基于新意法理念的連拱隧道設(shè)計(jì)施工優(yōu)化

張國(guó)浩， 褚 存,3*， 郭佳嘉

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司， 武漢 430040； 2.中交二航局第四工程有限公司， 蕪湖 241000；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430040)

在公路隧道建設(shè)中，為了便于公路橋隧相連，保持路線線性流暢，在與高架橋相連的隧道往往采用連拱隧道的設(shè)計(jì)形式，連拱隧道具有位置選擇自由度大，地形適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其應(yīng)用于城市中時(shí)，洞口引線占地面積少，接線難度小，可大大減少拆遷，降低工程費(fèi)用。但連拱隧道在具有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還存在結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工工序較多，結(jié)構(gòu)體系受力轉(zhuǎn)換頻繁，施工難度較大，施工進(jìn)度較慢等缺點(diǎn)。

同時(shí)，因連拱隧道往往是布置于隧道洞口的短隧道，其圍巖等級(jí)大多為Ⅵ級(jí)或者Ⅴ級(jí)，屬于軟弱圍巖的隧道開(kāi)挖，因此選擇合適的施工工法來(lái)保障施工安全和效率尤為重要。對(duì)于軟弱圍巖隧道的施工，應(yīng)用巖土體變形控制法——新意法(ADECO-RS)，通過(guò)在多條軟弱圍巖隧道進(jìn)行實(shí)踐，取得了較好的效果，該工法被納入意大利隧道的設(shè)計(jì)施工規(guī)范。劉德安等[1]以巴東隧道穿越富水紫紅泥巖段為工程背景，基于新意法及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行了分級(jí)評(píng)價(jià)，并提出了超前帷幕注漿結(jié)合超前管棚的預(yù)加固措施。嵇曉曄等[2]分別采用新奧法和新意法完成了Ⅳ級(jí)圍巖下的公路隧道的開(kāi)挖，并通過(guò)三維有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)隧道的變形監(jiān)測(cè)比較了兩種施工方法的施工效果。劉濤等[3]依托青島地鐵一號(hào)線，結(jié)合新意法加固核心土的理念，針對(duì)環(huán)向水平旋噴樁超前支護(hù)和掌子面徑向注漿相結(jié)合的預(yù)加固方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)及分析，論證了預(yù)加固措施對(duì)變形控制的有效性。唐勇三等[4]基于新意法基本理論,以湄渝高速岐山隧道為依托，采用有限差分程序模擬了玻璃纖維錨桿超前預(yù)加固隧道核心土后的全斷面開(kāi)挖，通過(guò)對(duì)比預(yù)加固開(kāi)挖與傳統(tǒng)工法下擠出變形、收斂變形及超前核心土應(yīng)力分布情況對(duì)預(yù)加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證。前人在新意法的推廣應(yīng)用與研究上取得了一定成果[5-8]，但是對(duì)于掌子面加固后的最大開(kāi)挖進(jìn)尺、玻璃纖維筋的搭接長(zhǎng)度以及實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)價(jià)等方面的研究還相對(duì)缺乏。為此，依托南京仙新路過(guò)江通道項(xiàng)目，使用新意法對(duì)烏龍山連拱隧道中導(dǎo)洞的施工方案進(jìn)行了研究。

1 工程概況

南京仙新路過(guò)江通道工程是南京市新建的一條重要過(guò)江通道，其包括跨江主橋，引橋以及橋隧相連的烏龍山隧道等工程。其中烏龍山隧道長(zhǎng)247 m，為雙向六車(chē)道連拱淺埋短隧道，最大埋深僅30 m。烏龍山隧道圍巖主要為可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土，厚度5～30 m，隧道下伏基巖主要為強(qiáng)風(fēng)化角礫巖，圍巖基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。隧道采用三導(dǎo)洞法開(kāi)挖，中導(dǎo)洞先行施工，隧道中導(dǎo)洞開(kāi)挖斷面最大跨度為6.0 m，高7.0 m。因隧道位于南京市區(qū)，禁止采用鉆爆施工的方式，只能進(jìn)行機(jī)械開(kāi)挖，隧道中導(dǎo)洞斷面較小，原方案采用兩臺(tái)階的施工工法，每循環(huán)進(jìn)尺一榀鋼架0.6 m，但施工時(shí)需要布置的隧道通風(fēng)管道、逃生管道需要占據(jù)一定空間，施工機(jī)械以及工人的作業(yè)空間緊張，施工組織難度較大，施工效率低下，工期壓力大。因此需要對(duì)中導(dǎo)洞采用全斷面開(kāi)挖的施工方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)估，來(lái)達(dá)到隧道施工安全、高效、經(jīng)濟(jì)的目的。隧道中導(dǎo)洞原設(shè)計(jì)采用新奧法的理念，采用I16鋼拱架間距0.6 m，C25噴射混凝土厚22 cm，Φ22 mm的早強(qiáng)砂漿錨桿3 m(60 cm×100 cm，縱×環(huán))以及4 m長(zhǎng)的鎖腳錨管共同組成臨時(shí)支護(hù)，Φ89 mm的超前大管棚20 m，4.5 m長(zhǎng)的Φ42 mm超前小導(dǎo)管為輔助的預(yù)加固措施，來(lái)充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。但其設(shè)計(jì)過(guò)程中忽視了隧道超前核心土對(duì)隧道變形的控制作用，而巖土體變形控制法(新意法)強(qiáng)調(diào)通過(guò)對(duì)隧道掌子面的超前核心土進(jìn)行改良加固，來(lái)達(dá)到全斷面開(kāi)挖的目的，具有安全，高效，控制工期和費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)，因此本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目施工需求，通過(guò)FLAC3D軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

