大跨度軟弱圍巖高速公路隧道施工方法

摘要 為進(jìn)一步探究大跨度軟弱圍巖條件下高速公路的隧道施工方法，文章結(jié)合某地高速公路隧道工程實際案例，首先，在根據(jù)前期勘查資料進(jìn)行分析和論證后，確定采用上中下三臺階法進(jìn)行施工作業(yè)，并應(yīng)用有限元分析方法，確定了該施工模式的可行性；其次，基于上中下三臺階法施工模式，對其中的臺階開挖、錨噴支護(hù)和襯砌施工等三部分的流程要點進(jìn)行了詳細(xì)探討；最后，對施工效果進(jìn)行了評估。結(jié)果顯示，該施工模式能夠?qū)⑺淼莱两盗靠刂圃谳^低水平，符合實際施工要求，可為后續(xù)的類似工程提供經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞 大跨度；軟弱圍巖；公路工程；隧道施工

中圖分類號 U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0155-03

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，當(dāng)前部分地區(qū)的高速公路施工將不可避免地面臨大跨度軟弱圍巖地質(zhì)條件，而在該地質(zhì)條件下，風(fēng)險因素較多，容易造成影響施工安全的圍巖破壞和過大變形現(xiàn)象，包括但不限于頂板塌落、兩側(cè)擠入、底板隆起等。受此影響，傳統(tǒng)施工模式通常難以滿足實際需要，應(yīng)結(jié)合實際情況對施工方法進(jìn)行優(yōu)化，以保障施工質(zhì)量。

1 工程概況

某地高速公路施工項目包含隧道工程，隧道全長約為6 150 m。上下行線均為單心圓隧道，開挖半徑為6 m，襯砌厚度為65 cm。經(jīng)過前期勘查獲知，該隧道施工區(qū)域位于斷褶帶地質(zhì)單元內(nèi)，斷層發(fā)育程度較強，地層擠壓強烈，且存在大量的夾雜泥巖，導(dǎo)致該隧道屬于典型的大跨度軟弱圍巖隧道。對此，研究人員決定結(jié)合實際情況對該隧道施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 施工方案設(shè)計與驗證

2.1 施工方案設(shè)計

在施工方案設(shè)計階段，該工程將綜合考慮隧道所處的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，以及項目特有的大跨度斷面特征。為保障施工安全、提高作業(yè)效率，該文參照了國內(nèi)外在大跨度隧道建設(shè)領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗，初步確定采用分層次的上中下三臺階施工法進(jìn)行施工。該方案的主要流程如下：

（1）啟動拱部上臺階的挖掘工作，確保挖掘過程中的穩(wěn)定性和安全性。

（2）對拱部左側(cè)實施錨噴支護(hù)，增強結(jié)構(gòu)初期的穩(wěn)定性。

（3）開展中臺階的挖掘，保持作業(yè)面的穩(wěn)定。

（4）對拱腰兩側(cè)執(zhí)行錨噴支護(hù)，確保挖掘區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

（5）開展下臺階的挖掘，采取適當(dāng)措施以防止土體坍塌。

（6）對兩側(cè)邊墻實施錨噴支護(hù)，進(jìn)一步加強隧道的整體穩(wěn)定性。

（7）進(jìn)行二次襯砌的澆筑，確保長期的結(jié)構(gòu)安全和服務(wù)性能。

2.2 施工方案驗證

在制定施工方案的過程中，選定了一個以隧道圓心為中心、邊長為70 m的正方形區(qū)域作為計算域。為了進(jìn)行有限元分析，該文構(gòu)建了一個有限元網(wǎng)格模型，該模型由3 442個節(jié)點和3 700個四節(jié)點等參單元構(gòu)成，這樣的網(wǎng)格劃分能夠充分捕捉到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，并保證計算精度。

在荷載的施加上，綜合考慮了實際工程中的關(guān)鍵影響因素，包括巖石體自身的重量以及邊界上部巖體對結(jié)構(gòu)的壓力影響，這些荷載的模擬是基于地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，以確保模擬條件的逼真性和代表性。在問題假設(shè)方面采用了平面應(yīng)變的假設(shè)，最后選擇使用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則描述材料的行為，這是一個廣泛認(rèn)可的準(zhǔn)則，用于模擬巖土材料的非彈性行為，特別是在高壓力條件下，能夠提供較為準(zhǔn)確的材料響應(yīng)預(yù)測。模型的主要參數(shù)如表1所示：

首先，基于上述條件與參數(shù)，對三臺階法模式下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行綜合性分析后可知，在應(yīng)用三臺階法進(jìn)行施工過程中，開挖仍然造成較為明顯的巖體擾動。在開挖施工全部完成后，最大豎向應(yīng)力和拱頂最大拉應(yīng)力分別為5.76 MPa和0.318 MPa。雖然存在一定程度的應(yīng)力集中，但最大應(yīng)力值相對較低，在增加保護(hù)的情況下基本不會造成圍巖變形[1-2]。

