三臺階臨時仰拱中柱工法在淺埋大跨隧道圍巖施工中的應(yīng)用及效果分析

范永慧

(中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050051)

0 引言

近年來，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，隧道作為交通運(yùn)輸中的關(guān)鍵點(diǎn)，已經(jīng)向長、大方向發(fā)展[1-5]。在淺埋大斷面隧道修建過程中，選擇合適的施工方法以確保工程的安全性和經(jīng)濟(jì)效益是當(dāng)前一個重要研究方向。在隧道施工工法研究方面，國內(nèi)許多學(xué)者對淺埋大跨度隧道開挖工法的創(chuàng)新、優(yōu)化、數(shù)值模擬等進(jìn)行了不斷探索，并結(jié)合實(shí)際工程取得了許多研究成果。譚常喜[5]以昆楚高速勤豐三車道隧道為工程背景，針對Ⅴ級圍巖段隧道開挖跨度大、形狀扁坦及圍巖穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，在對比分析了環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、三臺階法、CD法和CRD法4種工法適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，通過三維數(shù)值計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用三臺階施工能夠保證隧道施工安全。黨紅章[6]在研究昆明崗頭隧道大跨軟弱圍巖三臺階法施工技術(shù)后，指出大跨隧道圍巖有一定自穩(wěn)能力時可以嘗試將傳統(tǒng)的CRD法和雙側(cè)壁法優(yōu)化成三臺階法施工。陳慶懷等[7]以吊溝嶺隧道淺埋軟弱圍巖段隧道施工為背景，對比了CRD 工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法及三臺階臨時仰拱工法的施工方法及其配套技術(shù)，科學(xué)地選擇了三臺階臨時仰拱法。鄧洪亮等[8]以黃董坡隧道為例，表明在采取管棚或小導(dǎo)管注漿預(yù)加固支護(hù)措施后，三臺階臨時仰拱的施工方法可有效控制淺埋大跨度隧道的收斂和沉降，減少地表沉降。綜上可知，目前大跨度隧道施工工法涌現(xiàn)了很多新方法、新技術(shù)，但仍有提高空間。三臺階工法較CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法具有工序簡單、施工速度快的特點(diǎn)，但對于大跨隧道，如何在應(yīng)用中有效控制周邊位移和拱頂沉降，仍有待進(jìn)一步研究。

本文以省道S550馬義公路峰峰段蒼龍山隧道為工程背景，對淺埋大跨隧道施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

省道S550馬義公路峰峰段設(shè)計為雙向四車道一級公路，項(xiàng)目位于邯鄲市西南部峰峰礦區(qū)，是礦區(qū)北部新城規(guī)劃的北環(huán)路，也是礦區(qū)與周邊縣區(qū)連通的主要交通出入口，在峰峰礦區(qū)交通運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位。項(xiàng)目設(shè)蒼龍山隧道1座，左洞820 m，右洞815 m，隧道橫斷面組成為：13.75(0.75+0.5+3.75×2+3.0+2.00)m，建筑限界高度為5.3 m，隧道左側(cè)設(shè)檢修道，右側(cè)設(shè)人行道兼檢修道，隧道最大開挖斷面積達(dá)166 m2，開挖跨度17.5 m，屬大跨度隧道。

隧址區(qū)位于太行山向華北沖洪積平原過渡部位的山嶺重丘區(qū)地貌，大的地貌單元屬于太行山山前丘陵地帶，場區(qū)地形起伏較大，是由河流的侵蝕切割和沖積作用形成的階地，多沖溝，沖溝呈U型。蒼龍山隧道V級圍巖的地層：進(jìn)、出口段主要為灰?guī)r及坡洪積碎石土含粉質(zhì)黏土，巖體較破碎-破碎，巖質(zhì)較差，屬較堅硬巖，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生坍塌。尤其在出口段，受構(gòu)造影響，巖體呈碎裂狀，且覆蓋層較厚。

由于蒼龍山隧道開挖斷面跨度大，Ⅴ級淺埋段圍巖穩(wěn)定性差，因此隧道斷面設(shè)計為強(qiáng)支護(hù)。隧道采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，在拱部120°范圍內(nèi)布置，主要支護(hù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 隧道淺埋段支護(hù)參數(shù)(單位：cm)

