破碎围岩大跨偏压连拱隧道施工方案比选及支护优化研究*

帅建国,张巧明,杨一凡,杨果林,邱明明

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 长沙 410004; 2.中南大学土木工程学院,湖南,长沙 410075)

0 引言

近年来,连拱隧道因其具有减少道路距离、避免隧道路口分幅的特点,在公路隧道建设中被广泛应用[1-3]。相比于其他隧道方案,连拱隧道施工难度大、施工工序复杂且对周边围岩影响较大[4-9]。因此,选择合理的开挖方案,对减少周边围岩的扰动、优化支护结构受力、保证隧道安全施工都具有十分重要的意义。本文以夏鹃路下穿智慧公园隧道为依托(见图1),基于工程所处的特殊环境及工况条件,对偏压条件下连拱隧道的洞口及洞身段施工方案进行论证分析,提出适应性的优化方案,并从结构安全、经济、进度等方面对不同施工方案进行全面的对比分析。同时,从有效保证隧道安全施工出发,本文对支护措施开展了技术安全性分析,以期为依托工程的顺利施工提供依据,并为类似工程的设计、建造提供参考和借鉴。

图1 隧道横断面布置

1 工程概况及难重点

1.1 工程概况

夏鹃路下穿智慧公园隧道工程(以下简称“夏鹃路隧道”)北起雪松路(桩号为K1+931.453),南至龙柏路(桩号为K2+520),与夏鹃路道路工程衔接,隧道长约320m,其中暗埋段长约280m,隧道单个主洞标准断面内轮廓面积154.39m2,主洞建筑限界宽度14.75m、高度5.5m。该隧道南北走向,横穿山体,沿线局部地段基岩裸露良好,山体植被发育,多为杂木,少量灌木,进、出口均位于山涧斜坡地段。

如图2所示,本项目场地整体地形呈南高北低,进口及洞身段呈西高东低,出口段呈东高西低,隧道区附近海拔在55.000～115.000m,相对高差60m,地形坡度35°～55°,地貌单元属剥蚀丘陵与山间洼地的过渡区域。

图2 大跨偏压连拱隧道工点

1.2 工程难点

1)大跨度、超浅埋、偏压及多断面结构 车行隧道为双向8车道连拱隧道,单洞跨径达14.7m,属超大跨径暗挖连拱隧道;覆土厚度较小,最深约 24m,埋深较浅;偏压严重,尤其在洞口段、中间镂空段表现明显;由于隧道短、地质条件复杂、大跨浅埋偏压的影响,横断面类型丰富多样,包含明洞断面、半明半暗断面和暗埋断面。

2)大隧道围岩地层条件差 隧道穿越地层从上向下分布分别为植物层、第四系新近沉积淤泥、第四系残积粉质黏土和元古界板岩,这几类地层存在一个共性,即地质较软,遇水易软化,造成隧道塌方。围岩以全风化～强风化泥质、砂质板岩为主,属软弱破碎围岩,自稳能力较差,为Ⅴ级围岩。

3)多洞口 夏鹃路隧道为1座4洞隧道,分别为左、右车行隧道+两侧东、西人非隧道,且左、右车行隧道及东人非隧道在K2+140—K2+200段为明洞,共计14个洞口,明暗洞交替频繁,合理进行隧道施工组织、安排各隧道洞口施工顺序,是确保夏鹃路隧道施工安全、高效完成的重点。

1.3 工程重点

夏鹃路隧道作为连拱隧道,且部分区段为浅埋偏压,穿越山涧,围岩整体破碎,极易崩解坍塌。隧道进出口存在半明半暗施工,均存在浅埋偏压现象,且地表东西走向地形起伏大,施工中极易出现坍塌、冒顶、初支沉降收敛、变形开裂等现象。发挥围岩自稳性,防止洞身受偏压变形位移,隧道进洞开挖时确保边坡稳定、不引起洞顶滑坡是安全控制的重点,也是制订施工方案必须考虑的关键问题。

2 施工方案比选

夏鹃路连拱车行隧道洞身围岩主要为强风化泥质板岩及中风化板岩,洞身处于软硬岩层分界线上,围岩硬度、完整性和整体性分布不均,围岩等级均按Ⅴ级考虑。针对如此复杂的地形环境,明确本次工程的重难点后,在保障隧道安全的基础上,应选择合理的施工方案保障其施工进度和经济效益。

2.1 原施工方案论证分析

本隧道设计与施工采用新奥法,开挖方法原设计建议采用双侧壁导坑法,即采用分部减跨膨胀剂预裂+机械凿除开挖掘进工艺。经实地调研和专家论证发现,采用原施工方案具有诸多不利因素。

