双连拱隧道无导洞施工技术及变形特征研究

2023-12-12华成龙张奎红

中国安全生产科学技术 2023年11期

刘晓,陈跃,周飞,华成龙,张奎红

(1.中交基础设施养护集团工程有限公司,北京 100102;2.长安大学公路学院,陕西西安 710064)

0 引言

双连拱隧道因其跨度较大、结构受力复杂、渗漏水突出等问题,在隧道工程中逐渐被分离式、小净距等隧道形式替代,但在部分特殊地段,受地形和线路选择的影响,双连拱是隧道形式的最优选择。

大部分双连拱隧道施工采用导洞施工工艺,蔡来炳[1]通过对国内连拱隧道进行调研发现,采用中导洞和三导洞施工占比达81%。文献[2-3]采用导洞法修建双连拱隧道,发现连拱隧道在施工过程中工序对结构受力会产生影响。文献[4-6]对连拱隧道的开挖顺序进行研究,认为非对称开挖对结构受力较为有利。刘新荣等[7]模拟三导洞法开挖黄土隧道,发现各阶段导洞开挖会引起位移的突变。文献[8-9]对连拱隧道开挖过程的受力变形进行分析,并提出合理的开挖顺序。张春洪等[10]研究双连拱隧道开挖阶段初支和二衬受力,发现后行洞的施工会对先行洞的围岩产生扰动,使先行洞围岩发生多次应力重分布,造成先行洞受力比后行洞受力大且变化更为复杂。双连拱隧道施工以中导洞法居多,在部分变形控制要求高的工程中主要采用三导洞法,但导洞法存在施工工序繁多、施工工期较长和工程造价较高等问题。

为避免以上问题,无导洞施工工艺逐渐成为工程师新的探索方向。文献[11-12]把连拱隧道当作2个独立的单洞,通过注浆、铺设钢筋网等方式对中墙处围岩进行加固保护。文献[13-15]将先行洞的开挖范围扩大,中隔墙与先行洞的支护同时施作,该方法对中隔墙的型式要求较低,受力不对称容易造成结构偏压。文献[16-18]将连拱隧道两洞的支护结构搭接,形成一套支护体系,这种结构对搭接处的支护强度要求较高,并且容易造成应力集中的问题。卢小刚等[19]分析无导洞法施工时连拱隧道的力学行为,并对其施工参数进行优化。程晓辉等[20]针对无导洞法施工的连拱隧道病害进行研究,分析衬砌开裂原因。

无导洞法主要以扩大先洞开挖范围或中墙位置不开挖等方式为主,存在结构受力不对称、中墙承载力不足等问题。因此,本文以潘口连拱隧道为依托,结合现场施工技术与数值模拟方法,对无导洞施工隧道的变形特征进行研究。研究结果可为相关隧道施工提供技术支撑。

1 工程背景

1.1 工程概况

潘口隧道位于竹山县潘口乡,隧道起讫桩号为(K297+882)～(K298+120),隧道全长238 m,为双洞连拱隧道,隧道埋深2.3～53.5 m,最大跨度24.6 m。潘口隧道以中风化炭质千枚岩为主,上覆有强风化炭质千枚岩和第四系全新统残坡积层,图1所示为隧道地质剖面图。

图1 隧道地质剖面图Fig.1 Geological profile of tunnel

1.2 隧道施工方案

隧道在设计之初采用中导洞法施工,出口段用中导洞法开挖30 m后,根据隧道围岩与现场施工情况采用无导洞法施工。无导洞施工具有以下优势:

1)降低隧道的整体造价,节省项目建设成本。

2)减少施工工期,隧道工期由原方案12个月缩短至8个月。

3)减少后期二衬施工的质量隐患。

4)能够有效缓解中墙顶部渗漏水问题,图2～3为2种工法中墙顶部结构示意。

图2 中导洞法支护结构示意Fig.2 Schematic diagram of support structure with middle guide hole method

