小凈距隧道洞口段施工方法優(yōu)化分析

宿鐘鳴，薛曉輝

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030006)

小凈距隧道是一種新穎的結(jié)構(gòu)形式，相對于連拱隧道，其具有工程造價(jià)低、施工風(fēng)險(xiǎn)較低、防排水處理簡單等特點(diǎn)，在山區(qū)高速公路建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛［1－2］.隧道進(jìn)出口段一般采用超前大管棚預(yù)支護(hù)，由于地質(zhì)勘探的局限性，隧道開挖過程中不可避免地會遇到復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，實(shí)際暴露出來的圍巖狀況往往與設(shè)計(jì)的圍巖級別有較大出入.因此，原設(shè)計(jì)工法的合理性和經(jīng)濟(jì)性就值得思考和研究.筆者根據(jù)小凈距林屋隧道洞口段開挖時(shí)實(shí)際暴露出的圍巖等級和現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果，結(jié)合有限元數(shù)值分析對洞口段的原設(shè)計(jì)開挖方法進(jìn)行優(yōu)化，以期為超前大管棚支護(hù)下小凈距隧道洞口段開挖方法的變更提供指導(dǎo)和借鑒.

1 工程概況

林屋隧道是樂昌至廣州高速公路樟市至花東段清遠(yuǎn)北江大橋先行工程中的越嶺高速公路隧道［3］.該隧道采用雙洞單向三車道，為左、右幅分離的小凈距隧道，軸線間距為19.52 m，隧道單向行車面凈寬13.64 m，設(shè)計(jì)行車速度120 km/h. 左洞起訖里程ZK223+802.5—ZK224+678，右洞起訖里程YK223+800—YK224 +680，隧趾置于第四系殘坡積和全風(fēng)化花崗巖中，第四系殘坡積主要為砂質(zhì)黏性土，土質(zhì)較均勻，含少量砂粒，全風(fēng)化花崗巖呈砂土狀，主要為砂質(zhì)黏性土.

2 洞口段開挖監(jiān)測

2.1 原開挖支護(hù)方案

原洞口段(50 m)設(shè)計(jì)圍巖級別為V 級，在超前大管棚預(yù)支護(hù)下隧道開挖方案(CRD 法)如圖1所示，初期支護(hù)方案見表1.

圖1 洞口V 級圍巖段開挖方案

圖1中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ代表洞口段原設(shè)計(jì)開挖方案的施工步序.其中，Ⅰ表示左側(cè)導(dǎo)坑上部開挖及初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù);Ⅱ表示右側(cè)導(dǎo)坑上部開挖及初期支護(hù);Ⅲ表示中槽開挖;Ⅳ表示左側(cè)側(cè)墻開挖;Ⅴ表示右側(cè)側(cè)墻開挖;Ⅵ表示下部仰拱開挖.

表1 原洞口V 級圍巖段初期支護(hù)參數(shù)

2.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測

在上導(dǎo)坑鉆爆法施工時(shí)，按光面爆破的設(shè)計(jì)要求，合理地選用爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了光面爆破的效果.爆破作業(yè)時(shí)在鄰近洞上導(dǎo)坑靠近中隔壁側(cè)布置能完全涵蓋爆破振動(dòng)所需全部量程的TC－4850 爆破測振儀(量程0.001 ～35.400 cm/s)，測試結(jié)果顯示爆破振速的最大值為5.042 6 cm/s，其值符合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)的要求.

隨著開挖不斷進(jìn)行，距洞口8 m 處暴露出的圍巖即為未風(fēng)化花崗巖，雖稍有裂隙，但完整性較好，與設(shè)計(jì)文件顯示的洞口段25 m 范圍內(nèi)的圍巖均為全風(fēng)化花崗巖出入很大. 導(dǎo)坑開挖時(shí)爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波衰減較慢，振動(dòng)對中隔壁的影響較大，致使中隔壁臨時(shí)支護(hù)鋼支撐上的噴射混凝土大面積剝落，降低了臨時(shí)支護(hù)的效果. 需在導(dǎo)坑每循環(huán)爆破開挖后對中隔壁進(jìn)行復(fù)噴，不僅造成了材料的浪費(fèi)，而且導(dǎo)致了施工進(jìn)度非常緩慢.

2.3 拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測

采用原設(shè)計(jì)開挖方案施工時(shí)，在ZK224 +660斷面左導(dǎo)坑中隔壁與拱頂連接部位分別布設(shè)了沉降觀測點(diǎn)，同時(shí)在導(dǎo)坑底部布設(shè)了水平收斂監(jiān)測點(diǎn)，并按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)要求對其進(jìn)行日常監(jiān)測.監(jiān)測結(jié)果表明，在導(dǎo)坑循環(huán)爆破開挖中，監(jiān)測斷面的拱頂沉降速率和水平收斂速率波動(dòng)較大，拱頂沉降穩(wěn)定后的累計(jì)值僅為3.68 mm，而水平收斂穩(wěn)定后的累計(jì)值為1.35 mm. 監(jiān)測過程中未發(fā)現(xiàn)因圍巖變形過大而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象.