2 三臺階臨時仰拱中柱工法

由于隧道開挖斷面跨度大，斷面形狀相對更加扁坦，在相同圍巖條件下，大跨度隧道與接近卵圓形的隧道其周邊襯砌受力及變形特征具有較大差異[9-10]，主要表現(xiàn)為大跨度隧道拱頂沉降遠(yuǎn)大于斷面水平收斂，從而對隧道圍巖的穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力都會產(chǎn)生不利影響[2，11-12]。而采用三臺階開挖時，由于上臺階開挖后圍巖應(yīng)力快速釋放，拱頂處圍巖壓力突增，拱頂豎向沉降位移也最大，諸多文獻(xiàn)[2，7，13-15]對此均有闡述，因此采取合理的施工方法，控制上臺階施工過程中的圍巖支護(hù)變形是有必要的。

三臺階臨時仰拱中柱工法是在三臺階臨時仰拱法基礎(chǔ)上，在上臺階中部增設(shè)豎向臨時工字鋼支墩的改進(jìn)工法。該工法既繼承了三臺階臨時仰拱法的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了其對拱頂豎向位移控制不足的缺限。

下文以蒼龍山隧道V級圍巖淺埋段三臺階臨時仰拱中柱工法為例，做詳細(xì)介紹。三臺階臨時仰拱中柱法工序如圖2～3所示。

圖2 三臺階臨時仰拱中柱工法施工工序橫斷面(單位：cm)

圖3 三臺階臨時仰拱中柱工法工序縱斷面(單位：m)

2.1 臨時支護(hù)參數(shù)

V級圍巖淺埋段，上臺階設(shè)臨時仰拱，采用I16工字鋼架、22 cm厚噴射混凝土，上臺階中部設(shè)I16工字鋼豎向臨時支墩，并與臨時仰拱工字鋼閉合；中臺階設(shè)臨時仰拱，采用I18工字鋼+24cm厚噴射混凝土。

2.2 施工工藝流程

2.2.1第1步上臺階開挖支護(hù)

1)開挖上臺階①部。首先進(jìn)行隧道超前支護(hù)，再進(jìn)行上臺階開挖，如已安裝豎向支撐，則將①部分成左右兩個作業(yè)面進(jìn)行開挖，可采用60型小型挖掘機(jī)開挖，局部開挖時人工配合，確保豎向臨時支撐不被碰撞而發(fā)生變形、位移。

2)施作上臺階①部周邊初期支護(hù)，即鋼架、鋼筋網(wǎng)片、鎖腳導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土。鋼架鎖腳錨桿設(shè)置于臺階鋼架拱腳處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿，按下傾角約25°打入，并用鋼筋將導(dǎo)管與鋼架牢固焊接，為保證拱腳基礎(chǔ)牢固，防止拱頂下沉量過大，在拱腳位置用槽鋼支墊。

3)上臺階①部底部架立臨時仰拱，即I16臨時鋼拱架，噴22 cm早強(qiáng)混凝土封閉，中部設(shè)I16工字鋼豎向臨時支墩與臨時仰拱工字鋼焊接，形成閉合環(huán)。

2.2.2第2步中臺階開挖支護(hù)

1)滯后上臺階①部10 m左右距離，拆除①部2～3榀臨時鋼架，人工配合機(jī)械開挖中臺階②部，開挖進(jìn)尺為2～3榀鋼拱架間距。

2)中臺階②部周邊初期支護(hù)。

3)中臺階②部底部設(shè)臨時仰拱，即I18臨時鋼拱架，噴24 cm早強(qiáng)混凝土封閉，形成臨時仰拱。

2.2.3第3步下臺階開挖支護(hù)

