雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工大斷面黃土隧道圍巖變形規(guī)律
關(guān)鍵詞：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,大斷面,黃土隧道,圍巖變形
1 引言
我國在高速公路黃土隧道建設(shè)領(lǐng)域起步較晚，施工過程中大部分是借鑒鐵路隧道的施工經(jīng)驗成果，但是由于公路黃土隧道存在著跨徑大、斷面大、扁平率小等設(shè)計特點以外，還具有黃土圍巖強度低、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變、防排水設(shè)計要求等級高、開挖過程中變形大等施工難度，尤其是在開挖后受到變形控制等其他因素影響，施工難度很大[1-2]。目前國內(nèi)修建大斷面黃土隧道的理論水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程經(jīng)驗，設(shè)計和施工尚處于總結(jié)和積累經(jīng)驗階段，無相應(yīng)的設(shè)計、施工技術(shù)規(guī)范[3]。已有文獻在鐵路隧道方面取得了一些成果[4-7]，大多數(shù)文獻從施工方案論述角度入手，缺乏深入的剖析。本文以神府高速公路墩梁隧道為研究對象，對大斷面黃土公路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的圍巖變形，從開挖到穩(wěn)定進行全過程監(jiān)測，分析施工工序與圍巖變形規(guī)律的相互關(guān)系。
2工程背景
2.1 工程概況
墩梁隧道為分離式雙向六車道公路隧道，左線長1281.7m，右線長1380.2m，開挖跨度17.3m，開挖高度12m，扁平率0.69，開挖面積170m2，是目前開挖跨度最大的黃土隧道。隧道處于具有代表性質(zhì)的黃土梁峁溝壑區(qū)，部分段落存在偏壓、淺埋和濕陷性黃土地段(II—IV濕陷性);施工過程中穿越粉砂性黃土、馬蘭組風(fēng)成黃土和中更新統(tǒng)離石組風(fēng)成黃土，地形、地質(zhì)構(gòu)造情況具有極強的代表性;施工過程中圍巖含水量在不同段落變化較大，且隧道節(jié)理發(fā)育也存在較大變化。
2.2 施工方案
雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法在軟弱圍巖隧道中有較為廣泛的應(yīng)用[8-10]，其具備圍巖單次開挖半徑小，臨空面積小，初期支護施設(shè)迅速，能及時形成閉合內(nèi)環(huán)，圍巖變形便于控制等優(yōu)點;同時也存在工序多，臨時支撐建拆復(fù)雜，施工進度緩慢等缺點�？傮w上來說，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種偏安全的施工方法，在淺埋、偏壓等不利工況下，應(yīng)優(yōu)先采用。
施工方案將隧道斷面分為9個部分，如圖1所示。一側(cè)導(dǎo)坑先行，先行導(dǎo)坑上臺階開挖，每次開挖1～2榀(每榀長度0.75m)，并與中臺階拉開5m左右，開挖中臺階2～4榀，再開挖下臺階2～4榀，并與中臺階步距控制在5m左右距離;待先行側(cè)壁導(dǎo)坑掘進35m時開始后行側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，在開挖過程中仍然遵循上中下臺階施工距離，以防止由于距離太小發(fā)生坍塌后沉降過大。最后進行中導(dǎo)坑開挖，并滯后后行側(cè)壁導(dǎo)坑15m左右。最后拆除側(cè)壁臨時支撐并仰拱開挖，仰拱開挖長度約7m。在淺埋段利用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工月平均進尺30m~40m。
3監(jiān)測方案
由于導(dǎo)坑內(nèi)采用上中下臺階開挖，拱腳處下沉水準(zhǔn)尺很難進行觀測，且導(dǎo)坑開挖隧道凈空高度大，人工掛鋼尺比較困難，觀測時間長，與其他施工工序干擾大，掛鋼尺進行測量時間較長，影響工程進度和各工序之間緊密配合。鑒于以上原因，采用高精度全站儀和塑料反光膜片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反光棱鏡進行隧道變形量測，主要按照全站儀對邊測量程序進行，利用三維坐標(biāo)測量輔助判斷位移的方向，監(jiān)測間隔時間應(yīng)根據(jù)工況及變形穩(wěn)定程度隨時進行調(diào)整。圍巖壓力呈“馬鞍型”分布形狀[11]，因此需加強對圍巖中上部的測量監(jiān)測。監(jiān)測點布設(shè)方案如圖2所示。
4 圍巖變形規(guī)律分析
選取典型斷面RK27+096.8和RK27+089.6進行分析。兩斷面相差僅7.2m，均處于右線出口淺埋段，斷面的圍巖分層情況、隧洞上覆土厚度、施工進度均基本相同，由兩個斷面得出的共同結(jié)論具有較強的代表性和可信度。
4.1 側(cè)導(dǎo)坑沉降變形分析
由圖3和圖4綜合分析可以得出兩圖有以下共同規(guī)律：
(1) 雖然兩側(cè)導(dǎo)坑的開挖起始時間不同，但左導(dǎo)坑仰拱初支閉合后，沉降變形均明顯趨于穩(wěn)定，變形速率明顯減小。這說明左側(cè)導(dǎo)坑(即后行導(dǎo)坑)的仰拱初支閉合是控制變形的關(guān)鍵措施，因此應(yīng)及早進行仰拱初支閉合。
