超大跨度公路隧道施工工法转换方案研究

2020-07-14迟作强刘瑞辉王利宝

科学技术与工程 2020年17期

迟作强，刘瑞辉，陈瑶，王利宝

(1.山东省路桥集团有限公司，济南 250021；2.长安大学公路学院，西安 710064)

进入21世纪后，由于中国经济快速发展，原有的双洞四车道、双洞六车道公路隧道不能满足交通运输的需求，同时新建隧道选线、设计、修建等越来越困难。为缓解交通运输压力和增强对路线资源的充分利用，新建高速公路中跨度大于18 m的双洞八车道超大跨度公路隧道工程日益增多[1-2]。据不完全统计，截至2018年年底，中国已建和在建的单洞四车道公路隧道共有46座，其中有26座都是在近6年贯通的，并且仅山东省在2016—2018年3年间就新建了11座单洞四车道公路隧道。

超大跨度公路隧道与单洞两车道、三车道公路隧道相比，在建设上具有开挖跨度大、高跨比小、施工工序复杂等问题。由于超大跨度公路隧道开挖断面面积大、跨度大，因此如何采用合理的开挖方法是目前施工中的难点。同时，在超大跨度公路隧道建设过程中，常常需根据隧道不同围岩地质条件选择不同开挖方法[3]，而不同开挖方法之间的转换却一直被忽视，且中国尚没有关于超大跨度公路隧道设计、施工的规范和标准[4-5]。在实际施工中工法转换无据可依、杂乱无章，常出现工法转换过程保守、速度慢、风险大等问题[6]，影响工程进度，增加了工程造价。所以有必要对超大跨度公路隧道的施工方法进行深入研究。

以济南绕城高速公路老虎山超大跨度隧道工程为依托，通过现场试验、数值模拟等手段，对超大跨度公路隧道洞口段Ⅴ级围岩与Ⅳ级围岩施工工法转换方案展开系统的研究，研究成果不仅可以用来指导老虎山超大跨度隧道工程的施工，还可以为以后类似的工程提供有价值的见解，为中国超大跨度公路隧道设计规范和标准的制定提供参考依据。

1 工程概况

济南绕城高速连接线工程老虎山隧道为双向八车道隧道，隧道轴线起止桩号左线为ZK0+180～ZK8+820，长1 740 m，隧道最大开挖宽度为20.08 m，属超大跨度公路隧道。

隧道进口段为Ⅴ级围岩浅埋或Ⅴ级围岩加强段，表层有坡积残积土，节理裂隙发育，起止桩号为ZK0+180～ZK1+185，如图1所示。Ⅳ级围岩主要为中风化灰岩，结构较发育，岩体较破碎，自稳能力一般，起止桩号为ZK1+185～ZK3+360。根据地质情况和《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)[5]，老虎山隧道Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法施工，穿越Ⅴ级围岩与Ⅳ级围岩交界处，采用双侧壁导坑法向交叉中隔墙(cross diaphragm, CRD)法转换施工，工法转换完成后，Ⅳ级围岩段再由CRD法变为上台阶中隔墙(center diaphragm)CD法施工。

图1 隧址区地形地貌Fig.1 Topography and landform of tunnel site area

2 施工工法转换

对进口段ZK1+184～ZK1+200段Ⅴ级围岩双侧壁导坑法的施工工法到相邻的Ⅳ级围岩段CRD法施工工法的转化进行分析和研究。

2.1 施工工法选择

老虎山隧道进口位于山脚，表层有坡积残积土层，土厚0.4～10.7 m，自稳能力差。由于隧道开挖断面大，对围岩稳定性有严重的不利影响[7-8]。为减少隧道开挖对洞口段Ⅴ级围岩稳定性的影响，进口段采用了双侧壁导坑法，此法通过增加开挖步骤，减少一次开挖面积，保证围岩的稳定，如图2和图3所示。

图2 双侧壁导坑法施工工序示意图Fig.2 Drawing of construction procedure of double-side wall heading method