1)滯后中臺階②部10 m左右距離，拆除②部臨時鋼架，開挖下臺階③部和仰拱④部。

2)施作下臺階③部周邊初期支護(hù)。

3)施作仰拱④部，使初期支護(hù)并封閉成環(huán)。

3 三臺階臨時仰拱中柱工法支護(hù)效果分析

3.1 隧道模型建立及參數(shù)選取

采用Midas GTS NX有限元分析軟件建立隧道模型，并進(jìn)行施工過程模擬分析。模型水平向?yàn)閄軸，豎直向?yàn)閅軸。依據(jù)圣維南原理，對于隧道開挖后的應(yīng)力和應(yīng)變，僅在隧道周圍距洞室中心點(diǎn)3～5倍隧道開挖寬度的范圍內(nèi)存在影響，所以隧道有限元模型計算范圍在水平方向取大于3倍隧道跨度，豎直方向自拱底向下取 3倍隧道高度，向上取至地表(埋深20 m)。有限元模型的邊界除頂部為自由邊界外，其他側(cè)面與底面均為法向約束邊界。初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。

圍巖按均質(zhì)彈塑性材料考慮，采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性材料考慮。采用梁單元模擬初期支護(hù)及臨時仰拱支護(hù)；錨桿采用桁架單元模擬；圍巖及二次襯砌采用平面應(yīng)變單元；鋼拱架采用按等效作用考慮，將鋼架的彈性模量折算給噴射混凝土；小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)結(jié)構(gòu)在模擬計算中，其加固效果可視為在隧道圍巖中形成一定厚度的環(huán)狀加固圈，以提高圍巖參數(shù)近似模擬。模型材料物理力學(xué)參數(shù)值見表1。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)材料彈性模量/GPa泊松比容重/(kN·m-3)黏聚力/(kN ·m-2)內(nèi)摩擦角/(°)全風(fēng)化圍巖0.040.42172820強(qiáng)風(fēng)化圍巖0.080.38198035中風(fēng)化圍巖0.20.342215046小導(dǎo)管注漿加固區(qū)(100 cm厚)0.220.322.5--錨桿(? 25)2100.277初期支護(hù)(28 cm厚)260.2523.1--臨時仰拱(20 cm厚)25.70.2523二襯(60 cm厚)310.225

3.2 模擬施工步驟

在隧道埋深20.0 m，計算模型如圖4所示。

圖4 三臺階臨時仰拱中柱法網(wǎng)格

模擬施工步驟：① 步驟1為超前導(dǎo)管注漿支護(hù)；② 步驟2為上臺階開挖+上臺階初支+上臺階臨時仰拱+豎向支撐梁；③ 步驟3為中臺階開挖+中臺階初支+中臺階臨時仰拱+拆除上臺階臨時仰拱和豎向支撐梁；④ 步驟4為下臺階開挖+下臺階初支+拆除中臺階臨時仰拱；⑤ 步驟5為隧道二襯施作。

各施工步驟豎向位移模擬結(jié)果如圖5所示。

(a)步驟2豎向位移

(b)步驟3豎向位移

(c)步驟4豎向位移

(d)步驟5豎向位移圖5 施工步驟豎向位移模擬結(jié)果(單位：m)

3.3 變形分析

隧道分部開挖后，圍巖應(yīng)力逐步釋放，隧道橫斷面周邊變形直接反映了隧道的穩(wěn)定性，因而在研究隧道施工過程中的力學(xué)行為時，拱頂沉降及水平收斂曲線的變化規(guī)律為重要研究對象[2]。隧道施工過程中拱頂沉降、拱肩水平收斂和拱腰水平收斂變化曲線分布如圖6所示。

庭前會議的處理方式是決定庭前會議是否具有實(shí)質(zhì)意義的一項(xiàng)重要的因素。[1]刑訴法粗略地規(guī)定了庭前會議是“了解情況，聽取意見”，并沒有給予法官實(shí)質(zhì)調(diào)查的權(quán)力，所以法官很難對庭前會議中提出的問題作出處理。比如回避問題、非法證據(jù)排除問題，如果法官沒有實(shí)質(zhì)調(diào)查權(quán)的話是很難作出正確判斷的。法條規(guī)定的粗略使得人們對是否給予主持庭前會議的法官作出有關(guān)裁斷的權(quán)力產(chǎn)生了爭論。持否定觀點(diǎn)的人認(rèn)為這樣會使庭前會議變成庭審的預(yù)演，架空了庭審程序的作用。持贊成觀點(diǎn)的人則認(rèn)為只有這些程序性的和準(zhǔn)備性的問題得到提前的決斷才能使庭審程序真正的做到只裁判實(shí)質(zhì)性的法律問題和量刑問題。