(2) 兩側(cè)導(dǎo)坑相應(yīng)的監(jiān)測點變化曲線幾乎平行，在導(dǎo)坑開挖后同一暴露時間下，其圍巖變形量是相同的。這說明在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖法下，關(guān)于中線軸對稱分布的點位其應(yīng)力變化路徑是相同的，導(dǎo)坑圍巖的變形規(guī)律和變形值大小與導(dǎo)坑開挖先后順序無關(guān)。但由于先行開挖導(dǎo)坑的暴露時間長，所以其最終累計的變形值大于后開挖的導(dǎo)坑。
(3) 在同一個導(dǎo)坑中，拱部和永久側(cè)平均下沉速率4mm/d，臨時支撐拱腰位置平均下沉速率6mm/d，臨時側(cè)沉降沉降量和沉降速率均明顯大于拱頂和永久側(cè)沉降，而拱頂和永久側(cè)沉降量幾乎相同，拱頂略大。這說明在開挖過程中圍巖釋放的壓應(yīng)力絕大部分轉(zhuǎn)移到臨時支撐上，因此臨時支撐應(yīng)選擇合適的型鋼，其強度必須滿足壓應(yīng)力的要求。
(4) 導(dǎo)坑中部、下部及仰拱開挖均會對拱頂及臨時支撐下沉造成影響，當(dāng)左右側(cè)導(dǎo)坑挖至同一斷面時，先行導(dǎo)坑拱部最大下沉量為30mm，臨時支撐最大沉降為42mm，在仰拱拱閉合后另一導(dǎo)坑施工中對先行導(dǎo)坑的沉降影響減小，根據(jù)步距和施工速率不同，先行導(dǎo)坑沉降速率約為0.6mm~1.3mm;在另一導(dǎo)坑地拱閉合或沉降趨于穩(wěn)定，此時導(dǎo)坑拱部和臨時支撐側(cè)累計沉降達43mm和78mm。
4.2 側(cè)導(dǎo)坑收斂變形分析
收斂值的計算方式為：臨時側(cè)水平位移值減去邊墻側(cè)水平位移值。在RK27+096.8斷面，右側(cè)導(dǎo)坑的監(jiān)測點由于施工破壞，于9月10號重新布置量測，前后監(jiān)測點位置有所偏差，所以在曲線初始階段出現(xiàn)上下波動形態(tài)。通過對其他斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析整理，收斂值的變化規(guī)律基本與圖6所示相同，即：兩側(cè)導(dǎo)坑的水平收斂呈現(xiàn)出與沉降相似的規(guī)律，兩側(cè)導(dǎo)坑的收斂曲線近似平行，在同一暴露時長下其變形值相同;左導(dǎo)仰拱閉合后水平收斂均趨于穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)下降趨勢;同一時刻，先行導(dǎo)坑的收斂值大于后行導(dǎo)坑。
在后行導(dǎo)坑仰拱閉合之后，中導(dǎo)坑開挖之前，開挖斷面內(nèi)存在臨時鋼架支撐、鋼筋網(wǎng)及噴錨混凝土初襯、側(cè)導(dǎo)坑仰拱等支護措施，加之中導(dǎo)坑未開挖的土體承擔(dān)了部分豎向壓應(yīng)力，同時可以抑制臨時鋼架支撐的側(cè)向變形，形成了較為完整的支護體系，因此在后行導(dǎo)坑仰拱閉合后，圍巖基本可以達到穩(wěn)定狀態(tài)。這種穩(wěn)定狀態(tài)越早形成，對控制圍巖變形越有利。為了進一步證明該設(shè)想的正確性，將RK27+089.6和RK27+096.8兩斷面的收斂值與兩側(cè)導(dǎo)坑在開挖至后行導(dǎo)坑初支仰拱閉合這段時間(下文簡稱暴露時間)里的相互關(guān)系整理如表1所示，可以看出，暴露時間與水平收斂值呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。
4.2 中導(dǎo)坑拱頂沉降變形分析
中導(dǎo)坑的開挖暫時打破了前文所說的穩(wěn)定狀態(tài)，削弱了臨時支護體系的作用，但是這種削弱效果是有限的。圖7和圖8顯示中導(dǎo)坑開挖后，拱頂沉降最大值在20mm左右，這表明在側(cè)導(dǎo)坑初支體系形成之后進行中導(dǎo)坑開挖可以很好地控制拱頂沉降。在進行中導(dǎo)坑開挖支護后，拱部平均下沉速率為5mm/d;中導(dǎo)坑仰拱開挖對拱頂沉降速率影響較大，開挖后最大下沉速率為8mm/d，在仰拱施工完畢后基本趨于穩(wěn)定。
5 結(jié)論
通過對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工墩梁特大斷面黃土隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，得出了較為有價值的結(jié)論如下：
(1) 后行導(dǎo)坑仰拱閉合是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的關(guān)鍵步序。后行導(dǎo)坑仰拱閉合之后，在開挖斷面內(nèi)形成較為完整的支護體系，側(cè)導(dǎo)坑的沉降和收斂值均趨于穩(wěn)定。
(2) 兩側(cè)導(dǎo)坑開挖過程中的應(yīng)力路徑遵循同一規(guī)律，在先行導(dǎo)坑仰拱閉合后，后行導(dǎo)坑對其的影響減小，由于先行導(dǎo)坑仰拱閉合較早，所以表現(xiàn)出兩側(cè)導(dǎo)坑應(yīng)力路徑的獨立性。
(3) 側(cè)導(dǎo)坑的臨時鋼架支撐承擔(dān)了大部分的圍巖釋放壓力。臨時鋼架支撐的變形遠(yuǎn)大于圍巖的變形。
(4) 側(cè)導(dǎo)坑水平收斂值與后行導(dǎo)坑仰拱閉合時間密切相關(guān)，兩者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。
(5) 中導(dǎo)坑上、中臺階的開挖對圍巖穩(wěn)定性影響不大，而中導(dǎo)坑仰拱部位開挖會加劇圍巖變形速率，在仰拱閉合后趨于穩(wěn)定。
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