图3 双侧壁导坑法现场施工图Fig.3 Site construction drawing of double-side wall heading method

双侧壁导坑法开挖施工顺序如下:隧道施工时，先开挖左侧导坑上台阶(1部)，施作初期支护Ⅰ、Ⅱ和锁脚锚杆，架设临时仰拱；开挖左侧导坑下台阶(2部)，施作初期支护Ⅲ、Ⅳ和锁脚锚杆，架设临时仰拱；开挖右侧导坑上台阶(3部)，施作初期支护Ⅲ、Ⅳ和锁脚锚杆，架设临时仰拱；开挖右侧导坑下台阶(4部)，施作初期支护Ⅲ、Ⅳ和锁脚锚杆；接着开挖中部上台阶(5部)、中台阶(6部)、下台阶(7部)；最后施作仰拱Ⅶ、二次衬砌Ⅴ。

相邻Ⅳ级围岩段节理裂隙较发育，自稳能力一般，但较Ⅴ级围岩稳定性强，采用了CRD法施工，减化了双侧壁导坑法施工时的复杂步骤，从而在保证施工安全的前提下，加快了施工进度，如图4所示。

图4 CRD法施工工序示意图Fig.4 Drawing of construction procedure by CRD method

CRD法开挖施工顺序如下: 隧道施工时，先开挖左侧导坑上台阶(1部)，施作初期支护Ⅰ、Ⅱ和临时仰拱；开挖左侧导坑下台阶(2部)，施作初期支护Ⅰ、Ⅱ下部和初期支护仰拱Ⅳ；接着开挖右侧导坑上台阶3部，施作初期支护Ⅲ上部和临时仰拱；开挖右侧导坑下台阶4部，施作初期支护Ⅲ下部和初期支护仰拱Ⅳ；最后拆除中隔壁临时支护，施作仰拱Ⅶ、二次衬砌Ⅴ。

2.2 工法转换方案

老虎山隧道近口段为Ⅴ级围岩，采用双侧壁导坑法施工，相邻Ⅳ级围岩主要为中分化灰岩，节理较发育，自稳能力较Ⅴ级围岩加强，采用CRD法施工，两种工法因分部开挖面积不同，为保证工序的顺利衔接和避免大量窝工的出现，所以老虎山隧道进行工法转换，其涉及的过渡段长度为6 m，起止桩号为ZK1+184～ZK1+200；涉及的工法主要是双侧壁导坑法与CRD法之间的工法转换，如图5所示。

图5 双侧壁导坑法(实线)、CRD法(虚线)分部对比示意图Fig.5 Contrast schematic diagram of double-side wall heading method (solid line) and CRD method (damaged line)

两种工法转换的重要前提是确保不同开挖工法起拱线高程保持一致，施工时通过控制临时竖撑高度的方法加以控制，确保工法转换时各分部竖向尺寸过渡的连续性，降低施工难度。在控制竖向尺寸一致的前提下，老虎山隧道双侧壁导坑法开挖分部横向采用渐变方法过渡到加强CRD法。

在过渡段施工时，老虎山隧道工法转换时采用20～25榀(每榀间距0.6 m)尺寸逐渐扩大的竖向钢支撑由双侧壁导坑法过渡到加强CRD法，双侧壁导坑法的先导、后导的竖向钢支撑分别到CRD法的竖向钢支撑横向间距约2.8 m，过渡时双侧壁导坑法左导洞上下台阶、右导洞上下台阶的临时钢支撑每榀拱架向隧道中线方向平移0.233～0.28 m，为确保过渡段曲线圆滑、顺畅，与CRD法竖向钢支撑线形相反的双侧壁导坑法竖撑在渐变过程中逐渐改变线形向其靠拢以方便后续施工，如图6所示。

图6 老虎山隧道工法转换横断面示意图Fig.6 Cross-sectional sketch of construction method conversion of Laohu Tunnel

具体实施步骤如下：第1步，左侧临时中墙1和右侧临时中墙3均向隧道中线位置逐渐移动，左侧导坑临时仰拱和右侧导坑临时仰拱随着左右两侧临时中墙的移动逐步变宽，中间导坑的临时仰拱则逐步缩窄；第2步，当所述左侧临时中墙1和右侧临时中墙3相接触时，停止移动；第3步，取消掉后施工的所述右侧临时中墙3，保留所述左侧临时中墙1，将所述左侧临时中墙1转换为CRD法中的中间临时中墙Ⅱ，完成工法转换。

过渡后的加强段CRD法初期支护仍采用双侧壁导坑法支护参数，如图7所示。临时支护采用加强后的支护参数，竖向临时钢支撑采用I22b型钢拱架，临时仰拱采用I20b型钢拱架，拱架间距为0.6 m，具体参数如图8所示。

