小凈距隧道支護(hù)設(shè)計(jì)與施工控制技術(shù)

劉劍

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州 730030）

1 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)交通設(shè)施的不斷完善，公路工程的建設(shè)步伐也日益加快。在山區(qū)公路設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免公路盤山而行或深挖路塹，往往會(huì)采用隧道結(jié)構(gòu)來提高公路指標(biāo)、降低開挖工程量、節(jié)約建設(shè)用地等。目前公路設(shè)計(jì)常用隧道一般是獨(dú)立雙洞。獨(dú)立雙洞隧道要滿足規(guī)范的最小凈距要求，可能會(huì)導(dǎo)致展線不靈活、土地占有率大、高邊坡等問題。而連拱隧道往往存在造價(jià)較高、施工技術(shù)復(fù)雜、施工工期較長(zhǎng)等問題。基于此，為了提高選線自由度、減小高邊坡規(guī)模等，越來越多的山區(qū)公路隧道建設(shè)開始采用小凈距隧道。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了一些研究，如宋洋等【1】利用有限元軟件MIDAS/GTS建立淺埋偏壓小凈距隧道的計(jì)算模型，引用強(qiáng)度折減法計(jì)算出隧道的安全系數(shù)；衛(wèi)鵬華【2】以新城子隧道為依托，探討了軟巖地區(qū)小凈距隧道支護(hù)形式及仰拱、二次襯砌的施工順序。因此，為了提高我國(guó)隧道工程的整體建設(shè)水平，研究小凈距隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工控制技術(shù)具有十分重要的工程意義。

2 依托工程概況及小凈距劃分

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文依托項(xiàng)目為某山區(qū)高速公路，其全長(zhǎng)10.713km，設(shè)計(jì)荷載為公路-I 級(jí)，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。本項(xiàng)目席家梁隧道穿越粉質(zhì)黏土（Q4d）l、黃土（）、砂質(zhì)泥巖（N）、砂巖（N）巖性較軟弱，抗風(fēng)化能力較差，屬極軟巖，遇水易軟化、崩解，且隧道進(jìn)口YK5+475～YK5+600 段存在偏壓、埋深較淺、小凈距情況，主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 席家梁隧道工程主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 小凈距隧道劃分方法

由于不同級(jí)別的圍巖爆破時(shí)其松動(dòng)圈半徑各有不同，開挖后應(yīng)力重分布影響范圍也有差異，故如果僅以某一間距值來決定是否是小凈距隧道是不科學(xué)的，可能會(huì)導(dǎo)致小凈距隧道的設(shè)計(jì)中間巖墻的加固方案不合理【3】。隧道雙洞開挖期間，中夾巖墻處會(huì)出現(xiàn)位移、應(yīng)力等矢量疊加，則中間巖墻內(nèi)一定有位移是0 的中性面。因此，選擇隧道開挖后中性面上圍巖重分布應(yīng)力和單洞開挖后同一部位應(yīng)力的比值大小來判斷是否為小凈距隧道是可行的。

3 小凈距隧道二次襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算方法

目前，隧道二次襯砌計(jì)算方法主要有荷載結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法、收斂限制法等，筆者計(jì)算采用MIDAS/GTS 巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.1 條，對(duì)二襯采用“荷載－結(jié)構(gòu)”模型計(jì)算。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，二次襯砌采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，圍巖彈性抗力用壓曲面彈簧單元模擬。由于缺少現(xiàn)場(chǎng)圍巖彈性抗力系數(shù)及計(jì)算摩擦角等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本次計(jì)算參照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值。荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算圖示如圖1 所示。

圖1 “荷載- 結(jié)構(gòu)”法計(jì)算示意圖

3.1 隧道二次襯砌有限元模型建立

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》表9-1 規(guī)定，Ⅴ級(jí)圍巖，二襯分擔(dān)荷載比例60%～80%，席家梁隧道二襯按承擔(dān)70%的圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算。具體數(shù)值見表2。

表2 垂直圍巖壓力及水平圍巖壓力

計(jì)算模型中襯砌支護(hù)參數(shù)采用設(shè)計(jì)值，二襯采用50cm 厚C30 模筑鋼筋混凝土。按“荷載-結(jié)構(gòu)”法原理建立的有限元模型如圖2 所示。

圖2 二襯結(jié)構(gòu)有限元模型圖

按照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中第9.1.1條要求，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)按照破損階段法驗(yàn)算構(gòu)件截面強(qiáng)度?；炷两Y(jié)構(gòu)，應(yīng)按JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.11、9.2.12 條進(jìn)行抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度的驗(yàn)算；Ⅴ級(jí)圍巖段二次襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)按JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄N 分別進(jìn)行正截面抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。

3.2 二次襯砌計(jì)算結(jié)果

3.2.1 淺埋段二次襯砌計(jì)算

通過對(duì)淺埋段二次襯砌計(jì)算，得出最大軸力發(fā)生在邊墻墻角處，最大軸力約為767.877kN，拱頂處軸力相對(duì)較小，約為398.601kN，在隧道的拱頂和兩端邊墻腳位置彎矩較大，最大彎矩發(fā)生在墻腳處，約為207.293kN·m。

