复杂破碎围岩条件下大断面公路隧道初期支护的合理时机分析

2020-06-21李善斌

工程技术研究 2020年8期

李善斌

（中铁十七局集团第六工程有限公司，福建厦门 350000）

目前国内高速公路快速发展，设计、环保理念进一步提高，隧道在高速公路中所占比例越来越多，同时随着设计速度目标值越来越高，开挖断面也越来越大，提高隧道开挖的安全性及施工效率十分重要。为此，国内外众多学者以及工程人员对其进行了较多的研究，虽然这些研究成果为高速公路隧道的安全快速施工提供了较好的指导，但专门针对复杂破碎围岩条件下大断面公路隧道双侧壁导坑法开挖支护时机的研究则较为少见，因此有必要针对复杂破碎围岩条件下大断面公路隧道开挖支护进一步进行分析和优化，以期为类似施工环境下的隧道建设提供技术参考。

1 工程概况

洋溪隧道线路基本呈南北走向，设计为分离式隧道，双向六车道。单洞裸洞跨度16.37m，洞高11.66m。穿越地层主要为全风化、强风化至微风化花岗闪长岩地层，全线Ⅳ～Ⅴ级围岩占全隧道72%。其中通过一些断层带及其影响带，岩体受构造影响较强烈，部分地段围岩较破碎，易发生突水、突泥，整体上隧道通过段的围岩节理裂隙较发育，岩体破碎，部分地段同一开挖断面上软下硬，开挖难度大，风险较高，现场采用4部双侧壁导坑法施工。其开挖和支护处置步序如图1所示。

初支护采用20b工字钢拱架按纵向间距0.5m一榀布置，喷射厚0.27m的C25混凝土，并布置单层Φ8mm钢筋网（网格间距20cm×20cm）及模注0.50m厚的二次衬砌混凝土；梅花型布置，间距1.0m（环）×0.5m（纵）、L=4.0m的D25注浆加固锚杆，如图2所示。

图1 4部双侧壁导坑法开挖和支护处置步序图

2 计算模型的建立

2.1 计算模型

图2 4部双侧壁导坑法衬砌钢支撑图

在平面图上选择该隧道位置130m×30m的一块长方形V级围岩区域为基准建立计算模型，如图3所示。在立面图上，模型底面取155.5m高程，顶面高程为243.5m。模型以该隧道出口的右方向为X轴正向，以洞纵轴方向为Y轴正向，以空间竖向向上为Z轴正向，构成笛卡尔直角坐标系。为了计算方便，数值模拟时按单个洞室考虑。

三维弹塑性有限差分数值计算模型中岩土体围岩采用8节点六面体等参单元离散化模拟；锚杆和初喷混凝土采用FLAC3D软件内置的结构单元（锚杆采用Cable单元，初喷混凝土采用Shell单元）模拟。在划分网格时，采用不同精度的网格划分：在对计算结果影响最大的区域采用了较大的网格密度，在隧道区外对计算结果影响较小的区域采用了相对较低的网格密度，在计算最为关注的隧道及其附近还进行了适当的网格加密，以便保证计算的精度。具体的网格划分如图3所示。

图3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖计算的几何模型示意图

2.2 边界条件及计算参数

结合实际情况，在模型的左右、前后侧直立面上施加水平方向的光滑位移约束，对底平面设置Z方向的竖直约束，模型的顶面取为自由边界。通过施加重力来考虑自重应力场的作用。

研究区的岩土体物理力学指标依据工程勘察、设计资料选取，如表1所示。

表1 场区花岗闪长岩物理力学指标设计建议值汇总表

为简化计算，根据已有研究经验、《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）及相关文献报道：锚杆的弹性模量为20.0GPa，泊松比为0.2；初喷单层Φ8钢筋焊接网的C25混凝土的弹性模量为25.0GPa，泊松比为0.2，重度为22.0kN/m3；模注二次衬砌混凝土的弹性模量为28GPa，泊松比为0.2，重度为24.0kN/m3。

3 隧道围岩稳定性分析和判断依据

参照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086—2001）并采用工程类比法，依据翔安海底隧道工程陆域段Ⅴ级围岩的监控量测拱顶沉降及边墙收敛的限值作为本研究对象的最大允许阈值。各施工部最大允许拱顶沉降和最大允许边墙洞周收敛取值如下：（1）Ⅰ部、Ⅱ部导洞高8.88m，最大围岩跨度约为5.2m，则其最大允许拱顶沉降值为7.1cm，最大允许边墙洞周收敛值为13.1cm；（2）Ⅲ部导洞高5.383m，最大围岩跨度约为12.544m，则其最大允许拱顶沉降值为9.33cm，最大允许边墙洞周收敛值为10.0cm；（3）Ⅳ部导洞高6.083m，最大围岩跨度约为7.154m，则其最大允许拱顶沉降值为9.33cm，最大允许边墙洞周收敛值为5.72cm。二衬施作前，整个隧道的最大允许拱顶沉降值为9.33cm，最大允许边墙洞周收敛值为13.1cm。