圖6 拱頂沉降、拱肩水平收斂和拱腰水平收斂變化曲線

從圖6可以看出：隧道拱頂沉降顯著大于水平收斂，因而對于淺埋軟弱圍巖大跨隧道，隧道開挖后必須及時進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)以控制圍巖過度變形；拱頂沉降是施工過程現(xiàn)場變形監(jiān)測的重點(diǎn)。

3.4 支護(hù)受力分析

隧道施工中初期支護(hù)和臨時支護(hù)受力也為研究重點(diǎn)，圖7為上臺階初支和臨時支護(hù)軸力圖，圖8為中臺階初支和臨時支護(hù)軸力圖。從圖7可知：初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受壓，最大軸力為-1 173 kN，出現(xiàn)在拱腳處；上臺階臨時仰拱兩端受壓，中間受拉，最大軸力為456.2 kN，出現(xiàn)在1/3處；豎向支撐受壓，最大軸力為-2 064 kN?？梢娕_階拱腳處受力較大，而豎向支撐受力最大，對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起著顯著作用。從圖8可知：初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受壓，最大軸力為-2 132 kN，在拱腰處；上臺階臨時仰拱兩端受壓，中間受拉，最大軸力為-736 kN，出現(xiàn)在拱腳處。

圖7 上臺階初支和臨時支護(hù)軸力(單位：kN)

圖8 中臺階初支和臨時支護(hù)軸力(單位：kN)

計算還顯示：當(dāng)全部初期支護(hù)完成后，初期支護(hù)最大軸力為2 056 kN，出現(xiàn)在拱腰處；最大彎矩為240 kN·m，出現(xiàn)在拱腳處；當(dāng)二次襯砌支護(hù)完成后，二襯結(jié)構(gòu)水平和豎向綜合最大主應(yīng)力值Sxy出現(xiàn)在拱腰處，為9.37 kPa，豎向最大主應(yīng)力值Syy出現(xiàn)在拱腳處，為18.4 kPa。經(jīng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

3.5 監(jiān)控量測與對比分析

施工監(jiān)測必測項(xiàng)目包括洞內(nèi)外觀察、拱頂沉降、凈空收斂和地表沉降。拱頂沉降、凈空收斂布設(shè)在同一斷面。洞內(nèi)沿縱向約每10 m 布設(shè)1個監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)拱頂沉降觀測點(diǎn)1個，沿上、中臺階開挖線布設(shè)凈空收斂觀測線 2 條；洞頂?shù)乇沓两迭c(diǎn)與洞內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)處于同一橫斷面上，每個斷面布設(shè)7個監(jiān)測點(diǎn)，洞頂兩側(cè)間隔5.0 m 布設(shè) 1 個點(diǎn)，監(jiān)測范圍延伸至開挖影響范圍以外。

隧道拱頂沉降變化曲線如圖9所示?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示：拱頂沉降最大累計變形值為38.6mm，上、中臺階開挖線水平收斂最大累計變化值分別為4.7 mm和10.3 mm。以上表明拱頂沉降、水平收斂均處于穩(wěn)定狀態(tài)，初支及洞頂覆蓋層未出現(xiàn)開裂、塌陷等情況，說明所采用的施工技術(shù)措施合理可行，方案安全可靠。

圖9 隧道拱頂沉降變化曲線

此外，從圍巖變形曲線來看，實(shí)際變形量大于數(shù)值模擬變形量，這主要是由數(shù)值模擬參數(shù)取值、模擬施工步驟未考慮時間因素及其他施工因素等造成的，但其位移變化路徑基本相同，能夠反應(yīng)出圍巖-支護(hù)的變形，表現(xiàn)出“增長-緩慢增長-趨于穩(wěn)定”的變化規(guī)律。