图7 双侧壁导坑法临时支护及设计参数Fig.7 Temporary support and design parameters of double-side wall heading method

图8 加强段CRD法临时支护及设计参数Fig.8 Temporary support and design parameters of strengthened section CRD method

通过转换施工方法的设计，在保证施工正常进行的条件下，老虎山隧道通过10～15 m的过渡段施工，完成了由Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法施工向CRD法施工的转换。进一步从现场施工进度分析，采用的转换方法避免了双侧壁导坑法的先行导洞为了等后行导洞到达掌子面后在进行工法转换时而造成的时间浪费和窝工的出现，从而保证了工期，节省了施工成本。

3 数值模拟分析

3.1 计算参数选取

采用《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)[4]中的综合安全系数法对超大跨公路隧道初期支护进行强度校核与评价。根据工程实际围岩状况、施工方法及埋深条件确定隧道计算围岩参数[9-10]，并通过MIDAS数值模拟软件建立双侧壁导坑法向CRD法转换方案的开始阶段、中间阶段、完成阶段3个区段的模型，从施作的钢拱架的轴力、弯矩和围岩的位移等方面进一步分析，从而验证过渡段工法转换的安全合理性。

建模采用的围岩力学参数如表1所示，支护材料力学参数如表2所示。

表1 围岩力学参数Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock

表2 支护材料力学参数Table 2 Mechanical parameters of support materials

在计算钢架和喷射混凝土承担的轴力和弯矩时，将初期支护承担的总轴力和总弯矩按式(1)～式(4)分担给钢架和喷射混凝土[11-12]。

(1)

Mh=0

(2)

(3)

Mg=M

(4)

式中：N、M为单位长度内验算截面的总轴力和总弯矩，kN,kN·m；Ah、Ag为喷射混凝土及钢架计算截面的面积，m2；Eh、Eg为喷射混凝土及钢架的弹性模量，kPa；Nh、Ng为喷射混凝土及钢架分别承担的轴力，kN；Mh、Mg为喷射混凝土及钢架分别承担的弯矩，kN·m。

喷射混凝土及钢架强度采用综合安全系数法进行校核时，其强度应符合式(5)～式(7)规定，公式如下：

KhyNh≤αRhyAh

(5)

晚上是它最活跃的时候，当我们入睡时，就会听到“嗞——嗞——”的声音，我就悄悄地起来看个究竟，原来它在啃箱子，准备逃跑呢！更让我吃惊的是，它用那小小的牙齿竟然把箱子四周啃出大大的窟窿，第二天早上起来，我们发现仓鼠不见了，于是全家人搬沙发、挪柜子，在墙角处四处寻找，跟仓鼠进行了一次大作战，真是不能瞧不起这只小仓鼠!

(6)

(7)

式中：Rhy为喷射混凝土的抗压极限强度，kPa；Rgy为钢架钢材的抗压极限强度，kPa；Rgl为钢架钢材的抗拉极限强度，kPa；Khy为喷射混凝土的抗压强度综合安全系数；Kg为钢架的抗压、抗拉强度综合安全系数；Wg为钢架验算截面抗弯刚度，m2。

3.2 数值模拟

3.2.1 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法分析

V级围岩双侧壁导坑法施工模拟、变形云图及初期支护轴力图如图9～图11所示。

图9 双侧壁导坑法施工模拟Fig.9 Construction simulation of double-side wall heading method

图10 双侧壁导坑法施工变形云图Fig.10 Deformation cloud chart of double-side wall heading method

图11 双侧壁导坑法初期支护轴力图Fig.11 Axis force diagram of initial support of double-side wall heading method

由图10可知，模拟的拱部的沉降值和拱脚收敛值与现场监控量测的数据比较，可以得出模拟值与实测值几乎吻合，说明模拟的位移的合理性。从模拟数据分析看，隧道结构整体变形较小，远小于极限位移值200 mm。

提取初期支护承担的总轴力和总弯矩按式(1)～式(4)分别计算钢架和喷射混凝土承担的轴力和弯矩，计算结果如表3所示。

表3 双侧壁导坑法初期支护内力及材料安全系数Table 3 Internal force and material safety factor of initial support by double-side wall heading method

