淺埋大跨徑雙連拱隧道的開挖與支護(hù)

 

　　關(guān)鍵詞：連拱隧道 三導(dǎo)洞法 優(yōu)化設(shè)計(jì) 開挖及支護(hù)方案 

 

　一、概述 

　　宛坪高速公路是上海至西安國家重點(diǎn)干線公路的重要組成部分，公路總長150.8km,批準(zhǔn)概算約72億元。宛坪高速公路全線設(shè)計(jì)有16座大跨徑、淺埋置的雙連拱隧道，總長度3249米，均為短隧道。設(shè)計(jì)指標(biāo)建筑限界寬度14.0 m，內(nèi)輪廓采用三心圓，建筑限界高度 5.0m,設(shè)計(jì)車速為100km/h。其中7座隧道圍巖巖性以風(fēng)化細(xì)砂巖為主，而另外9座隧道圍巖為變質(zhì)巖，巖性以風(fēng)化的二云石英巖為主。隧道大多為淺埋置(埋置厚度最淺的1m，最深的46m)、圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類（Ⅴ級和Ⅳ級）為主，強(qiáng)度低，地質(zhì)條件復(fù)雜。16座大跨徑、淺埋置、地質(zhì)條件差的連拱隧道同時(shí)出現(xiàn)在同一條高速公路上，在國內(nèi)、國際上都是首屈一指的，同時(shí)也成為宛坪高速重點(diǎn)控制工程。 

 

　　二、設(shè)計(jì)方案論證 

　　宛坪高速16座隧道隧址大都位于位于地形陡峻、脊谷相間的“雞爪”地帶，分離式路基很難滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對左右洞距的要求，不得不采用小凈距或連拱隧道方案。由于小間距隧道對中隔墻兩側(cè)巖體光面爆破技術(shù)要求極高，施工難度較大，且主洞的開挖及支護(hù)過程使中間巖柱受到多次擾動，巖體力學(xué)指標(biāo)大大降低，其自身穩(wěn)定性受到很大影響，需要進(jìn)行加固處理，特別是對于軟巖隧道，將會大幅增加投資。國內(nèi)對小間距隧道目前還沒有形成完整的、成熟的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范，對于隧道在不同跨徑下中間巖柱最小尺寸、形狀、支護(hù)參數(shù)、施工工藝、開挖方法及控制爆破等關(guān)鍵技術(shù)還缺乏系統(tǒng)的研究，小間距隧道的適用范圍還不夠明確。因而，綜合考慮以上因素，16座隧道全部選用連拱隧道方案。 

　　施工過程中圍巖應(yīng)力分布、襯砌受力變形狀況不明確，左右洞施工對中隔墻的影響難以把握，增加了隧道施工變形和穩(wěn)定控制的難度，稍有不慎，就會產(chǎn)生塌方。在設(shè)計(jì)過程中，針對連拱隧道斷面及地質(zhì)情況的特殊性，采用三維有限元數(shù)值分析方法動態(tài)模擬連拱隧道施工全過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)，了解連拱隧道的變形規(guī)律和工程特點(diǎn)，獲得不同施工時(shí)序隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變化特征，從而論證設(shè)計(jì)及施工方法的合理性和科學(xué)性。 

 

　　三、施工方案 

　　根據(jù)前期勘探及地質(zhì)調(diào)查資料表明，16座隧道全部處于Ⅴ級和Ⅳ級軟巖當(dāng)中，為確保不對圍巖進(jìn)行大的擾動和施工過程中不產(chǎn)生坍塌，設(shè)計(jì)提出臺階法及三導(dǎo)洞先墻后拱法兩種方案對比論證。 

　　采用臺階法開挖，即先行中導(dǎo)坑及中隔墻，其次主洞分上、中、下三個(gè)臺階依次開挖。這種開挖方法施工工序簡單，操作方便，但主洞開挖支護(hù)后，中隔墻即開始承重，其頂部、底部圍巖出現(xiàn)高應(yīng)力承壓區(qū)，特別是頂部角隅處圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，施工時(shí)掌子面穩(wěn)定性較差，周邊變形量較大，存在一定的隱患。 

