韩门大断面隧道预留核心土法施工中软弱围岩变形预测与控制

2022-06-21金沐妍

河南工程学院学报(自然科学版) 2022年2期

皇民，金沐妍

(1. 河南工程学院土木工程学院，河南郑州 451191；2. 郑州航空工业管理学院土木建筑学院，河南郑州 450015)

郑州市中原路西延线S237段快速通道韩门公路隧道为三车道隧道，开挖断面在150 m2以上，为超大断面隧道。由于围岩的时间和空间效应，软弱破碎围岩中修建大断面隧道时围岩大变形、区域性塌方等风险远高于小断面隧道[1-4]。韩门隧道所处围岩地质情况多为软弱破碎带，包含多条断层，自稳能力差。隧道左线1 370 m，其中Ⅴ级围岩占888 m；右线1 175 m，其中Ⅴ级围岩占913 m。一般来说，Ⅴ级围岩常采用中隔墙(CD)法、交叉中隔墙(CRD)法等特殊工法，但这些工法施工复杂，而且需要施作和拆除大量临时支护，成本高，进度慢[5-8]，无法满足韩门隧道的工期要求。通过三维数值计算和围岩监控测量分析，研究韩门大断面隧道Ⅴ级围岩段采用环形开挖预留核心土法进行台阶施工的安全性，分析围岩破碎软弱条件下超大断面公路隧道围岩变形规律，可为工程实践与设计提供参考。环形开挖预留核心土法的施工要点是，首先对上台阶环形拱部进行开挖并进行初期支护，然后顺序开挖核心土和下台阶，其预留核心土对隧道掌子面具有较好的稳定作用，且无须施作大量临时支护，工序比较简单。

1 工程概况

韩门大断面隧道Ⅴ级围岩段开挖跨度16.9 m，高度11.3 m，衬砌总厚度93 cm，其中初期支护为C25型钢筋网喷射混凝土，厚度28 cm，二次衬砌为C30型防水钢筋混凝土，厚度65 cm。拱部软弱围岩部分采用φ22钢筋砂浆系统锚杆进行加固。隧道围岩与支护参数如表1所示。

表1 隧道围岩与支护参数Tab.1 Calculation parameters of rock and lining

2 数值分析

采用FLAC 3D岩土专业分析软件对韩门大断面隧道进行分析，隧道数值分析模型如图1所示。该模型含73 410个单元、78 430个节点，横向(x方向)计算范围取80 m,模型每侧边界距隧道中心均为40 m,竖向(z方向)高度取50 m,纵向长度取60 m。

图1 韩门隧道数值分析模型Fig.1 Numerical model of Hanmen tunnel

2.1 环形开挖预留核心土

上台阶拱部开挖是隧道施工的重要环节，为确保隧道安全，上台阶开挖采用环形开挖预留核心土方式，开挖进尺2 m，核心土纵向保留长度不小于4 m。开挖第1步与第10步的隧道围岩竖向沉降如图2与图3所示。

图2 环形开挖第1步隧道围岩竖向沉降Fig.2 Vertical displacement of the first step arch in circular excavation

图3 环形开挖第10步隧道围岩竖向沉降Fig.3 Vertical displacement of the tenth step in circular excavation

图4、图5为隧道设定监测断面处的监测点竖向沉降和横向位移随着环形拱部开挖进尺变化状况(1号监测点距离隧道洞口2 m，2号监测点距离隧道洞口4 m，3号监测点距离隧道洞口10 m，4号监测点距离隧道洞口20 m，5号监测点距离隧道洞口30 m。图中横坐标表示距隧道洞口的距离；纵坐标表示沉降和位移)。在此重点关注的是拱顶竖向沉降与拱脚横向位移，其余的计算结果不再一一列举。

图4 拱顶竖向沉降随拱部环形开挖发展情况Fig.4 Development of the vertical displacement of arch crown with annular arch excavation

图5 拱脚横向位移随拱部环形开挖发展情况Fig.5 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular arch excavation

由图4和图5可知：环形拱部开挖，隧道拱顶位移逐步增加。由于隧道开挖断面较大，围岩地质条件较差，隧道拱部开挖后，围岩产生明显变形，且随着开挖进尺的增加，拱顶竖向沉降也逐步发展。当开挖进尺到18 m后，拱顶竖向沉降趋于平稳，但其绝对数值仍在发展；当开挖进尺至20 m时，拱顶竖向沉降更加稳定，同时围岩也产生了较明显的塑性破坏。这说明开挖引起了围岩内力的剧烈调整，且围岩已经释放了一定荷载，围岩形变压力开始趋缓，此时为施作二次衬砌的良好时机。此时，应停止上台阶开挖，及时开挖下台阶，闭合仰拱初期支护并及时浇筑二次衬砌，以确保隧道结构安全。结合拱部环形开挖数值，拟定20 m为上台阶环形开挖进尺长度。

