吳啟勇
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福州 350004)
茜陽(yáng)隧道位于福建省龍巖市上杭縣內(nèi),為高速公路分離式隧道,隧道開(kāi)工70多m后洞身出現(xiàn)嚴(yán)重的變形情況,總體來(lái)看茜陽(yáng)隧道出現(xiàn)的變形具有突然、變形速率高且難以控制、最終變形量大等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了隧道病害原因分析,提出了原有襯砌侵限處理施工工藝和注意事項(xiàng),總結(jié)了施工方案、監(jiān)控量測(cè)要求,闡述了施工安全措施,確保了施工質(zhì)量。文獻(xiàn)[2]介紹了內(nèi)昆鐵路龍洞灣隧道進(jìn)口裂縫病害原因,并對(duì)其跳槽方法處理措施進(jìn)行了分析和探討。文獻(xiàn)[3]敘述了病害產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的處理措施,并采用有限元程序和條分法對(duì)整個(gè)巖堆體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析檢算。文獻(xiàn)[4]主要介紹了產(chǎn)生病害的工程環(huán)境,分析了病害產(chǎn)生的原因及機(jī)制,介紹了病害處理的具體工程措施和具體施工方法,總結(jié)了淺埋、偏壓、破碎圍巖條件下隧道施工的綜合技術(shù)。文獻(xiàn)[5]主要闡述了隧道二次襯砌混凝土產(chǎn)生變形、開(kāi)裂的原因,提出病害處理原則和預(yù)防措施,并根據(jù)混凝土產(chǎn)生的各種變形、開(kāi)裂實(shí)際情況提出相應(yīng)的處理方案。文獻(xiàn)[6]主要從國(guó)內(nèi)施工現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題入手,分析了引起隧道大變形的原因,總結(jié)出控制隧道大變形方法。文獻(xiàn)[7]針對(duì)隧道病害情況,采用儀器對(duì)隧道病害進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)合隧道圍巖地質(zhì)條件,對(duì)出現(xiàn)原因進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析,提出了內(nèi)輪廓侵限處理方案。文獻(xiàn)[8]對(duì)隧道發(fā)生侵限的原因進(jìn)行了分析,提出了采用注漿加固、加強(qiáng)超前支護(hù)、處理時(shí)施作臨時(shí)內(nèi)襯、逐榀拆除侵限段初期支護(hù)等處理措施。目前在建或已建的隧道均存在襯砌侵限、裂縫問(wèn)題,也是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文以土質(zhì)淺埋偏壓茜陽(yáng)隧道為研究對(duì)象,借鑒以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)襯砌侵限、裂縫處理方案進(jìn)行優(yōu)化研究。
茜陽(yáng)隧道為分離式平行雙洞隧道,設(shè)計(jì)行車(chē)速度為100km/h,單洞建筑界限:凈高5m、凈寬10.75m (行車(chē)道寬2×3.75 m,左側(cè)路緣帶0.5 m,右側(cè)路緣帶0.75 m,左、右側(cè)檢修道各1.00 m)。全長(zhǎng)450 m,進(jìn)出口均采用端墻式洞門(mén)。隧道右洞進(jìn)口樁號(hào)為YK24+ 795、出口樁號(hào)YK25+245;隧道左洞進(jìn)口樁號(hào)為ZK24+ 774、出口樁號(hào)ZK25+231。兩洞軸線(xiàn)之間的線(xiàn)間距為33.15 m。
茜陽(yáng)隧道出口位于山脊上,右洞橫向地面線(xiàn)坡率為30°(即偏壓30°),如圖1所示。隧道區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌,地形起伏較大,山坡較陡,自然坡度35~50°,上覆坡殘積土(Qd1+r1)和強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖,厚度為30~50m,下伏基巖為震旦系樓子壩組變質(zhì)粉砂巖,其產(chǎn)狀為180°∠40°。隧道區(qū)上部地下水主要為風(fēng)化基巖中的裂隙-孔隙水,水量貧乏,受大氣降水的補(bǔ)給,主要對(duì)出洞口圍巖及施工有影響。