　　采用三導(dǎo)洞先墻后拱法施工，施工要點(diǎn)：①對Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制三個(gè)導(dǎo)洞開挖作業(yè)之間的距離，中導(dǎo)洞先行，系隧道開挖的關(guān)鍵；再開挖地質(zhì)條件較差或受力不利一側(cè)的導(dǎo)洞a，a導(dǎo)洞滯后中導(dǎo)洞8～10米；然后再開挖另一側(cè)導(dǎo)洞b，b導(dǎo)洞滯后a導(dǎo)洞8～10米，導(dǎo)洞均采用正臺階法施工，臺階長度5～8米，開挖進(jìn)尺按兩榀鋼架間距進(jìn)行。②對Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制左、右主洞開挖作業(yè)面之間的距離，主洞開挖先進(jìn)行導(dǎo)洞a側(cè)主洞，導(dǎo)洞b側(cè)主洞滯后a側(cè)主洞8～10米，主洞開挖亦采用臺階法，Ⅱ類圍巖上臺階分部開挖留核心土，進(jìn)尺控制同導(dǎo)洞開挖，然后進(jìn)行初期支護(hù)施工，防排水施工。③控制正洞開挖作業(yè)面與二次襯砌作業(yè)面之間的距離，正洞隧道開挖作業(yè)面與襯砌作業(yè)面之間距離最小按15米考慮。④二次襯砌采用混凝土運(yùn)輸車、輸送泵和襯砌模板臺車的機(jī)械化配套施工方案，確�；炷�土質(zhì)量達(dá)到內(nèi)實(shí)外光。⑤Ⅱ、Ⅲ類圍巖在施工中要堅(jiān)持“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的原則。⑥施工過程加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時(shí)處理分析數(shù)據(jù)，調(diào)整支護(hù)參數(shù)。 

　　導(dǎo)洞超前掘進(jìn)，可起到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作用，保證施工的安全性和穩(wěn)定性，有效地降低地表沉陷，而且施工無須大型機(jī)械設(shè)備，操作性強(qiáng)，進(jìn)度穩(wěn)定，工期保障性強(qiáng)。宛坪高速公路16座隧道的施工實(shí)踐證明了三導(dǎo)洞法開挖的有效性、安全性。 

 

四、施工工況力學(xué)分析 

　　經(jīng)過對連拱隧道施工過程的受力變形及各部位穩(wěn)定性的分析，隧道圍巖應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)在各開挖面附近。在隧道邊墻和底板相交的轉(zhuǎn)角位置及中隔墻底部，最大主應(yīng)力集中比較明顯，且量值較大；在側(cè)導(dǎo)坑拱頂位置和全斷面底板部位有拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。但采取連拱隧道施工方法，在側(cè)導(dǎo)坑頂部的拉應(yīng)力并沒有涉及到隧道全斷面，所以側(cè)導(dǎo)坑的開挖不會對全斷面隧道頂部產(chǎn)生顯著的影響。在邊墻與底拱的轉(zhuǎn)角部位和中隔墻底部也有一定范圍的應(yīng)力集中，而核心土的開挖對圍巖應(yīng)力分布影響不大。左右邊墻處最大的水平收斂發(fā)生在主洞拱部開挖的時(shí)候，隨后收斂值逐步減小。 

　　初期支護(hù)對地應(yīng)力的瞬間釋放率比較敏感，開挖瞬間地應(yīng)力釋放越多，初期支護(hù)承受的荷載就越小。中隔墻在施工過程中對地應(yīng)力的瞬間釋放率敏感程度較小，其最終應(yīng)力隨應(yīng)力釋放率的增加而略有降低。由于集中應(yīng)力的存在，圍巖的壓應(yīng)力變化不明顯，拉應(yīng)力反而呈上升趨勢，但其最終應(yīng)力則呈下降趨勢，底部圍巖的隆起和拱頂圍巖的沉降都隨應(yīng)力釋放率的增加而增大�？紤]二次襯砌作用時(shí)，圍巖的底板隆起和拱頂沉降量減小，邊墻水平收斂增大，圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)，應(yīng)力值降低。 

 

 

五、支護(hù)措施 

　　隧道開挖形成新的空洞后，破壞了巖體原有的相對平衡狀態(tài)，使隧道周圍部分巖體應(yīng)力重新分布，引起圍巖的變形、破壞和坍塌。為了及時(shí)有效地控制圍巖變形，防止坍塌，必須采用工程措施進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)新奧法的設(shè)計(jì)原理，隧道采用噴、錨、網(wǎng)及鋼拱架對圍巖進(jìn)行支護(hù)，即盡可能保持圍巖的原始狀態(tài)，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力，把隧道圍巖和各種支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)共同作用的承載體系，控制圍巖變形的發(fā)展，避免巖體塌方、防止過大的松弛壓力出現(xiàn)。錨桿在初期支護(hù)中具有懸吊、組合梁、加固作用。噴混凝土具有充填裂隙加固圍巖、封閉圍巖表面防止風(fēng)化、與圍巖組成共同承載結(jié)構(gòu)的作用。在設(shè)計(jì)時(shí)利用類比經(jīng)驗(yàn)法，根據(jù)不同的圍巖類別分別采用錨噴支護(hù)方法或采用強(qiáng)預(yù)支護(hù)方法，穩(wěn)定掌子面、及時(shí)閉合和加固地層。在施工過程中，還應(yīng)通過全過程現(xiàn)場監(jiān)控量測，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)及進(jìn)行信息反饋設(shè)計(jì)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保施工質(zhì)量與安全。 