由表3可知，初期支护拱部受力略大于仰拱，喷射混凝土最大轴力出现在左拱脚处，其值为232 kN，安全系数为1.3。根据《公路隧道设计细则》，在QZH-Ⅱ基本可变组合下钢架和喷射混凝土安全系数分别为2.0(抗压)、3.6(抗拉)和2.4(抗压)，Ⅴ级浅埋初期支护结构安全系数大于规范规定值，表明双侧壁导坑法施工满足《公路隧道设计细则》，结构安全。

Ⅳ级围岩过渡段双侧壁导坑法施工模拟、施工变形云图及初期支护轴力图如图12～图14所示。

由图13可知，在Ⅳ级围岩过渡段模拟的双侧壁导坑法施工中，拱部的沉降值和拱脚收敛值与现场监控量测的数据比较，可以得出模拟值与实测值几乎吻合，说明模拟的位移结果的合理性。从数据分析看，隧道结构整体变形较小，远小于极限位移值200 mm。

图12 过渡段双侧壁导坑法施工模拟Fig.12 Construction simulation of double-side wall heading method in transition section

图13 过渡段双侧壁导坑法施工变形云图Fig.13 Deformation cloud chart of double-side wall heading method in transition section

图14 过渡段双侧壁导坑法初期支护轴力图Fig.14 Axis force diagram of initial support of double-side wall heading method in transition section

提取初期支护承担的总轴力和总弯矩按式(1)～式(4)分别计算钢架和喷射混凝土承担的轴力和弯矩，计算结果如表4所示。

表4 CRD法初期支护内力及材料安全系数Table 4 Internal force and material safety factor of initial support by CRD method

由表4可知，初期支护拱部受力略大于仰拱，喷射混凝土最大轴力出现在左拱腰60°处，其值为583 kN，安全系数为17.0。根据《公路隧道设计细则》，在QZH-Ⅱ基本可变组合下钢架和喷射混凝土安全系数分别为2.0(抗压)、3.6(抗拉)和2.4(抗压)，Ⅳ级浅埋初期支护支护结构安全系数大于规范规定值，表明施工满足结构安全。因此在Ⅳ级围岩采用过渡段双侧壁导坑法施工工法，满足结构安全度要求和《公路隧道设计细则》规范安全系数要求。

3.2.3 Ⅳ级围岩CRD法施工模拟

Ⅳ级围岩CRD法施工模拟、周边收敛及初期支护轴力图如图15～图17所示。

由图16可知，模拟的拱部的沉降值平和左右拱脚收敛与现场监控量测的数据比较，可以看出模拟值与实测值几乎吻合，从而说明模拟的结果的合理性。从数据分析看，隧道结构整体变形较小，远小于极限位移值140 mm。

图15 CRD法施工模拟Fig.15 Construction simulation of CRD method

图16 CRD法周边收敛Fig.16 Peripheral convergence of CRD method

图17 CRD法初期支护轴力图Fig.17 Axis force diagram of Initial support by CRD method

提取初期支护承担的总轴力和总弯矩按式(1)～式(4)分别计算钢架和喷射混凝土承担的轴力和弯矩，计算结果如表5所示。

表5 CRD法初期支护内力及材料安全系数Table 5 Internal force and material safety factor of initial support by CRD method

由表5可知，初期支护拱部受力略大于仰拱，喷射混凝土最大轴力出现在左拱腰60°处，其值为415 kN，安全系数为9.6。根据《公路隧道设计细则》，在QZH-Ⅱ基本可变组合下钢架和喷射混凝土安全系数分别为2.0(抗压)、3.6(抗拉)和2.4(抗压)，Ⅳ级浅埋初期支护支护结构安全系数大于规范规定值，表明CRD法施工满足结构安全，满足《公路隧道设计细则》结构安全度要求。

综上所述，由表3、表4和表5的初期支护内力及材料安全系数和3种施工工法数值模拟结果分析：①过渡段的CRD法施工的沉降值和收敛值比双侧壁导坑法和Ⅳ级围岩的CRD法数值小，沉降和收敛数值大约为4～5 mm，整体结构变形小，远小于极限位移值，满足规范要求。②3种施工工法的初期支护钢架和喷射混凝土结构的安全系数都满足《公路隧道设计细则》的规定值，且3种工法的安全系数都比规定值大，远大于要求，因此工法转换时采用过渡段的CRD法施工时满足规范规定。