其次，對該方案下不同施工階段的位移特征進(jìn)行分析，得到仿真分析結(jié)果后，對其進(jìn)行統(tǒng)計匯總，結(jié)果如圖1和圖2所示：

由圖1與圖2所展示的位移分布情況可知，在開挖作業(yè)完成后，隧道拱頂部分的豎向位移初始值達(dá)到了29.03 mm，隨后該位移值呈現(xiàn)逐步上升趨勢，直至達(dá)到最終的35.23 mm。此掘進(jìn)方法對隧道左右兩側(cè)產(chǎn)生的擾動效應(yīng)呈現(xiàn)出較為相似的特性。

隨著施工進(jìn)程的推進(jìn)，隧道左右兩側(cè)拱腰位置的位移量也逐步增加，由最初的27.26 mm增加至33.06 mm。這一變化反映了施工過程中對隧道側(cè)壁穩(wěn)定性的影響。此外，由于開挖活動引發(fā)的圍巖應(yīng)力回彈以及應(yīng)力重新分布的復(fù)雜過程，隧道拱腳部位的位移變化呈現(xiàn)先增大—后減小—再增大的波動模式。經(jīng)過一系列的變化后，拱腳位移量最終穩(wěn)定在19.07 mm。相對而言，基于該施工方案，其位移量相對較小，對于圍巖的擾動影響作用不顯著，因此可以認(rèn)為該次擬定的三臺階法進(jìn)行的施工作業(yè)方案在理論上是可行的。

3 主要施工內(nèi)容及要點

3.1 臺階開挖

由于該次施工作業(yè)中，隧道洞身及上覆地層均具有遇水易軟化、易崩解特性，圍巖整體力學(xué)性能較為軟弱，因此在實際開挖過程中，采用CRD法進(jìn)行開挖作業(yè)，每段臺階長度設(shè)置在8 m左右，具體的施工流程可分為以下兩個階段：

（1）在正式開挖時，首先使用小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)注漿，然后挖掘隧道的上部弧形區(qū)域。在此過程中，安裝上部支護(hù)鋼架，并在隧道上部巖層處進(jìn)行混凝土噴射。同時，使用CRD法專用的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行上方核心土層的挖掘，并安裝臨時支護(hù)的橫撐。

（2）繼續(xù)進(jìn)行中層和下層土方的開挖。其中，在中層和下層的開挖過程中，均應(yīng)在開挖0.4 m后迅速架設(shè)三榀型鋼格柵。架設(shè)完畢后打設(shè)鎖腳錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，噴射C25混凝土封閉格柵及掌子面，并且按設(shè)計要求在各個斷面處埋設(shè)測試元件。

3.2 錨噴支護(hù)

為確保錨桿支護(hù)方案符合實際需要，在該環(huán)節(jié)研究中，主要從以下幾個方面著手，對錨桿支護(hù)模式下的主要參數(shù)進(jìn)行選型設(shè)計：

一是確定錨桿支護(hù)參數(shù)。首先對隧道兩側(cè)及底板部位整體的破壞深度進(jìn)行計算，計算公式如下：

r1= h 2tan35° （1）

r2=r1+ hd tan35° （2）

式中，hd——隧道底板破壞深度最大值（m）；h——巷道高度（m）。代入上述已知條件后即可求得隧道施工區(qū)域的最大塑性區(qū)深度值r1，以及考慮底板破壞的兩側(cè)最大塑性區(qū)深度r2，而后由隧道圍巖松動平衡圈的實測，隧道區(qū)域松動平衡圈發(fā)育范圍普遍在2.5～3.5 m，經(jīng)過類比分析，求得r為3.5 m，作為側(cè)幫的最大深度。其次，對平衡拱高度進(jìn)行分析，結(jié)合平衡圈理論確定平衡拱高度為3.5 m，以考慮側(cè)幫最大深度的需要。最后，根據(jù)上述計算結(jié)果對錨桿長度和間排距進(jìn)行確定。

二是確定錨桿桿體直徑和錨孔直徑，由于已知錨固力為80 kN，且選用的鋼材具有380 MPa的抗拉強度，因此基于如式（3），對錨桿直徑進(jìn)行計算：

Φ=K√ / 4Q πσ （3）

式（3）中，Q——錨桿錨固力（kN），為80 kN；σ——鋼材抗拉強度（MPa），取值為380 MPa；K——富余系數(shù)，該次取8h5iSaZs1ResLD6OWXZH6YgJWBYbCMqtjAkbSVY2yU0=值為1.2。代入上述已知數(shù)據(jù)后即可求得錨桿直徑φ為22 mm。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)冗余設(shè)計的理念，確定錨孔直徑略大于錨桿直徑，為28 mm。