2010年3月20日成洞面樁號(hào)YK25+240~+ 238洞頂?shù)乇碛形⑿×芽p;2010年3月28日YK25+ 240~+228洞頂?shù)乇砹芽p稍明顯;2010年4月4日連降雨水,洞頂?shù)乇砹芽p明顯并延伸;2010年4月7日地表裂縫已延伸至掌子面。茜陽(yáng)隧道右洞出口至掌子面YK25+170初期支護(hù)均發(fā)生變形和裂縫,最大侵限約25.19 cm,詳見(jiàn)圖2,具體裂縫位置如圖3所示。根據(jù)相關(guān)資料:地表裂縫寬度為5~15cm,襯砌裂縫寬度約為0.2 mm,地表沉降約15 mm。
圖1 茜陽(yáng)隧道出口平縱面圖Fig.1 Plan and longitudinal profile of exit section of Xiyang tunnel
1)在坡積粉質(zhì)黏土圍巖基礎(chǔ)上采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖,同時(shí)上下臺(tái)階錯(cuò)臺(tái)30 m,洞口至掌子面從未施作二次襯砌;出口排水系統(tǒng)未完善。
2)出口偏壓段在未采取反壓回填措施情況下開(kāi)挖進(jìn)洞,同時(shí)在右洞YK25+193~+220右邊山坡坡體被開(kāi)挖10 m高當(dāng)作生活區(qū),擾動(dòng)了山體。
3)4月初連降大雨,地表水經(jīng)未鋪砌的截水溝滲入隧道圍巖,使圍巖軟化,降低了軟弱面的強(qiáng)度。
由于茜陽(yáng)隧道出口地質(zhì)較差,施工工期較緊,為保證施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,本文采用換拱法和明挖法2種方法進(jìn)行比較,選出最合理的處治方案。
4.1.1 邊坡加固
已施工的右洞開(kāi)挖為邊坡,其邊坡采用5階高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索格子梁+排水的設(shè)計(jì)方案,第1階、第3階和第4階邊坡坡率分別為1∶0.75,1∶1和1∶1.25,分別采用20,22,26,28和30 m不等長(zhǎng)度預(yù)應(yīng)力錨索加固;第2階邊坡坡率為1∶1,由于邊坡距隧道過(guò)近,無(wú)法采用預(yù)應(yīng)力錨索加固,采用錨桿鍍鋅網(wǎng)+小導(dǎo)管注漿加固植草防護(hù);第5階邊坡坡率為1∶1.25,采用液壓噴播植草(灌)。YK25+170左側(cè)橫斷面路基加固示意見(jiàn)圖4。錨索采用公稱(chēng)直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)6根,鋼絞線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不小于1 860 MPa,鉆孔直徑為150 mm,與水平夾角為20°;橫向間距為3.0 m,垂直間距為3.0 m,格子梁間植草。
圖4 YK25+170左側(cè)橫斷面路基加固示意圖Fig.4 Sketch of reinforcement of subgrade on the left side at YK25+170
4.1.2 仰坡加固
隧道仰坡采用6階高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索格子梁+排水的設(shè)計(jì)方案,第2階、第3階、第4階和第5階邊坡坡率分別為1∶0.5,1∶0.75,1∶1和1∶1,分別采用20,22,24,26,28,30 m不等長(zhǎng)度預(yù)應(yīng)力錨索加固;第1階邊坡坡率為1∶0.25,為成洞面,距隧道洞身過(guò)近,無(wú)法采用預(yù)應(yīng)力錨索加固,采用小導(dǎo)管注漿和洞門(mén)墻加固;第6階邊坡坡率為1∶1,采用液壓噴播植草(灌)。YK25+170仰坡基加固示意見(jiàn)圖5。錨索采用公稱(chēng)直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)6根,鋼絞線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不小于1 860 MPa,鉆孔直徑為150 mm,與水平夾角為20°;橫向間距為3.0 m,垂直間距為3.0 m,格子梁間植草。
圖5 YK25+170仰坡基加固示意圖Fig.5 Sketch of reinforcement of front slope at YK25+170
4.2.1 地表加固
