严重偏压地形下隧道半明半暗进洞技术探讨

王雪霁,尹冬梅

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,西安710075;2.河北科技大学建筑工程学院,石家庄 050043)

0 引言

随着社会经济的飞速发展,交通基础设施投入不断加大,特别是高速公路进入山区后,隧道工程大量修建,然而山岭高速公路路线走廊资源稀缺,路线往往沿河流、沟谷两岸展线,布设隧道时经常导致洞口处隧道半边埋深过浅甚至露空,半边隧道埋深较大,隧道洞口地形偏压严重。

目前实际工程设计中尽管比较重视洞口高边仰坡的稳定性及防护结构[1-3],但由于路基和隧道各自专业知识的局限性,采用传统进洞方案势必导致路基靠山内侧刷方量巨大、洞口外路基边坡较高且段落较长、巨量卸载条件下隧道强行进洞后续病害频发[4-6],从而造成该类隧道洞口在环境保护[7-9]、诱发工程病害和工程投资控制等方面难度较大。为了更有效地进行工程建设,有必要综合考虑路基边坡工程和隧道工程的相互影响,对严重偏压地形下隧道半明半暗进洞方案进行研究。

以某高速公路隧道地形严重偏压的洞口进洞工程为例,结合数值分析方法,对隧道半明半暗进洞方案进行研究,以期为类似工程提供一定的参考。

1 工程概况

某隧道右洞起讫里程为YK20+000～YK22+315,全长2 315m。采用单洞两车道的高速公路标准设计,设计速度为80km/h,开挖跨度为12.82m,高度为10.32m,采用新奥法设计施工。隧道沿沟谷穿越垭口,隧道东侧为一沟谷,出口段位于R=1 800m的曲线上,纵坡为单向坡-2.5%。

隧道右洞出口横断面方向地表自然坡度为44°,地质情况较差,为V级围岩。其岩性主要为强风化砂岩,属破碎软岩,粉细粒结构,薄层状构造,vp=2 220～3 120m/s,Kv=0.36,[BQ]=187.41,岩体破碎、完整性差,呈角碎状松散结构。拱部进入第四系残坡积层,[σo]=180kPa,雨季开挖时会有涌流状出水现象,洞室开挖时,岩体无自稳能力,洞顶易坍塌,无支护时可能产生大的坍塌,侧壁易失稳[10]。

2 隧道洞口进洞方案设计

2.1 隧道传统进洞方案分析

按照常规隧道进洞施工方法,隧道洞周需保留一定的覆盖层方能达到进洞条件,因此隧道进洞面至少需要开挖至YK22+292里程处才能满足要求,该位置隧道横断面如图1所示。隧道洞口临时边坡高达约48m。由于洞口第四系覆盖土层较厚,下伏岩体破碎,工程中常用的锚喷临时防护措施已不适用于该高边坡;而且边坡切削偏压山体的坡脚,形成较大较陡的临空面,加之洞内爆破开挖震动和自然降水等不利因素影响,洞口边坡极易垮塌;因此,该高边坡防护数量和难度巨大,一旦失稳,将造成堵塞隧道洞口、威胁隧道内进出人员和器械、追加工程投资、影响工程进度和社会影响恶劣等后果,工程施工风险增大。

YK22+292处边坡坡口到路中线平距36m,按设计要求,在坡口外5m距离需设置截水沟,因此该处作为隧道进洞口不仅增大了公路永久用地范围,也导致隧道天沟开挖、上料等施工难度增加。

由于隧道洞口施工和边坡防护施工相互干扰,采用喷射混凝土对坡面进行封闭后,尽快进行隧道施工。随着人们环境保护、水土保持、保护原生态、路容美观等意识的增强,和树立人与自然和谐等公路设计新理念的推广,已不提倡大开大挖和大面积灰色防护,且公路投入营运后也极易受到坍方、落石等自然灾害的威胁。

图1 YK22+292处隧道横断面(单位:m)Fig.1 Cross-section of tunnel at YK22+292(m)

2.2 半明半暗进洞方案设计

偏压地形下若降低靠山内侧的路基边坡高度,隧道靠山体外侧通常会呈“露天”状态,为了解决这一矛盾,可以通过人工补做护拱的方式使隧道成洞。根据该隧道洞口实际地形地质情况,综合考虑地表覆盖层厚度和边坡高度,以护拱拱脚落到相对坚实的坡体上和洞顶刷坡高度不高于5 m为宜,设计YK22+310～+292段采用半明半暗方案施工,施工示意图见图2。