2 計(jì)算假定

2.1 三維地質(zhì)建模

淺埋隧道的地形變化對(duì)隧道模擬計(jì)算的結(jié)果影響較大，因此建立較為真實(shí)的隧道三維地質(zhì)模型是仿真計(jì)算的基礎(chǔ)。通過(guò)基于等高線的CFD 建模方法提取隧址區(qū)域的等高線數(shù)據(jù)[9]，導(dǎo)入Rhino軟件來(lái)建立真三維的地質(zhì)模型，建模的同時(shí)考慮隧道洞口設(shè)置的擋土墻以及模型分組，模型網(wǎng)格采用全四面體的網(wǎng)格模型，同時(shí)加密隧道附近的網(wǎng)格數(shù)量來(lái)保證計(jì)算精度，導(dǎo)入FLAC3D后生成的有限差分計(jì)算模型及分組如圖1所示。

圖1 三維有限差分計(jì)算模型Fig.1 Three-dimensional finite difference calculation model

2.2 初始地應(yīng)力場(chǎng)

為了模擬天然巖土體的固有沉降和初始地應(yīng)力，需要事先求解模型的初始地應(yīng)力場(chǎng)，模型初始地應(yīng)力場(chǎng)采用彈塑性求解，模型的底部和四周邊界固定，頂部自由，巖土體的計(jì)算本構(gòu)模型采用Mohr彈塑性本構(gòu)模型，擋土墻和導(dǎo)向墻采用線彈性模型，根據(jù)項(xiàng)目前期的地勘情況，相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值如表1所示，生成的初始地應(yīng)力場(chǎng)如圖2所示。模型初始地應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算完成后，對(duì)其塑性區(qū)、位移和速度歸零處理。

表1 巖土體的相關(guān)參數(shù)取值

圖2 最大主應(yīng)力分布云圖Fig.2 Maximum principal stress distribution nephogram

2.3 結(jié)構(gòu)單元模擬

計(jì)算過(guò)程中對(duì)于超前管棚、超前小導(dǎo)管以及玻璃纖維錨桿的模擬采用pile單元進(jìn)行模擬，pile單元同時(shí)提供了梁和錨桿的組合作用，可以模擬結(jié)構(gòu)物與巖土體之間同時(shí)產(chǎn)生的法向和軸向的力學(xué)作用[10]；初期支護(hù)采用shell單元進(jìn)行模擬，系統(tǒng)砂漿錨桿通過(guò)cable單元模擬，模擬的結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。

圖3 開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)情況Fig.3 Support during excavation

3 計(jì)算結(jié)果分析

首先進(jìn)行洞口區(qū)域超前管棚范圍內(nèi)的開(kāi)挖計(jì)算分析，研究全斷面開(kāi)挖時(shí)是否需要對(duì)掌子面進(jìn)行預(yù)加固。此區(qū)域開(kāi)挖按每循環(huán)進(jìn)尺兩榀鋼架即每次開(kāi)挖1.2 m進(jìn)行模擬，首先設(shè)置掌子面Φ25 mm的玻璃纖維筋長(zhǎng)度20 m，環(huán)向間距1 m梅花形布置，其次進(jìn)行隧道開(kāi)挖支護(hù)。

3.1 管棚范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果分析

在超前管棚范圍內(nèi)進(jìn)行隧道的全斷面開(kāi)挖模擬，首先分析隧道開(kāi)挖后頂拱的沉降量以及掌子面的擠出位移，對(duì)是否進(jìn)行掌子面預(yù)加固兩種工況進(jìn)行仿真計(jì)算，每循環(huán)開(kāi)挖后隧道的變形情況如圖4、圖5所示。