對(duì)地表裂縫進(jìn)行灌注水泥漿密封,防止地表水流入裂縫;右洞YK25+240~+140右側(cè)回填反壓,減少隧道偏壓,防止山體裂縫擴(kuò)展,如圖6所示。
圖6 右洞山體反壓回填處理示意圖Fig.6 Artificial overburden of right tube
4.2.2 臨時(shí)加固處理
出口左洞ZK25+206~+226和右洞YK25+170~+ 240初期支護(hù)采用滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固,并在鋼支撐拱腳未打入鎖腳小導(dǎo)管處補(bǔ)設(shè)鎖腳小導(dǎo)管,防止隧道初期支護(hù)下沉,影響變形裂縫擴(kuò)展,如圖7所示。
圖7 滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固圖Fig.7 Temporary support by means of full house frame
4.2.3 初期支護(hù)變形處理
支護(hù)厚度由原來(lái)24 cm改為28 cm,二次襯砌厚度由原來(lái)45 cm改為55 cm;該段鋼支撐間距保持不變,鋼支撐由工18改為工20 b,徑向采用長(zhǎng)度為5 m,直徑為50 mm的小導(dǎo)管注漿加固,間距為100 cm×100 cm,梅花型布置。具體施工工序如下:
1)拆除右矮邊墻初期支護(hù)、二次襯砌以及矮邊墻基礎(chǔ);2)在右矮邊墻基礎(chǔ)處打入直徑108 mm鋼管樁并注漿;3)右矮邊墻基礎(chǔ)采用C25混凝土回填;4)待右矮邊墻墻基礎(chǔ)C25混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后,掛鋼筋網(wǎng)噴射4 cm C25混凝土并立型鋼支撐,再?lài)?0 cm厚C25混凝土;5)澆注右矮邊墻二次襯砌;6)拆除左矮邊墻初期支護(hù)、二次襯砌以及矮邊墻基礎(chǔ);7)在左矮邊墻基礎(chǔ)處打入直徑108 cm鋼管樁并注漿;8)左矮邊墻基礎(chǔ)采用C25混凝土回填;9)待左矮邊墻墻基礎(chǔ)C25混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后,掛鋼筋網(wǎng)噴射4cm厚C25混凝土并立型鋼支撐;再?lài)?0 cm厚C25混凝土;10)澆注左矮邊墻二次襯砌;11)拆除拱部初期支護(hù)并開(kāi)挖至設(shè)計(jì)線(xiàn);12)掛鋼筋網(wǎng)噴射4 cm厚C25混凝土并立型鋼支撐,再?lài)?0 cm厚C25混凝土;13)跳槽法施工逐榀換拱完成4榀后,再整體掛直徑12mm鋼筋網(wǎng),最后再?lài)? cm厚C25混凝土,完成1個(gè)循環(huán)后方能施作下個(gè)循環(huán);每換拱8~10 m,應(yīng)立即模筑二次襯砌,待二次襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后,方能施作下一個(gè)循環(huán)。換拱施工工序如圖8所示。
施工順序由洞口向掌子面方向采用跳槽法逐榀施工,施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),確保施工人員安全。
1)圍巖級(jí)別:Ⅴ級(jí)圍巖。
2)隧道埋深:淺埋。
3)計(jì)算軟件:同濟(jì)曙光。
4)計(jì)算模式:“地層-結(jié)構(gòu)”彈塑性模式,計(jì)算考慮以承受自身重力應(yīng)力場(chǎng)為主,考慮毛洞與初期支護(hù)各自承擔(dān)50%圍巖壓力。
圖8 換拱施工工序圖Fig.8 Procedure of arch replacing
5)計(jì)算邊界條件:在模型左、右邊界施加水平X方向約束,在底面施加垂直Y方向約束,頂部為自由面,橫向范圍的有效水平方向計(jì)算寬度為148 m,左右邊界距開(kāi)挖輪廓外邊緣均大于4倍的主洞開(kāi)挖寬度;上邊界為地表自由面,下邊界距主洞開(kāi)挖輪廓底邊緣40 m,大于3倍的主洞開(kāi)挖高度,消除邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響。
6)計(jì)算準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則。
初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1,根據(jù)截面換算原則,對(duì)計(jì)算截面的初期支護(hù)進(jìn)行截面換算,其換算后的支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。