因此，結(jié)合爆破振動(dòng)、拱頂沉降和水平收斂的監(jiān)測結(jié)果，在超前大管棚的預(yù)支護(hù)作用下，洞口50 m范圍內(nèi)的原設(shè)計(jì)開挖方案(CRD 法)存在一定的優(yōu)化空間，筆者就此提出臺階法施工方案.

3 臺階法施工數(shù)值模擬

為模擬超前大管棚預(yù)支護(hù)作用下，洞口段臺階法開挖方案的合理性，采用有限元軟件ANSYS 對其進(jìn)行數(shù)值模擬.初期支護(hù)參數(shù)仍采用原設(shè)計(jì)參數(shù)，不考慮鋼筋網(wǎng)片及縱向連接筋的作用，以鋼拱架左、右側(cè)各一半的拱架間距為研究對象，其橫截面示意圖如圖2所示.研究對象的等效彈性模量及密度分別按式(1)和式(2)求得，計(jì)算結(jié)果見表2.

式中:Eg，Ec分別為工字鋼和噴射混凝土的彈性模量，GPa;Sg，Sc分別為工字鋼和噴射混凝土的橫截面面積，m2;ρg，ρc分別為工字鋼和噴射混凝土的密度，kg/m3;Sg+c為研究對象的橫截面面積，m2.

圖2 研究對象的橫截面示意圖

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

圍巖采用Plane42 單元模擬，設(shè)置為平面應(yīng)變模式，按照經(jīng)典Drucker-Prager 準(zhǔn)則計(jì)算，噴射混凝土采用Beam3 單元模擬. 模型邊界條件:上部為自由邊界，側(cè)面與底面均為法向約束邊界.上臺階開挖高度6 m，其余為下臺階開挖. 根據(jù)圣維南原理，建立的有限元分析模型如圖3所示. 埋深較淺側(cè)為先行洞，埋深較深側(cè)為后行洞.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩及軸力分布情況分別如圖4和圖5所示.

數(shù)值分析結(jié)果表明，后行洞開挖支護(hù)完畢后，先行洞拱頂沉降值僅為1.25 mm，左側(cè)起拱線位置處向凈空方向的收斂值為0.42 mm，右側(cè)起拱線位置處背向凈空方向的收斂值為0.13 mm;后行洞拱頂沉降值稍大，為1.83 mm，左側(cè)起拱線位置處向凈空方向的收斂值為0.21 mm，右側(cè)起拱線位置處向凈空方向的收斂值為0.41 mm;先、后行洞的拱頂沉降值及收斂值均處在可控范圍之內(nèi).

由圖4—5 可知，先、后行洞初期支護(hù)所受的彎矩均較小，軸力最大值為112.814 kN，折算壓應(yīng)力為0.752 MPa.先、后行洞仰拱位置及后行洞拱頂位置附近初期支護(hù)結(jié)構(gòu)呈受拉狀態(tài)，最大拉力33.203 kN，折算拉應(yīng)力0.221 MPa.

圖3 有限元分析模型

圖4 初期支護(hù)彎矩分布圖(單位:N·m)

圖5 初期支護(hù)軸力分布圖(單位:N)

由此可知，在超前大管棚預(yù)支護(hù)作用下，此隧道洞口段采用臺階法開挖方案可行. 按臺階法開挖方案施工，現(xiàn)場監(jiān)測表明，每循環(huán)作業(yè)時(shí)爆破振動(dòng)的最大速度仍滿足《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2011)的要求，監(jiān)測斷面的拱頂沉降和水平收斂值較原設(shè)計(jì)方案(CRD 法)變化不大，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)圍巖坍塌和支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象.

4 結(jié) 語

1)開挖暴露出的圍巖狀況有時(shí)會與設(shè)計(jì)圍巖級別相差較大，施工時(shí)應(yīng)以實(shí)際圍巖級別為準(zhǔn)，及時(shí)調(diào)整開挖方案和支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù).

2)在超前大管棚預(yù)支護(hù)作用下，將洞口段隧道原設(shè)計(jì)CRD 方法變更為臺階法的施工方案可行.采用變更后的臺階法施工，最大限度地降低了爆破振動(dòng)對圍巖的擾動(dòng)，減少了臨時(shí)支護(hù)，降低了工程造價(jià)，加快了施工進(jìn)度.

［1］張興來，鐘云健.小凈距并行隧道圍巖穩(wěn)定的分析方法及應(yīng)用［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22(1):5－8，27.

［2］潘雪峰.小凈距隧道設(shè)計(jì)與施工淺談［J］.山西交通科技，2007(6):64－66.

［3］中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司. 樂昌至廣州高速公路樟市至花東第A3 設(shè)計(jì)合同段—兩階段施工圖設(shè)計(jì)［R］.西安:中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，2009.

［4］劉國華，王振宇.爆破荷載作用下隧道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與抗爆分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2004，38(2):204－209.

［5］靳曉光，劉偉，鄭學(xué)貴，等.小凈距偏壓公路隧道開挖順序優(yōu)化［J］.公路交通科技，2005，22(8):61－64.