破碎圍巖大跨偏壓連拱隧道施工方案比選及支護(hù)優(yōu)化研究*

帥建國(guó),張巧明,楊一凡,楊果林,邱明明

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南,長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

近年來(lái),連拱隧道因其具有減少道路距離、避免隧道路口分幅的特點(diǎn),在公路隧道建設(shè)中被廣泛應(yīng)用[1-3]。相比于其他隧道方案,連拱隧道施工難度大、施工工序復(fù)雜且對(duì)周邊圍巖影響較大[4-9]。因此,選擇合理的開挖方案,對(duì)減少周邊圍巖的擾動(dòng)、優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、保證隧道安全施工都具有十分重要的意義。本文以夏鵑路下穿智慧公園隧道為依托(見圖1),基于工程所處的特殊環(huán)境及工況條件,對(duì)偏壓條件下連拱隧道的洞口及洞身段施工方案進(jìn)行論證分析,提出適應(yīng)性的優(yōu)化方案,并從結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度等方面對(duì)不同施工方案進(jìn)行全面的對(duì)比分析。同時(shí),從有效保證隧道安全施工出發(fā),本文對(duì)支護(hù)措施開展了技術(shù)安全性分析,以期為依托工程的順利施工提供依據(jù),并為類似工程的設(shè)計(jì)、建造提供參考和借鑒。

圖1 隧道橫斷面布置

1 工程概況及難重點(diǎn)

1.1 工程概況

夏鵑路下穿智慧公園隧道工程(以下簡(jiǎn)稱“夏鵑路隧道”)北起雪松路(樁號(hào)為K1+931.453),南至龍柏路(樁號(hào)為K2+520),與夏鵑路道路工程銜接,隧道長(zhǎng)約320m,其中暗埋段長(zhǎng)約280m,隧道單個(gè)主洞標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)輪廓面積154.39m2,主洞建筑限界寬度14.75m、高度5.5m。該隧道南北走向,橫穿山體,沿線局部地段基巖裸露良好,山體植被發(fā)育,多為雜木,少量灌木,進(jìn)、出口均位于山澗斜坡地段。

如圖2所示,本項(xiàng)目場(chǎng)地整體地形呈南高北低,進(jìn)口及洞身段呈西高東低,出口段呈東高西低,隧道區(qū)附近海拔在55.000～115.000m,相對(duì)高差60m,地形坡度35°～55°,地貌單元屬剝蝕丘陵與山間洼地的過渡區(qū)域。

圖2 大跨偏壓連拱隧道工點(diǎn)

1.2 工程難點(diǎn)

1)大跨度、超淺埋、偏壓及多斷面結(jié)構(gòu) 車行隧道為雙向8車道連拱隧道,單洞跨徑達(dá)14.7m,屬超大跨徑暗挖連拱隧道;覆土厚度較小,最深約 24m,埋深較淺;偏壓嚴(yán)重,尤其在洞口段、中間鏤空段表現(xiàn)明顯;由于隧道短、地質(zhì)條件復(fù)雜、大跨淺埋偏壓的影響,橫斷面類型豐富多樣,包含明洞斷面、半明半暗斷面和暗埋斷面。

2)大隧道圍巖地層條件差 隧道穿越地層從上向下分布分別為植物層、第四系新近沉積淤泥、第四系殘積粉質(zhì)黏土和元古界板巖,這幾類地層存在一個(gè)共性,即地質(zhì)較軟,遇水易軟化,造成隧道塌方。圍巖以全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖為主,屬軟弱破碎圍巖,自穩(wěn)能力較差,為Ⅴ級(jí)圍巖。

3)多洞口 夏鵑路隧道為1座4洞隧道,分別為左、右車行隧道+兩側(cè)東、西人非隧道,且左、右車行隧道及東人非隧道在K2+140—K2+200段為明洞,共計(jì)14個(gè)洞口,明暗洞交替頻繁,合理進(jìn)行隧道施工組織、安排各隧道洞口施工順序,是確保夏鵑路隧道施工安全、高效完成的重點(diǎn)。

1.3 工程重點(diǎn)

夏鵑路隧道作為連拱隧道,且部分區(qū)段為淺埋偏壓,穿越山澗,圍巖整體破碎,極易崩解坍塌。隧道進(jìn)出口存在半明半暗施工,均存在淺埋偏壓現(xiàn)象,且地表東西走向地形起伏大,施工中極易出現(xiàn)坍塌、冒頂、初支沉降收斂、變形開裂等現(xiàn)象。發(fā)揮圍巖自穩(wěn)性,防止洞身受偏壓變形位移,隧道進(jìn)洞開挖時(shí)確保邊坡穩(wěn)定、不引起洞頂滑坡是安全控制的重點(diǎn),也是制訂施工方案必須考慮的關(guān)鍵問題。