洞室周?chē)团R時(shí)導(dǎo)洞周?chē)┐蝈^桿的區(qū)域采用提高圍巖參數(shù)的方法來(lái)模擬。參考文獻(xiàn)[9],在施加噴錨支護(hù)后將相應(yīng)圍巖的彈性模量、黏聚力c及摩擦角φ提高20%,泊松比降低20%。
表1 Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Design parameters of primary support of grade V surrounding rock
表2 換算后計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters for calculation
5.3.1 計(jì)算斷面選取
取茜陽(yáng)隧道右洞樁號(hào)YK25+180斷面為計(jì)算斷面,隧道左洞埋深最深為26 m,右洞埋深最深為3.8 m,如圖9所示。
圖9 計(jì)算斷面圖Fig.9 Calculation cross-section
5.3.2 計(jì)算結(jié)果分析
5.3.2.1 塑性
換拱后塑性圖見(jiàn)圖10,由圖10(a),(b)和(c)分析可知:右洞隧道左右矮邊墻開(kāi)挖并加固過(guò)程中洞室周?chē)鷩鷰r塑性區(qū)范圍幾乎沒(méi)有變化,故左右矮邊墻開(kāi)挖不影響圍巖穩(wěn)定。
由圖10(d)可得:右洞隧道拱部初期支護(hù)換拱過(guò)程中,右洞拱頂塑性區(qū)范圍變大,但徑向范圍塑性區(qū)均未超過(guò)設(shè)計(jì)的小導(dǎo)管和系統(tǒng)錨桿加固范圍;中間巖體塑性區(qū)未貫通,說(shuō)明換拱過(guò)程中圍巖擾動(dòng)范圍較小,滿(mǎn)足圍巖自穩(wěn)能力要求。
5.3.2.2 初期支護(hù)內(nèi)力和安全系數(shù)
在模擬計(jì)算過(guò)程中通過(guò)對(duì)左右洞初期支護(hù)的內(nèi)力和安全系數(shù)分析,判定隧道支護(hù)的安全和穩(wěn)定,具體的跟蹤點(diǎn)位置為拱頂、拱腰、仰拱等,如圖11和表3—6所示。
由表3和表5,圖11(a),(b),(c),(d)知:上下臺(tái)階開(kāi)挖、原初期支護(hù)安全系數(shù)均大于2.0,因此,原初期支護(hù)參數(shù)滿(mǎn)足隧道結(jié)構(gòu)受力安全要求。
由表4和圖11(g),(h)可得:右洞原支護(hù)換拱后,右洞新初期支護(hù)的內(nèi)力減少,其新的支護(hù)安全系數(shù)均高于原初期支護(hù)安全系數(shù),說(shuō)明換拱后對(duì)初期支護(hù)受力更有利。
圖10 換拱后塑性圖Fig.10 Plasticized zone after arch replacing
由表6和圖11(e),(f)可知:右洞原支護(hù)換拱后,左洞初期支護(hù)內(nèi)力有所增加,但增幅不大;左洞初期支護(hù)安全系數(shù)略有降低,但其安全系數(shù)均大于2,滿(mǎn)足隧道結(jié)構(gòu)受力安全要求。
圖11 左右洞初期支護(hù)內(nèi)力圖Fig.11 Internal forces of support of left tube and right tube
表3 原右洞支護(hù)內(nèi)力Table 3 Internal forces of support of right tube before arch replacing
表4 換拱后右洞支護(hù)內(nèi)力Table 4 Internal forces of support of right tube after arch replacing
表5 原左洞支護(hù)內(nèi)力Table 5 Internal forces of support of left tube before arch replacing
表6 換拱后左洞支護(hù)內(nèi)力Table 6 Internal forces of support of left tube after arch replacing
5.4.1 計(jì)算斷面選取
選取Ⅴ級(jí)圍巖斷面進(jìn)行計(jì)算分析,取茜陽(yáng)隧道右洞樁號(hào)YK25+180斷面為計(jì)算斷面,隧道左洞埋深最深為26 m,右洞埋深最深為3.8 m。計(jì)算模型見(jiàn)圖12。
5.4.2 開(kāi)挖順序