2.2 中台阶开挖

图6、图7为典型监测断面监测点竖向沉降和横向位移随中台阶开挖进尺变化情况。

图7 拱脚横向位移随中台阶开挖进尺发展情况Fig.7 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular middle step excavation

由图6和图7可知：中台阶中槽开挖第1步，拱脚部分的横向位移有一定增加，拱顶沉降则没有明显增加；第1步后，中台阶中槽继续开挖，隧道与围岩的位移未有明显变化。这是由于中台阶中槽开挖时，为两侧拱脚预留了较大的围岩基础，保护拱脚和隧道结构的稳定。可见，在拱脚稳定的前提下，中台阶中槽开挖对隧道结构的稳定性影响不大。

2.3 两侧边墙开挖

图8、图9为典型监测断面监测点竖向沉降和横向位移随左边墙开挖进尺变化情况。右边墙开挖情况类似，不再赘述。

图8 拱顶竖向沉降随左边墙开挖进尺发展情况Fig.8 Development of the vertical displacement of arch crown with annular left wall excavation

图9 拱脚横向位移随左边墙开挖进尺发展情况Fig.9 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular left wall excavation

由图8和图9可知：开挖隧道边墙导致的结构竖向沉降呈缓慢增加趋势，但整体数值较小；横向位移随开挖有微小反复，整体数值也不大，均在韩门隧道施工设计允许的收敛变形范围内。这说明韩门隧道Ⅴ级围岩段拟定的中槽先行开挖方式是可行的。

2.4 仰拱开挖

图10、图11为典型监测断面监测点竖向沉降和横向位移随仰拱开挖进尺变化情况。

图10 拱顶竖向沉降随仰拱开挖发展情况Fig.10 Development of the vertical displacement of arch crown with annular invert arch excavation

图11 拱脚横向位移随仰拱开挖进尺发展情况Fig.11 Development of the horizontal displacement of arch foot with annular invert arch excavation

图10和图11表明，各监测点在该部位仰拱开挖时拱顶竖向沉降和横向位移变化很小，而且在仰拱施工完成后，拱顶沉降变化很小，数值逐渐稳定。由此可见，仰拱的闭合作用对隧道结构竖向沉降的控制十分重要。

2.5 二次衬砌施作

二次衬砌采用Liner单元模拟，在初期支护稳定后进行施工，为隧道结构安全提供保障。分析和计算均表明：隧道二次衬砌施工完成后，隧道围岩的竖向沉降和横向位移均没有进一步发展，衬砌最大弯矩25.7 kN·m,最大剪力13.8 kN，最大轴力16.5 kN，荷载在衬砌内产生的最大压应力是0.3 MPa，最大拉应力是0.57 MPa，小于JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范第一册土建工程》[9]中C30型防水钢筋混凝土衬砌的强度标准(抗压设计强度20 MPa，抗拉设计强度2.2 MPa)，表明该施工模式下的隧道二次衬砌是安全可靠的结构形式。衬砌完成后隧道围岩竖向沉降情况如图12所示，衬砌内力如图13至图15所示。

图14 隧道二次衬砌剪力图Fig.14 Shear force of the tunnel lining

图15 隧道二次衬砌轴力图Fig.15 Axial force of the tunnel lining

3 监控量测

现场监测是检验隧道施工优劣最直接的方法，可采用全站仪与隧道断面检测仪进行隧道竖向沉降监测[10-11]。

自韩门隧道进洞以来，环形开挖预留核心土法应用逐步成熟，获得了较好的效果，单次掘进进尺2 m，上台阶超前开挖长度控制在20 m以内，仰拱和二次衬砌尽快完成闭合，每月进尺在60 m以上，隧道围岩状态比较稳定，衬砌结构安全。采用全站仪监测隧道竖向沉降的结果表明：监测值与计算值偏差较小，监测值整体略小于计算值，其主要原因是监测工作至少要在隧道开挖后爆破通风和清理危石结束后才能进行，其间围岩荷载将逐渐增加，并导致隧道围岩变形增加，但该变形在后期测量中很难体现出来。

图16为1号监测断面处围岩拱顶沉降监控值与计算值的对比情况。其余几个监测断面与此相同，均与计算值吻合。