2 施工方案比選

夏鵑路連拱車行隧道洞身圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖及中風(fēng)化板巖,洞身處于軟硬巖層分界線上,圍巖硬度、完整性和整體性分布不均,圍巖等級(jí)均按Ⅴ級(jí)考慮。針對(duì)如此復(fù)雜的地形環(huán)境,明確本次工程的重難點(diǎn)后,在保障隧道安全的基礎(chǔ)上,應(yīng)選擇合理的施工方案保障其施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 原施工方案論證分析

本隧道設(shè)計(jì)與施工采用新奧法,開挖方法原設(shè)計(jì)建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,即采用分部減跨膨脹劑預(yù)裂+機(jī)械鑿除開挖掘進(jìn)工藝。經(jīng)實(shí)地調(diào)研和專家論證發(fā)現(xiàn),采用原施工方案具有諸多不利因素。

1)分部減跨后形成的導(dǎo)坑尺寸小,不具備常規(guī)機(jī)械作業(yè)條件

按原設(shè)計(jì)采用雙側(cè)壁或單側(cè)壁導(dǎo)坑法組織施工,導(dǎo)坑凈寬尺寸為3.0～6m,再安裝洞內(nèi)風(fēng)、水、供配電管線及監(jiān)測(cè)點(diǎn)后,作業(yè)空間2.5～5.5m,導(dǎo)致200型與300型炮機(jī)鑿除、側(cè)翻裝載機(jī)及后八輪渣土車等均無(wú)作業(yè)空間。本隧道洞身圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化板巖及中風(fēng)化板巖,由于圍巖硬度、完整性和整體性差異大,如按側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,引起大型機(jī)械難以作業(yè),小型機(jī)械往往造成大規(guī)模欠挖,尤其出現(xiàn)在拱墻腳以上1m內(nèi),炮機(jī)擴(kuò)挖將造成二次撓動(dòng),安全隱患突出。

2)控制拆除側(cè)壁支護(hù)引起的二次大變形難度大

連拱車行隧道暗洞設(shè)計(jì)采用小凈距、超大跨度隧道,開挖輪廓面雙洞凈距3.2m,不計(jì)超挖的前提下,設(shè)計(jì)開挖輪廓面最大跨度達(dá)19.9m,洞身圍巖自穩(wěn)性差,控制初支大變形難度較大。設(shè)計(jì)說明建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,但此工藝在淺埋段雙臨時(shí)支撐就位、圍巖應(yīng)力重分布初步完成、初支形變逐漸趨于穩(wěn)定后,再先后拆除雙臨時(shí)支撐,引起圍巖應(yīng)力重分布,極易引起初支二次大變形,難以遏制的大變形可能導(dǎo)致隧道初支發(fā)生垮塌等安全事故。同時(shí),通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘,發(fā)現(xiàn)隧道洞身淺埋段上部地表分布大量當(dāng)?shù)鼐用竦膲災(zāi)?部分墳?zāi)篂橥临|(zhì)空穴結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)的墓穴在雨水或其他外界因素的影響下有可能垮塌,初支二次大變形則更可能加劇影響導(dǎo)致墳?zāi)顾?勢(shì)必引起當(dāng)?shù)啬怪骱笕俗韫せ虼嬖谝筮w移墳?zāi)沟脑V求,極有可能需增加征拆費(fèi)用和影響隧道工期。

3)構(gòu)件永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)工序轉(zhuǎn)換頻繁,工期將超設(shè)計(jì)總體工期

連拱車行隧道暗洞分為7部位開挖,完成單洞每個(gè)循環(huán)所有支護(hù)共需16道工序(含中導(dǎo)洞臨時(shí)拱架拆除)。單洞平均按3d進(jìn)尺1.5m計(jì)算,先行洞洞身開挖、支護(hù)需11個(gè)月時(shí)間,后行洞滯后40m進(jìn)行開挖支護(hù),車行洞完成所有初支需14個(gè)月。其中,所有臨時(shí)支護(hù)的拆除是施工中的關(guān)鍵工序,拆除時(shí)機(jī)及第2層初支的施作時(shí)機(jī)還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)確定,加上本項(xiàng)目進(jìn)出洞口多、明洞過長(zhǎng),二襯施作時(shí)間還需9～10個(gè)月。本隧道為隧道群,按雙側(cè)壁或單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工開挖、初支與二襯平行作業(yè)時(shí)間≤2個(gè)月,所以主洞主體完工都將超過設(shè)計(jì)工期。