隧道開挖初期，圍巖應(yīng)力突然釋放引起周邊圍巖應(yīng)力集中，使得圍巖變形近似線性增長，臨時仰拱和臨時豎向支撐使臺階封閉成環(huán)，較好地改善初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用性能，有效減小圍巖周邊變形，保證隧道施工安全；初期支護(hù)閉合成環(huán)后，隧道整體穩(wěn)定，圍巖變形緩慢增長；二臨施工完成后，圍巖應(yīng)力大部分釋放，在圍巖自承能力和復(fù)合式襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下，隧道圍巖變形量趨于穩(wěn)定。

4 施工方案對比分析

淺埋大跨度隧道多采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD 法、 CRD 法和三臺階臨時仰拱法等。文獻(xiàn)[2，4]已從圍巖變形、圍巖應(yīng)力、塑性狀態(tài)、工法優(yōu)缺點(diǎn)等方面對幾種工法進(jìn)行了詳細(xì)分析，本節(jié)僅以上節(jié)建立的隧道模型為基礎(chǔ)，對比分析三臺階臨時仰拱中柱法、三臺階臨時仰拱法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的支護(hù)效果，并對這3種開挖方法(見圖10)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析。

圖10 3種工法開挖示意

根據(jù)模擬結(jié)果，繪制拱頂點(diǎn)豎向位移曲線如圖11所示。從圖可知：①3種工法最終拱頂沉降值相當(dāng)，由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分塊開挖步驟多，圍巖應(yīng)力釋放次數(shù)多等因素，沉降值最??；②三臺階臨時仰拱法在開挖上臺階巖體后，拱頂沉降迅速增長，之后圍巖變形趨于減緩，表明圍巖變形集中在上臺階開挖階段，安全風(fēng)險也集中在該階段；③三臺階臨時仰拱中柱法在三臺階臨時仰拱法基礎(chǔ)上增設(shè)臨時豎向支撐，上臺階開挖后拱頂沉降值明顯減小，表明臨時豎向支撐對拱頂沉降約束效果顯著，提高了施工安全性，直到開挖完畢且初期支護(hù)封閉成環(huán)，圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖11 3種工法拱頂點(diǎn)豎向位移曲線

3種工法的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

表2 工況類型優(yōu)缺點(diǎn)對比工法三臺階臨時仰拱中柱法三臺階臨時仰拱法雙側(cè)壁導(dǎo)坑優(yōu)點(diǎn)適用于軟弱但有一定自穩(wěn)能力的圍巖;工序簡單,利于大型機(jī)械施工;變換工法時工序轉(zhuǎn)換快,施工速度快;初支閉合時間短;臨時豎向支撐可有效控制拱頂沉降,且施作簡單,可重復(fù)利用適用于軟弱但有一定自穩(wěn)能力的圍巖;工序簡單,利于大型機(jī)械施工;變換工法時工序轉(zhuǎn)換快,施工速度快;初支閉合時間短淺埋軟弱圍巖均可采用;每部開挖步步成環(huán),控制位移變形較好缺點(diǎn)圍巖很差時需采取一定輔助措施控制變形;臨時仰拱造成一定的材料浪費(fèi)上臺階開挖拱頂沉降控制不足,圍巖很差時需采取一定輔助措施控制變形;臨時仰拱造成一定的材料浪費(fèi)工序復(fù)雜;各部施工操作受空間限制,不利于大型機(jī)械同時作業(yè); 初支閉合時間長;變換工法時工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜;導(dǎo)坑臨時支護(hù)造成一定的材料浪費(fèi)

5 結(jié)論與建議

1)三臺階臨時仰拱中柱法是在三臺階臨時仰拱法基礎(chǔ)上再增設(shè)豎向支撐，既繼承了三臺階臨時仰拱法的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了其對拱頂沉降控制不足的缺限。臨時仰拱和臨時豎向支撐使臺階封閉成環(huán)，較好地改善了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用性能，有效減小了圍巖周邊變形。

2)淺埋圍巖大跨度隧道應(yīng)用三臺階臨時仰拱中柱法施工，對圍巖開挖擾動少，支護(hù)閉合時間短，施工速度快，既保證了隧道施工安全，又節(jié)約了施工成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。