開(kāi)挖右洞上臺(tái)階—右洞上臺(tái)階支護(hù)—開(kāi)挖右洞下臺(tái)階—右洞下臺(tái)階支護(hù)—開(kāi)挖左洞上臺(tái)階—左洞上臺(tái)階支護(hù)—右洞隧道開(kāi)挖為路基—開(kāi)挖左洞下臺(tái)階—左洞下臺(tái)階支護(hù)。
圖12 計(jì)算模型Fig.12 Calculation model
5.4.3 結(jié)果分析
5.4.3.1 塑性
路基方案圍塑性屈服區(qū)見(jiàn)圖13。
當(dāng)右洞開(kāi)挖為路基后,左洞周邊圍巖塑性屈服區(qū)范圍迅速擴(kuò)大,第1階路基邊坡坡腳發(fā)生塑性屈服區(qū)與左洞隧道周邊圍巖塑性區(qū)貫通,左洞右側(cè)塑性屈服區(qū)與第2和第3階路基坡面貫通。
圖13 路基方案圍塑性屈服區(qū)圖Fig.13 Plasticized yield zone in case the right tube is replaced by subgrade
當(dāng)左洞下臺(tái)階開(kāi)挖并支護(hù)完畢,路基邊坡處、左洞拱腰處及兩側(cè)拱腳處塑性屈服區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,第1階路基基礎(chǔ)發(fā)生塑性屈服區(qū)深度擴(kuò)大為7 m,左洞左邊墻塑性區(qū)擴(kuò)展至10 m,故右洞隧道開(kāi)挖為路基對(duì)邊坡及左洞穩(wěn)定性極其不利。
5.4.3.2 初期支護(hù)內(nèi)力和安全系數(shù)
路基方案左洞支護(hù)內(nèi)力見(jiàn)表7和圖14,由圖14和表7知:已開(kāi)挖的右洞室變更為路基方案,左洞初期支護(hù)內(nèi)力劇增,原初期支護(hù)安全系數(shù)減少,拱腰和拱腳安全系數(shù)減少更為明顯,其值小于2,拱腳處安全系數(shù)小于1,不滿(mǎn)足隧道結(jié)構(gòu)受力安全要求,故路基方案不合理。
表7 路基方案左洞支護(hù)內(nèi)力Table 7 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade
在地表沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中,茜陽(yáng)隧道地表沉降最大累計(jì)變化量出現(xiàn)在YK25+235斷面B測(cè)點(diǎn),累計(jì)變化量為-271.2 mm,如圖15所示。2010年3月28日地表開(kāi)始迅速下沉,2010年4月10日經(jīng)過(guò)滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固處理后,地表下沉基本趨于穩(wěn)定。
在洞邊收斂及拱頂沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中,茜陽(yáng)隧道拱頂沉降及洞周收斂斷面最大日變化量出現(xiàn)在YK25+ 185斷面上2日H測(cè)線(xiàn),日變化量為-1.0 mm;拱頂沉降及洞周收斂的最大累計(jì)變化量出現(xiàn)在YK25+185斷面的H測(cè)線(xiàn),累計(jì)變化量為-202.2 mm,如圖16。2010年4月19日經(jīng)過(guò)滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固處理后,拱頂沉降及洞周收斂趨于穩(wěn)定。
在施工前制定切實(shí)可行的施工方案是必要的,工程針對(duì)地質(zhì)和地形條件,制定了換拱方案和路基方案,通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)病害處理進(jìn)行比較。得出換拱方案可行、安全、可靠。同時(shí)從施工工序上引入一些新方法、新工藝,為今后類(lèi)似的公路隧道病害處理提供參考。
圖14 路基方案左洞支護(hù)內(nèi)力圖Fig.14 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade
圖15 2010年YK25+235斷面地表下沉位移曲線(xiàn)圖Fig.15 Curves of ground surface settlement in 2010
圖16 2010年YK25+185斷面收斂位移曲線(xiàn)圖Fig.16 Curves of convergence in 2010
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