圖4 隧道頂拱沉降情況Fig.4 Settlement of roof arch of tunnel

圖5 掌子面擠出位移情況Fig.5 Extrusion displacement of palm surface

從計(jì)算結(jié)果可以看出，通過(guò)對(duì)掌子面進(jìn)行預(yù)加固，可以有效地控制頂拱沉降以及掌子面的擠出位移，尤其是在接近管棚末端區(qū)域，控制變形的效果更為明顯，從此段的沉降分布規(guī)律來(lái)看，洞口區(qū)域的沉降量最小，最大沉降量發(fā)生在洞口與掌子面的中間區(qū)域，且靠近掌子面方向。兩種工況的掌子面最大擠出位移均發(fā)生在靠近管棚末端的區(qū)域，未加固的掌子面最大擠出位移為38.5 mm，加固后的為13.8 mm，可見(jiàn)玻璃纖維錨桿對(duì)控制掌子面的擠出位移效果明顯。通過(guò)兩種工況的分析，雖然加固掌子面可以有效控制頂拱沉降與掌子面的擠出位移，但是兩種工況在管棚作用的16 m保護(hù)范圍之內(nèi)圍巖的變形均不大，均在安全控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。但在管棚末端時(shí)，未加固的情況下掌子面的擠出位移發(fā)生突變且上升趨勢(shì)明顯，因此，在洞口區(qū)域僅需在距超前管棚尾端4 m時(shí)開(kāi)始使用玻璃纖維錨桿進(jìn)行掌子面預(yù)加固既可。

3.2 管棚范圍外計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)3.1節(jié)的計(jì)算結(jié)果，在距超前管棚尾端4 m時(shí)使用長(zhǎng)度20 m的玻璃纖維筋進(jìn)行加固，搭接長(zhǎng)度為6 m，進(jìn)行管棚范圍外的隧道全斷面開(kāi)挖模擬計(jì)算，分別模擬了每循環(huán)進(jìn)尺兩榀鋼架1.2 m，每循環(huán)進(jìn)尺三榀鋼架1.8 m以及不預(yù)加固掌子面分別每循環(huán)進(jìn)尺兩榀鋼架、三榀鋼架四種工況，選取4種工況變形最大的區(qū)域進(jìn)行分析(里程樁號(hào)K6+040～K6+060)，其頂拱沉降以及開(kāi)挖過(guò)程中掌子面最大擠出位移如圖6、圖7所示。

圖6 4種工況下掌子面頂拱沉降Fig.6 Roof arch settlement of palm face under four working conditions

圖7 4種工況下掌子面最大擠出位移Fig.7 Maximum extrusion displacement of tunnel face under four working conditions

從圖6、圖7中可以看出，在不進(jìn)行掌子面預(yù)加固的情況下，每循環(huán)進(jìn)尺兩榀開(kāi)挖時(shí)，頂拱沉降最大為2.93 cm，掌子面最大擠出位移為5.78 cm；每循環(huán)進(jìn)尺三榀開(kāi)挖時(shí)，頂拱沉降最大為3.25 cm，掌子面最大擠出位移為6.25 cm。在進(jìn)行掌子面預(yù)加固的情況下，每循環(huán)進(jìn)尺兩榀開(kāi)挖時(shí)，頂拱沉降最大為1.78 cm，掌子面最大擠出位移為1.36 cm；每循環(huán)進(jìn)尺三榀開(kāi)挖時(shí)，頂拱沉降最大為1.95 cm，掌子面最大擠出位移為1.48 cm?？梢?jiàn)，使用玻璃纖維筋進(jìn)行掌子面預(yù)加固后，掌子面擠出位移普遍減少了約70%，頂拱沉降普遍減少了約40%，可以顯著控制掌子面的擠出變形以及減少頂拱沉降，提高掌子面的穩(wěn)定性，增加施工安全。

從對(duì)掌子面預(yù)加固后的兩種進(jìn)尺情況來(lái)看，和每循環(huán)進(jìn)尺兩榀相比，每循環(huán)進(jìn)尺3榀鋼架時(shí)，頂拱沉降以及掌子面擠出位移增加不大，均在安全范圍之內(nèi)，同時(shí)在選擇每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺3榀鋼架時(shí)，根據(jù)實(shí)際施工效率，開(kāi)挖出渣測(cè)量以及立架前準(zhǔn)備約4 h，立架、錨桿以及噴射混凝土施工共用時(shí)約4 h，每8 h可以完成一個(gè)循環(huán)，白夜班交替每天可以完成施工兩個(gè)循環(huán)，若開(kāi)挖超過(guò)3榀鋼架，則從開(kāi)挖到支護(hù)的時(shí)間變長(zhǎng)不利于圍巖穩(wěn)定，因此在管棚范圍之外使用玻璃纖維筋加固掌子面后可選擇每循環(huán)最大進(jìn)尺3榀鋼架進(jìn)行開(kāi)挖。