图3 无导洞法支护结构示意Fig.3 Schematic diagram of support structure without guide hole

从隧道出口单口掘进,以隧道左洞作为先行洞。当先行洞施工进展到100 m时,开始从出口向进口施作右洞。在右洞进尺达到40 m,开始施作仰拱;为减小右洞爆破对左洞二衬的影响,右洞进尺达到70 m时,左洞二次衬砌开始施作,左洞二次衬砌浇筑完成50 m开始施作右洞二次衬砌。隧道具体施工进尺如图4所示。

图4 无导洞法施工进尺示意Fig.4 Schematic diagram of construction footage without guide hole

在开挖左洞下台阶接近中隔墙位置时,进行钻孔并穿Φ22 mm横向对拉钢筋,保证钢筋间距为0.3 m,钢筋在左洞拱架处弯折并与拱架焊接。当左洞进尺达到100 m,开始对右洞洞身进行开挖施工,右洞靠近中隔墙位置采用机械开挖,每次开挖进尺为2 m,同时施作双层Φ22 mm竖向钢筋及Φ22 mm纵向钢筋,纵向钢筋间距为0.3 m,形成纵向钢筋、竖向钢筋及横向对拉钢筋的整体支撑系统,图5所示为中墙的配筋图。

图5 中墙钢筋设计示意Fig.5 Design of middle wall steel bar

中墙混凝土在浇筑过程中,顶部间隔5 m斜向安装注浆导管,进行注浆填充,拆模后及时挂钢筋网并进行喷射混凝土支护,使右洞初支与中墙形成一个整体,图6为现场中墙施作照片。

图6 隧道现场中墙施作Fig.6 Construction of middle wall in tunnel site

2 隧道施工模拟

2.1 计算模型与参数

为分析无导洞法施工时隧道现场监测的变形特征,利用有限差分软件FLAC3D模拟连拱隧道在不同工法下的变形特征,隧道最大埋深为53.5 m,考虑埋深与围岩条件对隧道变形的影响,分别建立Ⅳ、Ⅴ围岩条件下15,25,35,45,55 m埋深无导洞法与中导洞法施工工况,图7为隧道埋深45 m的模型尺寸示意。

图7 隧道模型尺寸示意Fig.7 Schematic diagram of tunnel model size

模型采用位移边界条件,上表面为自由面用来模拟地面,对侧面固定水平方向的变形,对模型底面固定竖向变形,隧道掘进方向沿Y轴正方向。表1所示为隧道围岩与支护的物理力学参数。

表1 隧道围岩及支护物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and support of tunnel

2.2 施工方案模拟

根据隧道现场施工方案,在FLAC3D软件中模拟隧道施工过程。为研究不同施工方法对隧道变形规律的影响,建立中导洞和无导洞施工2种工况,隧道采用无导洞法和中导洞法施工工序如表2所示。对双连拱隧道采用无导洞法开挖模拟方案如图8所示,中导洞法模拟方案如图9所示。

表2 隧道模拟开挖工序Table 2 Simulated excavation process of tunnel

图8 施工模拟方案示意Fig.8 Schematic diagram of construction simulation scheme

图9 中导洞施工模拟方案Fig.9 Simulation scheme of middle guide hole construction

3 隧道结构变形特征分析

3.1 拱顶沉降结果分析

通过分析不同工况计算结果,发现到隧道左洞与右洞的最终拱顶沉降值基本一致,如图10所示。

图10 拱顶沉降结果Fig.10 Vault settlement results

由图10可知,隧道采用中导洞法施工时,拱顶沉降变形值小于无导洞法施工,且围岩条件越差、埋深越大时,2种方法的拱顶沉降差值越大,说明无导洞法施工更适用于围岩条件较好的地层。