　　在Ⅱ類淺埋地段，由于隧道埋深淺，覆蓋層多為全－強(qiáng)風(fēng)化砂巖或者全—強(qiáng)風(fēng)化二云石英片巖，裂隙較發(fā)育，整體性較差，穩(wěn)定性較差，開挖不當(dāng)時(shí)極易坍塌，應(yīng)采用機(jī)械開挖法或人工和機(jī)械混合開挖法，不宜采用鉆爆開挖，更嚴(yán)禁放大炮。開挖前，采用小導(dǎo)管注漿對中導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞進(jìn)行預(yù)支護(hù)，對主洞拱部采用長管棚注漿超前支護(hù)，必要時(shí)還可采用地表注漿加固地層。導(dǎo)坑開挖后，及時(shí)將錨桿、格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)安裝到位并用噴射混凝土充填密實(shí)。必要時(shí)，還需在導(dǎo)坑中部加工字鋼橫撐。在Ⅲ類圍巖深埋段，在機(jī)械無法開挖的情況下，可采用弱爆破或預(yù)裂爆破的方法，在圍巖較為破碎的地段，適當(dāng)施作一定數(shù)量的超前注漿小導(dǎo)管或錨桿，以防止坍塌。如果導(dǎo)坑支護(hù)完成后，主洞采用全斷面開挖，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，施作二次襯砌，形成一個(gè)封閉的襯砌環(huán)，防止圍巖過分收斂。 

　　由于中隔墻受到頂部回填及巖體的限制，頂端水平位移較小，而中部較大，因此中隔墻受到偏載作用時(shí)，不僅產(chǎn)生整體偏轉(zhuǎn)，而且在偏轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生扭曲。施工中采取的防范措施是：中隔墻及側(cè)導(dǎo)坑施作完畢，在左（右）洞開挖之前，在中隔墻右（左）側(cè)設(shè)置千斤頂或工字鋼支撐，或者直接將中隔墻右（左）側(cè)空洞用干砌片石回填密實(shí)，以緩解中隔墻所受的偏壓。 

 

六、優(yōu)化設(shè)計(jì) 

　　1．在原設(shè)設(shè)計(jì)中要求中導(dǎo)洞先行，中隔墻緊隨中導(dǎo)洞施工，間距一般為8～10m。實(shí)際施工時(shí)，中導(dǎo)洞斷面本省就小，施工完中隔墻后，中隔墻兩邊只預(yù)留各1m左右，無論時(shí)機(jī)械的進(jìn)入、出渣、施工人員的進(jìn)出、中隔墻臺車的安裝，對施工都造成不便，甚至有些不能進(jìn)行施工。根據(jù)這個(gè)情況又邀請有關(guān)方面的專家進(jìn)行受力分析和計(jì)算，可以將小于200m隧道一側(cè)進(jìn)洞，待中導(dǎo)洞貫通以后馬上進(jìn)行中隔墻施工，200m ～400m 之間的要求從兩側(cè)進(jìn)洞，一側(cè)大概近一半的時(shí)候，由里向外施工中隔墻。這樣即方便施工，又不耽誤工期。 

　　2．將原設(shè)計(jì)一次性澆注的中隔墻，為了更好的消除防、排水的隱患，改為夾心式中隔墻以徹底解決中隔墻的防排水問題。 

 

七、施工中的幾點(diǎn)認(rèn)識與體會 

　　1．大跨徑連拱隧道施工技術(shù)要求高、難度大，其中中隔墻的受力及施工中荷載的轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜，稍有不慎，極易造成施工中隧道結(jié)構(gòu)開裂及塌方，并會給運(yùn)營帶來隱患，因此在施工中必須做到弱爆破，及時(shí)錨噴支護(hù)，監(jiān)控量測，及時(shí)反饋、及時(shí)調(diào)整。這是確保隧道質(zhì)量和安全的關(guān)鍵技術(shù)。 

　　2．三導(dǎo)洞開挖方式邊墻錨桿承受較大的拉應(yīng)力，一定要確保其施工質(zhì)量。 

　　3．中隔墻施工時(shí)底部必須清理干凈，頂部必須回填密實(shí)，否則對結(jié)構(gòu)受力不利。 

　　4．根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)，提供二次襯砌施工的合理時(shí)機(jī)，以保證施工的安全。 

　　5．隧道施工的現(xiàn)場監(jiān)控量測是確保工程質(zhì)量和安全的關(guān)鍵，也是指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)，量測結(jié)果對隧道襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)的確定和修正具有直接的指導(dǎo)意義，現(xiàn)場監(jiān)控量測應(yīng)貫穿于整個(gè)施工全過程,才有可能正確地進(jìn)行施工，保證施工的安全。 

　　6．及時(shí)施工明洞及洞門，消除進(jìn)出口仰坡坍塌的隱患。 

　　7．重視水處理，保證防水板不破損，排水管道暢通。 

 

　　參考文獻(xiàn) 

　　[1] 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院．河南省內(nèi)鄉(xiāng)至西坪（豫陜界）高速公路隧道施工設(shè)計(jì)圖．2004.5． 

　　[2] 中華人民共和國交通部．公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范．北京：人民交通出版社．2004． 

　　[3] 中華人民共和國交通部．公路隧道施工技術(shù)規(guī)范．北京：人民交通出版社．1994．