嚴重偏壓地形下隧道半明半暗進洞技術探討

王雪霽,尹冬梅

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,西安710075;2.河北科技大學建筑工程學院,石家莊 050043)

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展,交通基礎設施投入不斷加大,特別是高速公路進入山區后,隧道工程大量修建,然而山嶺高速公路路線走廊資源稀缺,路線往往沿河流、溝谷兩岸展線,布設隧道時經常導致洞口處隧道半邊埋深過淺甚至露空,半邊隧道埋深較大,隧道洞口地形偏壓嚴重。

目前實際工程設計中盡管比較重視洞口高邊仰坡的穩定性及防護結構[1-3],但由于路基和隧道各自專業知識的局限性,采用傳統進洞方案勢必導致路基靠山內側刷方量巨大、洞口外路基邊坡較高且段落較長、巨量卸載條件下隧道強行進洞后續病害頻發[4-6],從而造成該類隧道洞口在環境保護[7-9]、誘發工程病害和工程投資控制等方面難度較大。為了更有效地進行工程建設,有必要綜合考慮路基邊坡工程和隧道工程的相互影響,對嚴重偏壓地形下隧道半明半暗進洞方案進行研究。

以某高速公路隧道地形嚴重偏壓的洞口進洞工程為例,結合數值分析方法,對隧道半明半暗進洞方案進行研究,以期為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

某隧道右洞起訖里程為YK20+000～YK22+315,全長2 315m。采用單洞兩車道的高速公路標準設計,設計速度為80km/h,開挖跨度為12.82m,高度為10.32m,采用新奧法設計施工。隧道沿溝谷穿越埡口,隧道東側為一溝谷,出口段位于R=1 800m的曲線上,縱坡為單向坡-2.5%。

隧道右洞出口橫斷面方向地表自然坡度為44°,地質情況較差,為V級圍巖。其巖性主要為強風化砂巖,屬破碎軟巖,粉細粒結構,薄層狀構造,vp=2 220～3 120m/s,Kv=0.36,[BQ]=187.41,巖體破碎、完整性差,呈角碎狀松散結構。拱部進入第四系殘坡積層,[σo]=180kPa,雨季開挖時會有涌流狀出水現象,洞室開挖時,巖體無自穩能力,洞頂易坍塌,無支護時可能產生大的坍塌,側壁易失穩[10]。

2 隧道洞口進洞方案設計

2.1 隧道傳統進洞方案分析

按照常規隧道進洞施工方法,隧道洞周需保留一定的覆蓋層方能達到進洞條件,因此隧道進洞面至少需要開挖至YK22+292里程處才能滿足要求,該位置隧道橫斷面如圖1所示。隧道洞口臨時邊坡高達約48m。由于洞口第四系覆蓋土層較厚,下伏巖體破碎,工程中常用的錨噴臨時防護措施已不適用于該高邊坡;而且邊坡切削偏壓山體的坡腳,形成較大較陡的臨空面,加之洞內爆破開挖震動和自然降水等不利因素影響,洞口邊坡極易垮塌;因此,該高邊坡防護數量和難度巨大,一旦失穩,將造成堵塞隧道洞口、威脅隧道內進出人員和器械、追加工程投資、影響工程進度和社會影響惡劣等后果,工程施工風險增大。

YK22+292處邊坡坡口到路中線平距36m,按設計要求,在坡口外5m距離需設置截水溝,因此該處作為隧道進洞口不僅增大了公路永久用地范圍,也導致隧道天溝開挖、上料等施工難度增加。

由于隧道洞口施工和邊坡防護施工相互干擾,采用噴射混凝土對坡面進行封閉后,盡快進行隧道施工。隨著人們環境保護、水土保持、保護原生態、路容美觀等意識的增強,和樹立人與自然和諧等公路設計新理念的推廣,已不提倡大開大挖和大面積灰色防護,且公路投入營運后也極易受到坍方、落石等自然災害的威脅。