3.2.2 深埋段二次襯砌計(jì)算

通過對(duì)深埋段二次襯砌計(jì)算，得出最大軸力發(fā)生在邊墻墻角處，最大軸力約為924.484kN，拱頂處軸力相對(duì)較小，約為499.885kN，在隧道的兩端邊墻腳位置和仰拱處彎矩較大，最大彎矩發(fā)生在墻腳處，約為249.622kN·m。

席家梁隧道二次襯砌為C30 模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。每延米二襯受力主筋為4 根22mm，二襯受拉和受壓面均為對(duì)稱配筋，鋼筋保護(hù)層不小于5cm。

提取襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂、拱肩、最大跨度處、拱腳及仰拱中心的軸力和彎矩。各個(gè)典型截面的軸力和彎矩和強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表3、表4 所示。

表3 埋深10m襯砌承載力強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

表4 埋深50m襯砌承載力強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

從表3、表4 可以看出：襯砌結(jié)構(gòu)各處安全系數(shù)均滿足JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.4 條要求的2.0，襯砌結(jié)構(gòu)安全、可靠，并有一定的安全儲(chǔ)備。

4 小凈距隧道施工方案選擇

4.1 隧道開挖

該隧道開挖時(shí)，應(yīng)當(dāng)以中間巖墻的穩(wěn)定和加固作為施工重點(diǎn)環(huán)節(jié)。為了降低隧道開挖對(duì)中間巖墻的干擾，可以選擇先行洞、后行洞等方法來施工，應(yīng)先施工地質(zhì)條件相對(duì)較差或埋深較淺一側(cè)主洞，再施工另外一側(cè)主洞，先行洞二襯距后行洞掌子面應(yīng)大于30m。同時(shí)，當(dāng)開挖先行洞接近中間巖墻時(shí)，應(yīng)當(dāng)以機(jī)械開挖為主，必須盡可能地少使用或不使用爆破，并及時(shí)對(duì)掌子面進(jìn)行支護(hù)，這樣可以提高隧道的穩(wěn)定性。此外，該隧道的洞口段埋深較淺，地下水位不高，可以選擇施工技術(shù)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)較低的“環(huán)形開挖留核心土法”施工，保證初支及時(shí)落底封閉成環(huán)，以確保初期支護(hù)的承載能力【4，5】。

4.2 仰拱施工

該隧道仰拱應(yīng)當(dāng)盡早形成封閉受力環(huán)，其中，仰拱施工包括仰拱開挖、仰拱初支、仰拱二襯、仰拱填充4 部分。仰拱初期支護(hù)一次施作長(zhǎng)度一般為2～3 榀拱架長(zhǎng)度，地質(zhì)條件較差段一次施作長(zhǎng)度不大于2 榀拱架長(zhǎng)度；仰拱二襯一次澆筑長(zhǎng)度一般不大于6m，地質(zhì)條件較差段一次澆筑長(zhǎng)度不得大于4m，并與施工工序相結(jié)合，與二襯施工長(zhǎng)度相結(jié)合，并做到三縫統(tǒng)一。仰拱施工時(shí)應(yīng)在作業(yè)區(qū)段內(nèi)搭設(shè)鋼棧橋確保洞內(nèi)交通正常通行，以便其不受隧道洞內(nèi)出碴運(yùn)輸?shù)母蓴_，保證掌子面正常施工。

4.3 二次襯砌施工

由于二次襯砌按主要承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此二次襯砌應(yīng)緊跟初支封閉成環(huán)段施工，在初支落底后應(yīng)及時(shí)施作二次襯砌仰拱和仰拱填充層，然后全斷面施作拱墻二次襯砌。該小凈距隧道的二次襯砌施工應(yīng)當(dāng)遵循“新奧法”的原則，并分析圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，待圍巖和支護(hù)變形基本穩(wěn)定后再確定二襯施工時(shí)間。二次襯砌墻腳與仰拱接茬位置為受力薄弱點(diǎn)，該處施工時(shí)，應(yīng)對(duì)接頭位置鑿毛，并沖洗干凈，確保銜接可靠，防止造成后期開裂。

5 結(jié)語

本文基于某高速公路席家梁隧道小凈距YK5+475～YK5+600 段對(duì)隧道二次襯砌的設(shè)計(jì)計(jì)算和施工控制技術(shù)等展開了研究。主要得到以下幾方面的結(jié)論：

1）利用隧道開挖后中性面上圍巖重分布應(yīng)力和單洞開挖后同一部位應(yīng)力的比值大小來判斷是否為小凈距隧道是可行的；

2）計(jì)算采用“荷載-結(jié)構(gòu)”法，未考慮二次襯砌與初期支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

3）計(jì)算未考慮施工控制水平及其施工步序?qū)λ淼乐ёo(hù)結(jié)構(gòu)變形、受力的影響，但計(jì)算分析結(jié)果對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力仍具有指導(dǎo)意義。

4）小凈距隧道開挖時(shí)，應(yīng)當(dāng)以中間巖墻的穩(wěn)定和加固作為施工重點(diǎn)環(huán)節(jié)，并選擇先行洞、后行洞等方法來施工。隧道仰拱應(yīng)當(dāng)盡早形成封閉受力環(huán)，并內(nèi)搭設(shè)簡(jiǎn)易防干擾平臺(tái)。同時(shí)，隧道的二次襯砌施工應(yīng)當(dāng)在遵循“新奧法”原則的基礎(chǔ)上，利用圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)來確定二襯施工時(shí)間。