图2 半明半暗施工示意图Fig.2 Sketch of construction of half-buried tunnel

施工步骤:

1)首先进行少量边坡开挖,并逆作边坡防护,边开挖边防护。开挖时尽量采用机械配合人工开挖,遇孤石或大块岩体时,采用局部微震爆破。边坡则采用喷、锚、网防护,其中喷射混凝土厚10cm。当护拱长度较短,护拱脚位于隧道中线靠山外侧时,如图2(c)所示,锚杆防护尤显重要,施工中适当加长锚杆长度,采用4.5m长锚杆,100 cm×100cm梅花形布置,并将锚杆防护范围向坡口外侧山体原地表适当扩大。

喷锚网防护的主要部位是隧道洞周外的边坡部分,洞内范围坡面视其稳定性做适当防护,采用5cm厚C20喷射混凝土进行表层封闭。

2)耳墙及护拱的施工。护拱为60cm厚带耳墙的C25钢筋混凝土结构,内预埋I 20a型钢拱架,纵向间距60cm,与隧道初期支护钢拱位置相同,钢拱架间采用 φ20二级钢筋连接,护拱部分的钢拱架两侧满铺φ8钢筋网。护拱上下缘分别布置 φ22二级钢筋,为环向受力主筋,沿隧道纵向间距20 cm;沿预埋的钢拱环向间距30cm布置 φ12的三角形箍筋,与护拱外侧主筋相连;架立筋和分布钢筋按构造配置。护拱上部的挡土耳墙与护拱分开浇注,并预留钢筋接头,浇注混凝土时精细施工,避免出现空洞。

3)护拱与山体交接处,采用2根 φ50注浆锚管对每榀预埋的钢拱架进行锁定,该处拱脚要求焊接连接钢板及螺栓,待暗洞开挖时与初期支护钢拱架连接。浇注护拱混凝土时,采用木板或泡沫板对连接钢板进行保护,使之与混凝土隔离。

4)耳墙、护拱施工完成后采用人工夯填土石对护拱上方空间进行反压回填,填土表实施绿化,拱顶回填按50～80cm厚分层压实,压实度不小于85%。

5)洞外工程完成后,即进行洞内施工。先施工暗洞部分的 φ50超前注浆钢花管,部位为暗洞的拱部120°范围。按照上下台阶法,根据I 20a钢拱架间距60cm进行逐榀钢拱位置的开挖、初喷,暗洞钢拱架与护拱内钢拱架栓接后焊接牢靠,并采用喷射混凝土将接头位置喷实,喷射混凝土厚度26cm。暗洞钢拱上下断面落脚时,采用2根4.5m长 φ22砂浆锚杆进行锁脚。系统锚杆与钢拱架焊接以提高拱架的横向稳定性和承载能力。开挖落底紧跟,仰拱钢拱封闭成环后,立即施作仰拱及仰拱充填。

6)最后进行防排水层、二次衬砌(厚度50 cm)施工。

3 半明半暗进洞方案施工过程的数值模拟

为了评价进洞方案的可靠性,掌握施工过程中围岩、支护结构力学状态的变化情况,以便给设计和施工提供指导,对该进洞方法按分步开挖、支护的全过程进行了平面应变有限元数值模拟。分析过程中视围岩为弹塑性材料,围岩所处状态采用摩尔-库仑准则进行判定,初始地应力由重力场形成,开挖荷载释放系数由掌子面大小及距离掌子面的远近共同确定,各材料参数取自规范和地质勘察报告成果。

隧道初期支护采用梁单元,锚杆采用植入式桁架单元,围岩、回填土、耳墙及护拱采用平面应变单元。有限元模型如图3所示,共由10 403个节点和10 323个单元组成。施工过程为1)边坡开挖、2)边坡支护、3)施工耳墙护拱和拱顶回填 、4)隧道洞内上台阶开挖 、5)隧道洞内上台阶锚杆、6)隧道洞内上台阶初期支护、7)隧道洞内下台阶开挖、8)隧道洞内下台阶锚杆、9)隧道洞内下台阶初期支护,共9个施工步骤。

图3 有限元计算模型Fig.3 Finite element calculation model

3.1 隧道支护结构力学变化分析

1)隧道施工完成时第一主应力和第三主应力如图4所示。

图4 隧道施工完成时第一主应力和第三主应力云图Fig.4 Cloud maps of the first principal stress and the third principal stress when the construction of the tunnel is completed