2.2 施工方案優(yōu)化分析

臺(tái)階法因其靈活多變、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已成為大斷面隧道快速施工的主流施工方法。根據(jù)本隧道長(zhǎng)度、跨度、結(jié)構(gòu)形式和圍巖情況,開挖方式采用預(yù)留核心土+臺(tái)階法(逐步過渡)。為充分保障工程實(shí)施,對(duì)優(yōu)化方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析如下。

1)三臺(tái)階七步開挖法優(yōu)點(diǎn) ①減小多次對(duì)圍巖的擾動(dòng),避免由于振動(dòng)造成巖石強(qiáng)度降低、巖石結(jié)構(gòu)面松動(dòng)和開挖輪廓面局部破裂等不利情況;減少對(duì)洞口淺埋段地表墓穴群干擾。②有利于保護(hù)巖體原有的自承能力,不易造成大面積變形及局部塌方;特別是在雙洞大跨度隧道條件下,可最大限度消除拆除雙臨時(shí)支撐時(shí)動(dòng)荷載引起的初支二次大變形,減少安全風(fēng)險(xiǎn)。③可采用大型機(jī)械施工便于控制超欠挖,實(shí)現(xiàn)隧道開挖輪廓的精確成型和開挖面光面效果;減少超挖隧道土石方數(shù)量,減少噴射混凝土數(shù)量,有利于節(jié)約超挖材料和環(huán)保,有利于減少局部應(yīng)力集中點(diǎn)。④開挖速度快,支護(hù)效率高,施工干擾較少,可確保在計(jì)劃工期內(nèi)完工。

2)三臺(tái)階七步開挖法缺點(diǎn) ①因本連拱車行隧道暗埋段均屬于淺埋超大跨短隧道,上、下分部開挖形成的大跨度大斷面需增加施工措施控制拱腳沉降、地表下沉及圍巖收斂;②洞身圍巖屬于泥質(zhì)板巖,巖體較破碎,局部呈碎塊狀,上、下分部開挖形成的大跨度大斷面需采取施工措施縮短仰拱封閉時(shí)間,將上臺(tái)階和中臺(tái)階的仰拱(臨時(shí))及時(shí)閉合成環(huán),確保初支及時(shí)穩(wěn)定及加快消除大變形。同時(shí),針對(duì)軟弱圍巖需采取相應(yīng)措施穩(wěn)固開挖裸面,以減少拱部掉塊或掌子面失穩(wěn)變形,以保證施工安全。

雖然三臺(tái)階法也具有一定缺點(diǎn),但對(duì)2種開挖方法進(jìn)行對(duì)比可知,三臺(tái)階法在經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度、安全上都優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。因此,有必要合理改變施工工序與施工工藝,采用三臺(tái)階法進(jìn)行隧道開挖。為了進(jìn)一步保證這種開挖方案的安全性,特別對(duì)優(yōu)化方案采取的支護(hù)方案進(jìn)行技術(shù)分析。

3 優(yōu)化方案對(duì)比分析

為確保臺(tái)階法施工有效可行,本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)預(yù)留核心土環(huán)形開挖+臺(tái)階法工法配合不同支護(hù)方法下引起的拱頂下沉和圍巖收斂等進(jìn)行了計(jì)算分析,以進(jìn)一步確定臺(tái)階法開挖在不同支護(hù)形式下的合理性和可行性。

3.1 洞口段支護(hù)力學(xué)行為分析

洞口段圍巖為Ⅴ級(jí),圍巖密度取2.6g/cm3,彈性模量為5.59GPa,泊松比為0.24,內(nèi)摩擦角取38.1°,黏聚力為0.6MPa。因?yàn)槌靶?dǎo)管起到注漿加固隧道前方未開挖巖土體的作用,本模擬通過加強(qiáng)巖土體強(qiáng)度參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)超前小導(dǎo)管作用(見圖3)。

圖3 洞口段分析模型

1)管棚+鎖腳錨桿+單排超前小導(dǎo)管支護(hù)(方案1) 由圖4a可看出,在連拱隧道洞口段采用管棚+鎖腳錨桿+單排超前小導(dǎo)管復(fù)合支護(hù)時(shí),圍巖變形主要為拱頂下沉,隧道主洞洞周收斂較小,為1.2cm,拱頂下沉集中在2個(gè)主洞拱頂間的區(qū)域,整個(gè)區(qū)域沉降最大值為6.7cm。