3.3 最優(yōu)搭接長(zhǎng)度確定

為了確定玻璃纖維筋的最優(yōu)搭接長(zhǎng)度，對(duì)掌子面內(nèi)不同殘留長(zhǎng)度的玻璃纖維筋進(jìn)行多工況的模擬。本次工作共模擬了殘留長(zhǎng)度范圍0.5～6 m，每次增加0.5 m共計(jì)12種工況，對(duì)應(yīng)的隧道頂拱沉降和掌子面擠出變形曲線如圖8所示?？梢钥闯觯谡谱用鎯?nèi)錨桿的殘余長(zhǎng)度為2.5 m時(shí)，掌子面的擠出變形和隧道的頂拱沉降均有了顯著降低，因此玻璃纖維錨桿的最優(yōu)搭接長(zhǎng)度可由變形曲線的拐點(diǎn)確定，即最優(yōu)搭接長(zhǎng)度為2.5 m。

圖8 不同工況下隧道的變形情況Fig.8 The deformation of the tunnel under different working conditions

形較小，掌子面穩(wěn)定情況良好未見(jiàn)明顯擠出變形，通過(guò)仿真優(yōu)化計(jì)算，達(dá)到了隧道施工過(guò)程安全、快速又經(jīng)濟(jì)的目的。

3.4 實(shí)際應(yīng)用效果

本工程實(shí)際施工中，在超前大管棚保護(hù)范圍之內(nèi)每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺兩榀鋼架(1.2 m)，在距離管棚末端4 m時(shí)，采用玻璃纖維筋進(jìn)行掌子面預(yù)加固，然后進(jìn)行每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺3榀鋼架(1.8 m)。整個(gè)施工過(guò)程中，圍巖穩(wěn)定情況良好未出現(xiàn)預(yù)警情況，根據(jù)中導(dǎo)洞施工完成后的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，頂拱最大累計(jì)沉降約1.72 cm，周邊收斂累計(jì)最大約1.21 cm，圍巖整體變形較小，掌子面穩(wěn)定情況良好未見(jiàn)明顯擠出變形，整個(gè)隧道施工過(guò)程既保證了安全又兼顧了效率。與原設(shè)計(jì)兩臺(tái)階開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺1榀鋼架的施工方案相比，其各項(xiàng)對(duì)比指標(biāo)如表2所示。

由表2可知，由兩臺(tái)階工法變更為新意法后，工期節(jié)約了87 d，中導(dǎo)洞施工每月的人員及設(shè)備等的費(fèi)用支出約60萬(wàn)元，平均一天2萬(wàn)元，因此變更后節(jié)約費(fèi)用共174萬(wàn)元。增加的費(fèi)用主要為玻璃纖維筋的材料及施工費(fèi)用，此部分費(fèi)用共約8萬(wàn)元，因此綜合起來(lái)共節(jié)約成本166萬(wàn)元，節(jié)約工期87 d。綜上可知，在設(shè)計(jì)變更采用新意法施工后，與傳統(tǒng)的兩臺(tái)階工法相比，工人和設(shè)備的施工作業(yè)空間得到了增加，更有利于施工過(guò)程的安全管控，同時(shí)在安全、工期和成本方面也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

表2 主要施工指標(biāo)對(duì)比分析

4 結(jié)論

依托烏龍山隧道通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，并結(jié)合實(shí)際施工情況，得出如下主要結(jié)論。

(1)對(duì)掌子面使用玻璃纖維筋進(jìn)行超前預(yù)加固能夠有效地控制掌子面的擠出位移以及隧道頂拱沉降，可以有效地控制掌子面的穩(wěn)定，提高隧道施工的安全系數(shù)。

(2)對(duì)于玻璃纖維筋的最優(yōu)搭接長(zhǎng)度，可以通過(guò)多種工況的數(shù)值模擬，由掌子面玻璃纖維筋不同搭接長(zhǎng)度時(shí)對(duì)應(yīng)變形曲線的拐點(diǎn)來(lái)進(jìn)行確定，達(dá)到既能保證安全又能兼顧經(jīng)濟(jì)的目的。

(3)傳統(tǒng)的連拱隧道中導(dǎo)洞的施工方式大多采用兩臺(tái)階的工法，而采用新意法對(duì)掌子面進(jìn)行預(yù)加固后可以進(jìn)行全斷面的快速施工，同時(shí)每循環(huán)的開(kāi)挖進(jìn)尺也可以達(dá)到1.8 m，其施工過(guò)程安全、快速又經(jīng)濟(jì)，有利于項(xiàng)目工期和費(fèi)用的控制。