根据计算结果,护拱结构最大拉应力在护拱浇注及拱顶回填完成时位于隧道拱部内侧,数值较小(0.8 MPa),随着施工步骤的进行,拱部拉应力逐渐减小,最大拉应力位置向护拱腰部偏上侧转移,隧道完成后,护拱最大拉应力为1.99MPa,超过C25混凝土抗拉强度设计值,结构配置抗拉钢筋。

护拱最大压应力的分布随着施工步骤的进行,逐步向护拱肩部内侧和腰部内侧集中,最大压应力3.1 MPa,满足C25混凝土抗压强度设计值。

2)初期支护弯矩随施工过程的变化

如图5所示。

隧道上台阶支护完成时,初期支护弯矩最大值为2.433kN◦m,位于钢拱架锁脚位置;隧道支护完成时,初期支护弯矩最大值为3.343 kN◦m,位于隧道靠山内侧拱脚处;初期支护采用26cm厚C25喷射混凝土,内置I 20a@60cm的钢拱架,能够满足强度要求。

隧道上台阶施工的系统锚杆中轴拉力最大值为37k N,下台阶施工的系统锚杆中轴拉力最大值为66 kN,均能够满足强度要求。

3.2 施工过程中的位移变化规律

图6所示,隧道拱部围岩向洞内临空面位移较大,其中护拱拱顶向山体外侧水平位移1.904mm,竖直向下位移3.419mm,仰拱底鼓;护拱腰部向山体外侧水平位移2.186mm,竖直向下位移1.619 mm;靠山侧初期支护腰部向山体外水平位移1.941 mm,竖直向下位移4.311mm;耳墙向外侧位移明显,整体呈弧状,表明其与初期支护组成的支撑系统承受了较大的山体推力。

图5 初期支护弯矩随施工过程的分布变化Fig.5 Distribution of bending moment of primary reinforcement,which varies along with the construction process

图6 隧道施工完成后的位移分布Fig.6 Distribution of displacement when the construction of the tunnel is completed

3.3 整体稳定评估

按照强度折减理论对原山体模型、临时边坡方案和反压护拱方案的模型分别进行了整体稳定分析,如图7。为了简化模型方便比对,未模拟山体第四系覆盖层,模型中山体全部按照V级围岩考虑。计算结果:原山体模型坡体安全系数K=1.969;临时边坡方案安全系数K=1.779,刷坡后潜在的破坏面通过边坡坡脚;反压护拱隧道成洞后潜在的破坏面与原山体模型坡面的潜在破坏面几乎相同,安全系数K=1.928。

表明隧道半明半暗进洞方案能够最大程度地减少山体扰动,有效地降低由于工程施工诱发边坡病害的可能。

图7 潜在破坏位置Fig.7 Positions of potential failures

4 半明半暗进洞方案应注意的事项

根据数值模拟分析结果,隧道半明半暗进洞施工方法能够有效地平衡山体推力,减少工程引发的边坡病害,控制围岩塑性区的发展,但在该方案设计和实施过程中,应重点注意以下几个方面:

1)洞顶边坡及山体应锚固良好,形成能够承受一定荷载的整体。

2)护拱与暗洞洞周围岩位移差别较大,护拱拱脚应特别注意加强锁脚强度和锚固质量,保证荷载能够有效地传递。

3)半明半暗段暗洞的上下台阶拱脚均为应力集中位置,应注意钢拱架落脚落在实处,锁脚锚杆及时施作。

4)根据分析结果,耳墙基础在施工过程中受力复杂,属薄弱部位,开挖后应视基础位置地基承载力情况决定是否进行处置。

5)当半明半暗段落较长时,可充分利用岩土的时空效应,分段落进行开挖和施工反压护拱。

5 结论

1)实践和研究结果表明隧道半明半暗进洞方案能够有效地平衡山体推力,解决由洞口大刷大挖引发的一系列的问题,较好地适应偏压地形,保证隧道进洞安全,满足环境保护和水土保持的要求。

2)本次研究的隧道洞口位于自然坡度为44°的山坡坡脚,原山体本身并无滑坡、垮塌等地质灾害,因此方案中的反压护拱主要承受由隧道开挖引起的围岩松驰及变形的压力,对洞口段存在诸如滑坡等地质病害和软弱土体的隧道进洞方案应结合数值分析谨慎选择。

3)通过计算分析,提出了半明半暗进洞方案中钢筋混凝土护拱强度、上台阶拱脚和耳墙基础的稳定性要求,为工程实施提供了理论支撑。

4)目前该隧道洞口已安全顺利进洞,未发生工程病害,可为同类工程参考。

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