1)分部减跨后形成的导坑尺寸小,不具备常规机械作业条件

按原设计采用双侧壁或单侧壁导坑法组织施工,导坑净宽尺寸为3.0～6m,再安装洞内风、水、供配电管线及监测点后,作业空间2.5～5.5m,导致200型与300型炮机凿除、侧翻装载机及后八轮渣土车等均无作业空间。本隧道洞身围岩主要为强风化板岩及中风化板岩,由于围岩硬度、完整性和整体性差异大,如按侧壁导坑法开挖,引起大型机械难以作业,小型机械往往造成大规模欠挖,尤其出现在拱墙脚以上1m内,炮机扩挖将造成二次挠动,安全隐患突出。

2)控制拆除侧壁支护引起的二次大变形难度大

连拱车行隧道暗洞设计采用小净距、超大跨度隧道,开挖轮廓面双洞净距3.2m,不计超挖的前提下,设计开挖轮廓面最大跨度达19.9m,洞身围岩自稳性差,控制初支大变形难度较大。设计说明建议采用双侧壁导坑法,但此工艺在浅埋段双临时支撑就位、围岩应力重分布初步完成、初支形变逐渐趋于稳定后,再先后拆除双临时支撑,引起围岩应力重分布,极易引起初支二次大变形,难以遏制的大变形可能导致隧道初支发生垮塌等安全事故。同时,通过现场实地踏勘,发现隧道洞身浅埋段上部地表分布大量当地居民的坟墓,部分坟墓为土质空穴结构,这些结构的墓穴在雨水或其他外界因素的影响下有可能垮塌,初支二次大变形则更可能加剧影响导致坟墓塌陷,势必引起当地墓主后人阻工或存在要求迁移坟墓的诉求,极有可能需增加征拆费用和影响隧道工期。

3)构件永久支护和临时支护工序转换频繁,工期将超设计总体工期

连拱车行隧道暗洞分为7部位开挖,完成单洞每个循环所有支护共需16道工序(含中导洞临时拱架拆除)。单洞平均按3d进尺1.5m计算,先行洞洞身开挖、支护需11个月时间,后行洞滞后40m进行开挖支护,车行洞完成所有初支需14个月。其中,所有临时支护的拆除是施工中的关键工序,拆除时机及第2层初支的施作时机还应根据现场监控量测确定,加上本项目进出洞口多、明洞过长,二衬施作时间还需9～10个月。本隧道为隧道群,按双侧壁或单侧壁导坑法施工开挖、初支与二衬平行作业时间≤2个月,所以主洞主体完工都将超过设计工期。

2.2 施工方案优化分析

台阶法因其灵活多变、适用性强等优点,已成为大断面隧道快速施工的主流施工方法。根据本隧道长度、跨度、结构形式和围岩情况,开挖方式采用预留核心土+台阶法(逐步过渡)。为充分保障工程实施,对优化方案优缺点进行分析如下。

1)三台阶七步开挖法优点 ①减小多次对围岩的扰动,避免由于振动造成岩石强度降低、岩石结构面松动和开挖轮廓面局部破裂等不利情况;减少对洞口浅埋段地表墓穴群干扰。②有利于保护岩体原有的自承能力,不易造成大面积变形及局部塌方;特别是在双洞大跨度隧道条件下,可最大限度消除拆除双临时支撑时动荷载引起的初支二次大变形,减少安全风险。③可采用大型机械施工便于控制超欠挖,实现隧道开挖轮廓的精确成型和开挖面光面效果;减少超挖隧道土石方数量,减少喷射混凝土数量,有利于节约超挖材料和环保,有利于减少局部应力集中点。④开挖速度快,支护效率高,施工干扰较少,可确保在计划工期内完工。

2)三台阶七步开挖法缺点 ①因本连拱车行隧道暗埋段均属于浅埋超大跨短隧道,上、下分部开挖形成的大跨度大断面需增加施工措施控制拱脚沉降、地表下沉及围岩收敛;②洞身围岩属于泥质板岩,岩体较破碎,局部呈碎块状,上、下分部开挖形成的大跨度大断面需采取施工措施缩短仰拱封闭时间,将上台阶和中台阶的仰拱(临时)及时闭合成环,确保初支及时稳定及加快消除大变形。同时,针对软弱围岩需采取相应措施稳固开挖裸面,以减少拱部掉块或掌子面失稳变形,以保证施工安全。

虽然三台阶法也具有一定缺点,但对2种开挖方法进行对比可知,三台阶法在经济、进度、安全上都优于双侧壁导坑法。因此,有必要合理改变施工工序与施工工艺,采用三台阶法进行隧道开挖。为了进一步保证这种开挖方案的安全性,特别对优化方案采取的支护方案进行技术分析。

3 优化方案对比分析

为确保台阶法施工有效可行,本文采用数值模拟方法对预留核心土环形开挖+台阶法工法配合不同支护方法下引起的拱顶下沉和围岩收敛等进行了计算分析,以进一步确定台阶法开挖在不同支护形式下的合理性和可行性。