圖4 洞口段分析位移云圖(方案1,2)

2)管棚+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱+雙層超前小導(dǎo)管支護(hù)(方案2) 由圖4b可看出,在連拱隧道洞口段采用管棚+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱+雙層超前小導(dǎo)管復(fù)合支護(hù)情況下,圍巖變形主要為拱頂下沉,隧道洞周收斂較小,數(shù)值為0.5cm,拱頂下沉集中在2個(gè)主洞拱頂間的區(qū)域,整個(gè)區(qū)域沉降最大值為2.7cm。

3.2 洞身段支護(hù)力學(xué)行為分析

洞身段圍巖為Ⅴ級(jí),圍巖密度取2.5g/cm3,彈性模量為5.67GPa,泊松比為0.23,內(nèi)摩擦角37.9°,黏聚力為0.6MPa,分析模型如圖5所示。

圖5 洞身段分析模型

1)雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿支護(hù)(方案1) 由圖6a可看出,在連拱隧道洞身段采用雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿復(fù)合支護(hù)情況下,圍巖變形主要為拱頂下沉,隧道洞周收斂較小,為1.3cm,拱頂下沉集中在2個(gè)主洞拱頂間的區(qū)域,整個(gè)區(qū)域沉降最大值為5.5cm。

圖6 洞身段分析位移云圖(方案1,2)

2)雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱支護(hù)(方案2) 由圖6b可看出,在連拱隧道洞身段采用雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱復(fù)合支護(hù)情況下,圍巖變形主要為拱頂下沉,隧道洞周收斂較小,為0.4cm,拱頂下沉集中在2個(gè)主洞拱頂間的區(qū)域,整個(gè)區(qū)域沉降最大值為2.4cm。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

綜上所述,采用FLAC3D模擬得到的不同支護(hù)情況下隧道拱頂下沉、周邊收斂最大值如表1所示。

表1 不同支護(hù)方案下隧道拱頂下沉、周邊收斂最大值對(duì)比

由表1可看出:

1)在洞口段,采用管棚+鎖腳錨桿+單排超前小導(dǎo)管的聯(lián)合支護(hù)形式下,開挖完成后主洞拱頂位移最大值為6.7cm,大于隧道極限位移(隧道設(shè)計(jì)的預(yù)留變形量)的1/3,應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。采用管棚+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱+雙層超前小導(dǎo)管的聯(lián)合支護(hù)形式下,開挖完成后主洞拱頂位移,周邊收斂值均小于隧道極限位移的1/3,故洞口段采用管棚+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱+雙層超前小導(dǎo)管的聯(lián)合支護(hù)效果良好。

2)在洞身段,采用雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿的聯(lián)合支護(hù)形式下,開挖完成后主洞拱頂位移最大值為5.5cm,大于隧道極限位移的1/3,故應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。采用雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱的聯(lián)合支護(hù)形式下,開挖完成后主洞拱頂位移,周邊收斂值均小于隧道極限位移的1/3,故洞身段采用雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱的聯(lián)合支護(hù)效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)偏壓連拱隧道安全快速施工問題,對(duì)某工程先后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行了方案論證對(duì)比分析,從安全、經(jīng)濟(jì)和進(jìn)度等方面進(jìn)行了綜合分析;同時(shí),基于數(shù)值模擬方法,對(duì)洞口段和洞身段采取預(yù)留核心土+臺(tái)階法開挖條件下的支護(hù)措施進(jìn)行了技術(shù)分析并進(jìn)行優(yōu)化。得出以下結(jié)論。

1)為確保隧道施工經(jīng)濟(jì)、安全和高效,在偏壓條件下連拱隧道洞口段及洞身段采用預(yù)留核心土+三臺(tái)階法施工更合適。

2)在采用預(yù)留核心土+三臺(tái)階法施工方法下,在隧道洞口段采用管棚+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱+雙層超前小導(dǎo)管的聯(lián)合支護(hù),洞身段采用雙層超前小導(dǎo)管+鎖腳錨桿+臨時(shí)仰拱的聯(lián)合支護(hù)效果更好,都能大大改善施工完成后其拱頂沉降位移及周邊收斂值。

3)在進(jìn)行隧道施工時(shí),應(yīng)多方面根據(jù)其特點(diǎn)選取合適的施工方式,同時(shí)確定施工方式后選取合適的支護(hù)措施也是能安全、高效進(jìn)行施工的關(guān)鍵。本文僅進(jìn)行了部分方案對(duì)比,后續(xù)研究可在此基礎(chǔ)上增加多種方案對(duì)比,以期為實(shí)際工程提供更多參考。