三是對頂板錨索進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在確定加強支護(hù)參數(shù)的過程中，應(yīng)綜合考慮多個關(guān)鍵因素，確保設(shè)計的安全性和合理性。以下是對相關(guān)參數(shù)的闡述：

（1）錨索材料的選擇至關(guān)重要，其性能直接關(guān)系支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該次選用的錨索材料具備230 kN的極限抗拉強度?；谪S富的工程經(jīng)驗，設(shè)計的錨固力為180 kN，即錨索極限強度的78%，以確保錨索在受力時有足夠的安全系數(shù)。

（2）錨索的密度是影響支護(hù)效果的重要參數(shù)。根據(jù)歷史項目經(jīng)驗得知，錨索密度通常取錨桿間距的2～3倍。考慮錨桿排距為600 mm，因此確定錨索的間距為1 600 mm。

（3）關(guān)于錨索直徑的選擇，決定采用17.8 mm的規(guī)格，并與錨桿孔徑保持一致，后者設(shè)計為28 mm。

（4）錨索的長度也是決定其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過工程類比分析，確定錨索的長度為6 000 mm，以滿足特定工程條件下的支護(hù)需求。

（5）預(yù)緊力的設(shè)計是為確保錨索在初始狀態(tài)下具有足夠的張力，以對抗?jié)撛诘墓ぷ髯枇?。按照工作阻力?0%設(shè)計錨索的預(yù)緊力，因此該數(shù)值定為70 kN，以確保錨索在服務(wù)期間能夠有效發(fā)揮作用。

在驗證錨桿參數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范后，初步構(gòu)建了支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。首先，依據(jù)梅花式布局原則對全部錨桿進(jìn)行科學(xué)布置。然后，在與坡面正交的施工立面上鉆設(shè)直徑為5 cm的錨孔。鉆孔作業(yè)完成后，利用M30等級的水泥砂漿對孔洞執(zhí)行首輪注漿作業(yè)，隨后將錨桿按序貫入。

錨桿安裝就位后，在施工立面上自下而上施加強度等級為C25的噴射混凝土。噴射操作應(yīng)從立面底部開始，逐步向上層推進(jìn)，噴頭遵循螺旋軌跡，以半圈覆蓋一圈的方式均勻緩慢移動。噴射方向應(yīng)垂直于作業(yè)面，特別在鋼筋區(qū)域，需先充填鋼筋后方的空隙，再填補前方，確保鋼筋背面無空鼓現(xiàn)象?；炷羾娚涔ぷ魍瓿珊?，采取噴霧養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行后續(xù)保養(yǎng)，以確保施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)的持久穩(wěn)定性[3-4]。

3.3 二次襯砌澆筑

在該次施工中，二次襯砌環(huán)節(jié)使用長度為12 m的整體襯砌臺車進(jìn)行施工作業(yè)，使用雙層鋼筋進(jìn)行襯砌施工作業(yè)，二次襯砌的厚度控制在55 cm，各層鋼筋的參數(shù)如表2所示：

為保證施工質(zhì)量，該次采用“趕漿法”，以分層澆筑模式進(jìn)行作業(yè)。每層澆筑厚度控制在30 cm，用“趕漿法”由澆筑區(qū)域一端向另一端做成階梯形向前推進(jìn)。同時，在澆筑過程中進(jìn)行振搗作業(yè)，采用插入式振動器振搗，組織施工人員手持刮板將混凝土刮平，澆筑完成12 h后進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

4 施工質(zhì)量評估

在上述施工環(huán)節(jié)全部完成后，為檢驗該次施工方案取得的質(zhì)量，通過監(jiān)測隧道圍巖沉降量變化的方式，對施工質(zhì)量進(jìn)行評估。對此，按照每50 m一個測點的方式進(jìn)行布置，每天使用精密水準(zhǔn)儀和水平尺進(jìn)行1次測量，并以各個測點得到的測量最大值作為沉降量監(jiān)測值，共計進(jìn)行11 d的測量，進(jìn)行匯總整理后的結(jié)果如圖3所示：

根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)變化趨勢可知，隧道最大沉降量約為33.56 mm，該值顯著低于控制目標(biāo)值50 mm。同時，在第8 d后，隧道沉降量已基本趨于穩(wěn)定，預(yù)計未來發(fā)生沉降量進(jìn)一步增加的概率較低。由此推斷，該次隧道施工安全，設(shè)計的施工方案也較為可行。

5 結(jié)束語

整體來看，在此次研究工作中，針對大跨度軟弱圍巖條件下的高速公路隧道施工實際要求，以上中下三臺階法作為主要施工模式，在確定該方案切實可行后，對該施工模式下的臺階開挖、錨噴支護(hù)和襯砌施工要點進(jìn)行了詳細(xì)探究，以安全完成施工作業(yè)。從實際施工質(zhì)量來看，該支護(hù)模式能夠?qū)⑺淼莱两盗靠刂圃谳^低水平，滿足實際質(zhì)量要求。

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