在埋深45 m时隧道采用不同工法模拟施工得到的竖向位移云图如图11所示。

图11 竖向位移云图Fig.11 Cloud diagram of vertical displacement

由图11可知,相比于中导洞法,无导洞法施工沉降变形较大,无导洞法竖向变形左右不对称。

选取隧道埋深45 m时左右洞拱顶沉降变形结果,对隧道施工过程中的变形具体分析。隧道施工时拱顶沉降变形曲线如图12所示。

图12 无导洞施工拱顶沉降变形曲线Fig.12 Settlement deformation curve of vault in construction without guide hole

分析右洞开挖对左洞竖向变形的影响,令左洞受右洞扰动变形占比为η,计算公式为式(1),在无导洞开挖时,不同埋深及围岩条件下的η结果如表3所示。

表3 扰动变形结果Table 3 Disturbance deformation results

(1)

式中:h1为左洞开挖时左洞的拱顶沉降值,mm;h2为左右洞开挖完成时左洞的拱顶沉降值,mm。

由表3可知,Ⅳ围岩比Ⅴ围岩扰动变形占比小,且随埋深的增加,受扰动变形比越小,说明隧道围岩条件越好、埋深越大,右洞对左洞的施工扰动影响越小。

对比无导洞法与中导洞法施工时隧道拱顶沉降结果,发现2种方法的隧道沉降相差较小,由于无导洞施工中墙采用后行洞开挖施作,无导洞法施工时右洞与左洞的相互扰动较为明显,所以无导洞施工的关键是控制右洞和中墙的开挖扰动。

3.2 水平位移结果分析

对隧道开挖时在水平方向上的位移进行监测,得到Ⅴ围岩45 m埋深时无导洞施工时水平位移的监测结果如图13所示。

图13 无导洞施工水平位移曲线Fig.13 Horizontal displacement curve of construction without guide hole

由图13可知,在左洞施工阶段,B测点有水平向右的位移,C测点有向左的位移。在右洞开挖后,右侧围岩压力减小,2个测点的位移方向发生改变。隧道在水平方向上的演化过程如图14所示。

治愈各症状消失,体征无异常。显效症状明显好转,体征明显改善。有效症状及体征改善。无效症状及体征改善不明显[4]。

图14 隧道水平收敛演化示意Fig.14 Schematic diagram of tunnel horizontal convergence evolution

分别监测左洞和右洞的水平位移变化情况,得到Ⅴ围岩45 m埋深时中导洞法施工时水平位移的监测结果如图15所示。

图15 中导洞施工左洞水平位移曲线Fig.15 Horizontal displacement curve of left hole in construction with middle guide hole

中导洞法施工时,隧道左右洞的水平位移曲线较为对称,C、E测点的位移较小,B测点有向右的位移,F点有向左的位移,隧道左洞的最终收敛值为25.4 mm,右洞的最终收敛值为29.2 mm。

对比无导洞法和中导洞法施工时隧道的水平位移特点,发现无导洞施工的水平收敛值比中导洞法小,但分析其位移时程曲线可以发现,在水平方向,隧道结构有不同方向的位移,对结构稳定性不利,可能是由于后行洞开挖造成先行洞一侧卸荷,导致结构受力不对称。

3.3 现场监测结果分析

选取现场进口段、洞身段和出口段各2个断面的变形监测结果进行分析,其监测结果、围岩分级及埋深如表4所示。

由表4可知,隧道在进口与出口段拱顶沉降值最大为84.1 mm,出口段右洞水平收敛值最大为110.6 mm,洞口段拱顶沉降值最大,是由于洞口段围岩破碎、稳定性差造成的。

现场隧道监测结果如图16所示。隧道左洞沉降变形与收敛变形均大于右洞,设左洞超出右洞变形为扰动变形,则隧道左洞受扰动沉降占总沉降变形的53.3%,围岩条件越好、埋深越大,隧道沉降值越小。Ⅳ围岩段右洞与左洞收敛变形差占总收敛的比值为57.7%,Ⅴ围岩段右洞与左洞收敛变形差占总收敛的比值为23.8%,说明在水平方向上Ⅳ围岩段左洞与右洞的相互影响更明显。