洛带古镇隧道下穿砖厂道路段施工技术研究

2016-10-27吴勇

黑龙江交通科技 2016年9期

关键词：洞身砖厂钢架

吴勇

（中国水电建设集团第十五工程局有限公司，陕西西安 710065）

洛带古镇隧道下穿砖厂道路段施工技术研究

吴勇

（中国水电建设集团第十五工程局有限公司，陕西西安 710065）

下穿道路隧道在生活及施工中非常普遍，如何确保在隧道施工过程中的安全显得尤为重要，本文以洛带古镇隧道下穿砖厂道路段施工技术为研究对象，通过分析隧道下穿该路段时是否安全，采用了FLAC3D数值软件对下穿施工进行了模拟计算，对类似工程具有借鉴作用。

下穿道路；淮洛路；隧道；FLAC3D

1 工程概况

四川成洛项目洛带古镇隧道进口洞顶覆盖层斜上方有一砖厂，砖厂运输车辆需通过洞顶道路出入，该段道路距隧道洞口水平距离15 m，垂距6.5 m，覆盖层为崩坡积粉质粘土层，此段隧道围岩级别设计为B5q2型衬砌。由于砖厂运输车辆荷载较重，且此段隧道埋深较浅，因此隧道在穿越此段道路施工时存在安全风险。为了分析隧道下穿该路段时是否安全，我们采用了FLAC3D数值软件对隧道下穿此段道路施工时取最不利工况进行验算。

2 模型建立

（1）模型尺寸：本次洛带古镇隧道开挖数值模拟计算区域为横向80 m，纵向24 m，隧道开挖方向取30 m。

（2）隧道断面：根据洛带古镇隧道支护示意图以及洛带古镇隧道中隔壁开挖示意图，隧道实际开挖面积100.23 m2，以半径为5.75 m的圆形断面代替隧道开挖断面，其开挖面积为103.8 m2可以满足要求。

（3）支护本构模型选择：在Flac3D软件中提供了三维和二维的隧道衬砌结构单元，其结构单元的力学特性可以分为衬砌材料本身对结构的响应和衬砌与Flac3D网格的相互作用，衬砌是可抵抗表面荷载和弯曲荷载的壳体单元。

本次隧道模拟计算过程中，隧道初期支护为24 cm的混凝土，因此选用各向同性的弹性模型。在该本构模型中，应力应变关系满足胡克定律。

（4）模型边界条件：根据计算要求模型取两侧为限制水平方向位移的滑动支座，可垂直移动；底部为限制垂直方向位移的滑动支座，底边与侧边的两个角点处为限制水平方向与垂直方向位移的固定支座；

隧道上方公路约为4 m宽，过车整体重量取为100 t，本次数值计算做如下假定：车长6 m，将整车重量均布于4 m×6 m的公路路基，则按照重量计算的均布荷载为0.42 MPa。该均布荷载作用于隧道正上方，作用于计算模型上表面，区域范围为X（-2～2），Y（12～18）。

依据设计图纸中的地质资料以及衬砌的相关参数选取了洛带古镇隧道模型力学参数如表1。

表1　洛带古镇隧道模型力学参数

为使计算偏安全，本次数值计算采用了较为危险的开挖方式，即隧道采用全断面开挖方式，每循环开挖2 m，开挖完毕立即进行初期支护。建立的数值模型如图1，模型分为15步开挖。

图1　模型网格剖分图

3 模拟过程与结果分析

模型建立好之后，即可进行设定本构模型和材料特性、设置应力条件和边界条件等操作，最终进行求解。在求解过程中，隧道开挖之前先求解一次，使模型在原岩应力状态下达到平衡。隧道每开挖2 m完成后求解一次，求解完成后再进行下一步开挖。隧道开挖过程中计算结果列表见表2。

表2　模拟开挖结果列表

根据隧道开挖过程中竖向应力云图2，隧道开挖过程中竖向位移云图3以及开挖过程中结果列表1，5可以得出以下结论：

（1）隧道开挖至车辆荷载作用的地段（即开挖至12 m处），地表位移有较大的上升，且开挖至该段时地表位移均发生在均布荷载作用范围内，可见该路段重车行驶对隧道开挖有较大的影响。