3.1 洞口段支护力学行为分析

洞口段围岩为Ⅴ级,围岩密度取2.6g/cm3,弹性模量为5.59GPa,泊松比为0.24,内摩擦角取38.1°,黏聚力为0.6MPa。因为超前小导管起到注浆加固隧道前方未开挖岩土体的作用,本模拟通过加强岩土体强度参数的方法实现超前小导管作用(见图3)。

图3 洞口段分析模型

1)管棚+锁脚锚杆+单排超前小导管支护(方案1) 由图4a可看出,在连拱隧道洞口段采用管棚+锁脚锚杆+单排超前小导管复合支护时,围岩变形主要为拱顶下沉,隧道主洞洞周收敛较小,为1.2cm,拱顶下沉集中在2个主洞拱顶间的区域,整个区域沉降最大值为6.7cm。

图4 洞口段分析位移云图(方案1,2)

2)管棚+锁脚锚杆+临时仰拱+双层超前小导管支护(方案2) 由图4b可看出,在连拱隧道洞口段采用管棚+锁脚锚杆+临时仰拱+双层超前小导管复合支护情况下,围岩变形主要为拱顶下沉,隧道洞周收敛较小,数值为0.5cm,拱顶下沉集中在2个主洞拱顶间的区域,整个区域沉降最大值为2.7cm。

3.2 洞身段支护力学行为分析

洞身段围岩为Ⅴ级,围岩密度取2.5g/cm3,弹性模量为5.67GPa,泊松比为0.23,内摩擦角37.9°,黏聚力为0.6MPa,分析模型如图5所示。

图5 洞身段分析模型

1)双层超前小导管+锁脚锚杆支护(方案1) 由图6a可看出,在连拱隧道洞身段采用双层超前小导管+锁脚锚杆复合支护情况下,围岩变形主要为拱顶下沉,隧道洞周收敛较小,为1.3cm,拱顶下沉集中在2个主洞拱顶间的区域,整个区域沉降最大值为5.5cm。

图6 洞身段分析位移云图(方案1,2)

2)双层超前小导管+锁脚锚杆+临时仰拱支护(方案2) 由图6b可看出,在连拱隧道洞身段采用双层超前小导管+锁脚锚杆+临时仰拱复合支护情况下,围岩变形主要为拱顶下沉,隧道洞周收敛较小,为0.4cm,拱顶下沉集中在2个主洞拱顶间的区域,整个区域沉降最大值为2.4cm。

3.3 计算结果对比分析

综上所述,采用FLAC3D模拟得到的不同支护情况下隧道拱顶下沉、周边收敛最大值如表1所示。

表1 不同支护方案下隧道拱顶下沉、周边收敛最大值对比

由表1可看出:

1)在洞口段,采用管棚+锁脚锚杆+单排超前小导管的联合支护形式下,开挖完成后主洞拱顶位移最大值为6.7cm,大于隧道极限位移(隧道设计的预留变形量)的1/3,应加强支护。采用管棚+锁脚锚杆+临时仰拱+双层超前小导管的联合支护形式下,开挖完成后主洞拱顶位移,周边收敛值均小于隧道极限位移的1/3,故洞口段采用管棚+锁脚锚杆+临时仰拱+双层超前小导管的联合支护效果良好。

2)在洞身段,采用双层超前小导管+锁脚锚杆的联合支护形式下,开挖完成后主洞拱顶位移最大值为5.5cm,大于隧道极限位移的1/3,故应加强支护。采用双层超前小导管+锁脚锚杆+临时仰拱的联合支护形式下,开挖完成后主洞拱顶位移,周边收敛值均小于隧道极限位移的1/3,故洞身段采用双层超前小导管+锁脚锚杆+临时仰拱的联合支护效果良好。

4 结语

本文针对偏压连拱隧道安全快速施工问题,对某工程先后采用双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法进行了方案论证对比分析,从安全、经济和进度等方面进行了综合分析;同时,基于数值模拟方法,对洞口段和洞身段采取预留核心土+台阶法开挖条件下的支护措施进行了技术分析并进行优化。得出以下结论。

1)为确保隧道施工经济、安全和高效,在偏压条件下连拱隧道洞口段及洞身段采用预留核心土+三台阶法施工更合适。

2)在采用预留核心土+三台阶法施工方法下,在隧道洞口段采用管棚+锁脚锚杆+临时仰拱+双层超前小导管的联合支护,洞身段采用双层超前小导管+锁脚锚杆+临时仰拱的联合支护效果更好,都能大大改善施工完成后其拱顶沉降位移及周边收敛值。

3)在进行隧道施工时,应多方面根据其特点选取合适的施工方式,同时确定施工方式后选取合适的支护措施也是能安全、高效进行施工的关键。本文仅进行了部分方案对比,后续研究可在此基础上增加多种方案对比,以期为实际工程提供更多参考。