(jí)圍巖范圍內(nèi)P″3=0.50MPa,在Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P″3=0.32MPa,在Ⅲ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P″3=0.22MPa。

計(jì)算可知,在V級(jí)圍巖范圍內(nèi)P3=0.093MPa,在Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P3=0.039MPa,在Ⅲ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P3=0.022MPa。

4.2.4 圍巖本體提供的支護(hù)抗力P4

式中:S′為剪切滑移面長(zhǎng)度,m;τn為沿剪切滑移面的剪應(yīng)力,MPa;σn為垂直于滑移面的正應(yīng)力,MPa。

經(jīng)計(jì)算可知,在V級(jí)圍巖范圍內(nèi)P4=1.26MPa,在Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P4=1.98MPa,在Ⅲ級(jí)圍巖范圍內(nèi)P4=2.78MPa。

4.2.5 初期支護(hù)各部分總支護(hù)抗力P

V級(jí)圍巖:

P=P1+P2+P3+P4=2.240 MPa。

Ⅳ級(jí)圍巖:

P=P1+P2+P3+P4=2.649 MPa。

Ⅲ級(jí)圍巖:

P=P1+P2+P3+P4=3.092 MPa。

4.2.6 最小支護(hù)抗力值Pmin

按照正常的重力相互平衡條件方法求解最小支護(hù)抗力。在塑性區(qū),伴隨著巖石的塑性半徑尺寸增大,巖石體內(nèi)出現(xiàn)了疏松地帶。松散區(qū)被自重的重力影響,產(chǎn)生了松散壓力。為了保證隧道不會(huì)失穩(wěn),所以用支護(hù)力與它平衡,當(dāng)位于受力極限平衡狀態(tài)之時(shí),所求得的支護(hù)抗力即為Pmin。在滑移體處于極限平衡條件下,所得到的支護(hù)抗力即為Pmin。

式中:γ為圍巖重度,V級(jí)圍巖取γ=17kN/m3,Ⅳ級(jí)圍巖取γ=17kN/m3,Ⅲ級(jí)圍巖取γ=23kN/m3;ξ為塑性系數(shù);σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度,V級(jí)圍巖取0.314MPa,Ⅳ級(jí)圍巖取1.47MPa,Ⅲ級(jí)圍巖取4.83MPa。

經(jīng)計(jì)算可知,在V級(jí)圍巖范圍內(nèi)Pmin=0.106MPa,在Ⅳ級(jí)圍巖范圍內(nèi)Pmin=0.930MPa,在Ⅲ級(jí)圍巖范圍內(nèi)Pmin=0.065MPa。

4.3 檢驗(yàn)

將計(jì)算結(jié)果匯總(表3),可以看出計(jì)算所得的P均符合不等式P≥Pmin,表明貴嶺隧道初期支護(hù)滿足要求,所設(shè)計(jì)支護(hù)類型符合標(biāo)準(zhǔn),且在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)圍巖自承能力是初期支護(hù)體系的重要部分(表4)。由此可見,充分利用好圍巖支護(hù)能力對(duì)隧道提升穩(wěn)定性具有很大的作用。

表3 各圍巖等級(jí)支護(hù)抗力計(jì)算結(jié)果

表4 各圍巖等級(jí)圍巖自承能力占初期支護(hù)抗力百分比

5 結(jié)論

目前隨著中國(guó)交通運(yùn)輸工程的大力發(fā)展,國(guó)家對(duì)隧道建設(shè)的需求與日俱增,特別是中國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)的隧道建設(shè)工程劇增,隧道施工難度增大。在隧道建設(shè)的過程中,集約化、精細(xì)化、高效化越來越被施工人員所認(rèn)可。隧道建設(shè)者們?cè)诠こ探ㄔO(shè)總結(jié)交流施工過程中的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于隧道工程的發(fā)展大有裨益。本文依托廣西貴嶺隧道項(xiàng)目對(duì)隧道洞門和初期支護(hù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方面展開研究,得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)山嶺地形陡峭且有可能存在自然落石落下的情況下,應(yīng)該最優(yōu)先選擇的形式為端墻式洞門。

2)隧道初期支護(hù)應(yīng)以充分利用起圍巖自承能力,圍巖本身提供的支護(hù)抗力能有效提升隧道的穩(wěn)定性,在初期支護(hù)中圍巖是提供主要支護(hù)抗力的部分。

3)在日后的隧道工程建設(shè)中,建設(shè)者應(yīng)著重考慮如何提升圍巖支護(hù)的利用率,更有效利用圍巖自身承載力。