（2）由于隧道在粉质粘土中进行施工，围岩条件较差，且距地表距离较小，因此计算得出的地表下沉量较大达到7.9 cm，施工过程中应当加强支护措施，并同时加强位移监测工作。

4 施工中的安全措施

根据计算结果，为了进一步确保施工安全，我们在施工过程中，采取以下安全措施：

（1）设置临时钢便桥，分散车辆荷载，减少局部应力。

在隧道穿越洞顶覆盖层上方道路处设置长20 m、宽5 m由厚20 mm的钢面板、钢垫板及Ⅰ56a型钢承重架和Ⅰ20a型纵梁组成的临时钢便桥，用以分散洞顶上方砖厂道路通行车辆的荷载，减小局部应力，同时为防止车辆在通过钢便桥时打滑发生事故，在钢便桥上沿纵向间距设置Ⅱ级防滑钢筋。

（2）采用交叉中隔壁法非钻爆开挖，严禁钻爆施工。

我们在此段隧道施工时采用交叉中隔壁法施工，由人工配合挖掘机进行非爆破开挖，施工中遵循“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、紧支护、早封闭、勤量测”的原则。洞身开挖在超前地质预报的指导下进行，在洞身开挖施工时，左右两洞一前一后错开进行开挖施工，要求在先行洞初期支护施做完成后并达到设计强度后，才能进行相邻位置后行洞的开挖，并且每循环进尺上台阶控制在不大于0. 5 m（1榀钢架），下台阶不大于1.0 m（2榀钢架）；每循环在开挖完成后随即网喷锚配合钢架进行支护，同时对后续将要开挖的岩面进行喷锚和钢拱架临时支护，尽可能在最短时间内使初支钢架封闭成环，形成封闭完整的受力体系；当初支和围岩变形基本稳定后，尽快施做小边墙、仰拱填充及二次衬砌。在洞身开挖施工时，要充分利用围岩的自承能力，严格控制围岩的早期变形，保持围岩稳定，施工时按要求预留预留变形和及时进行监控量测；要求围岩封闭位置距离掌子面的距离不大于25 m，二衬砌距离掌子面不大于50 m；交叉中隔壁临时支护在浇筑仰拱前逐段拆除，一次拆除长度需要根据监控量测的结果确定，但不能大于15 m，临时支护在拆除完毕后要及时施做仰拱和二次衬砌，特殊情况下可先施做仰拱和仰拱填充，再拆除中隔壁，最后再施做拱墙衬砌；仰拱施作必须铺设栈桥全幅分段施工。

（3）辅助工程施工及隧道衬砌施工

在砖厂道路周边洞顶地表覆盖层周围采用Ф76×5 mm钢花管和Ф76PVC管进行对洞顶覆土进行地表注浆加固，注浆花管注浆间距为1.5 m× 1.5 m，呈梅花状布置，注浆完成后采用物探及钻孔取芯手段对注浆效果进行检验和评定。

在此段洞身开挖辅助工程采用单根长9 m的Ф89×6 mm中管棚进行超前预支护，中管棚在洞身衬砌中线两侧60°范围布设，环向间距30 cm，排距6.5 m，每环46根，注浆材料采用0.6∶1～0.8∶1的纯水泥浆。

洞身衬砌按照B5q2型衬砌施工，采用网喷锚配合钢架进行初期支护，网片筋采用间距为20 cm ×20 cm的Ф8双层网片筋，喷射混凝土采用26 cm厚的C25喷射混凝土，型钢钢架采用全环的HW175型钢钢架，预留变形量为40 cm，为防止隧道拱顶或初支钢架整体产生过大沉降变形，在上台阶衬砌每榀钢架拱脚沿纵向拉通设置1.2 m宽的钢垫板及斜撑型钢，同时于上台阶开挖底面以上1 m处设置由4根5 m长的Ф89锁脚锚管及1根I20槽钢组成联合锁脚系统；二衬混凝土在拱圈采用60 cm厚的C30气密性钢筋混凝土，仰拱采用气密性耐腐蚀钢筋混凝土。

（4）进行监控量测

在洞身开挖和支护完成以后要及时进行洞内监控量测和地表观测，洞内监控量测拱顶下沉和周边收敛位移采用的量测断面每5 m一个，地表沉降观测的断面每10 m一个。