圖1 YK22+292處隧道橫斷面(單位:m)Fig.1 Cross-section of tunnel at YK22+292(m)

2.2 半明半暗進洞方案設計

偏壓地形下若降低靠山內側的路基邊坡高度,隧道靠山體外側通常會呈“露天”狀態,為了解決這一矛盾,可以通過人工補做護拱的方式使隧道成洞。根據該隧道洞口實際地形地質情況,綜合考慮地表覆蓋層厚度和邊坡高度,以護拱拱腳落到相對堅實的坡體上和洞頂刷坡高度不高于5 m為宜,設計YK22+310～+292段采用半明半暗方案施工,施工示意圖見圖2。

圖2 半明半暗施工示意圖Fig.2 Sketch of construction of half-buried tunnel

施工步驟:

1)首先進行少量邊坡開挖,并逆作邊坡防護,邊開挖邊防護。開挖時盡量采用機械配合人工開挖,遇孤石或大塊巖體時,采用局部微震爆破。邊坡則采用噴、錨、網防護,其中噴射混凝土厚10cm。當護拱長度較短,護拱腳位于隧道中線靠山外側時,如圖2(c)所示,錨桿防護尤顯重要,施工中適當加長錨桿長度,采用4.5m長錨桿,100 cm×100cm梅花形布置,并將錨桿防護范圍向坡口外側山體原地表適當擴大。

噴錨網防護的主要部位是隧道洞周外的邊坡部分,洞內范圍坡面視其穩定性做適當防護,采用5cm厚C20噴射混凝土進行表層封閉。

2)耳墻及護拱的施工。護拱為60cm厚帶耳墻的C25鋼筋混凝土結構,內預埋I 20a型鋼拱架,縱向間距60cm,與隧道初期支護鋼拱位置相同,鋼拱架間采用 φ20二級鋼筋連接,護拱部分的鋼拱架兩側滿鋪φ8鋼筋網。護拱上下緣分別布置 φ22二級鋼筋,為環向受力主筋,沿隧道縱向間距20 cm;沿預埋的鋼拱環向間距30cm布置 φ12的三角形箍筋,與護拱外側主筋相連;架立筋和分布鋼筋按構造配置。護拱上部的擋土耳墻與護拱分開澆注,并預留鋼筋接頭,澆注混凝土時精細施工,避免出現空洞。

3)護拱與山體交接處,采用2根 φ50注漿錨管對每榀預埋的鋼拱架進行鎖定,該處拱腳要求焊接連接鋼板及螺栓,待暗洞開挖時與初期支護鋼拱架連接。澆注護拱混凝土時,采用木板或泡沫板對連接鋼板進行保護,使之與混凝土隔離。

4)耳墻、護拱施工完成后采用人工夯填土石對護拱上方空間進行反壓回填,填土表實施綠化,拱頂回填按50～80cm厚分層壓實,壓實度不小于85%。

5)洞外工程完成后,即進行洞內施工。先施工暗洞部分的 φ50超前注漿鋼花管,部位為暗洞的拱部120°范圍。按照上下臺階法,根據I 20a鋼拱架間距60cm進行逐榀鋼拱位置的開挖、初噴,暗洞鋼拱架與護拱內鋼拱架栓接后焊接牢靠,并采用噴射混凝土將接頭位置噴實,噴射混凝土厚度26cm。暗洞鋼拱上下斷面落腳時,采用2根4.5m長 φ22砂漿錨桿進行鎖腳。系統錨桿與鋼拱架焊接以提高拱架的橫向穩定性和承載能力。開挖落底緊跟,仰拱鋼拱封閉成環后,立即施作仰拱及仰拱充填。

6)最后進行防排水層、二次襯砌(厚度50 cm)施工。

3 半明半暗進洞方案施工過程的數值模擬

為了評價進洞方案的可靠性,掌握施工過程中圍巖、支護結構力學狀態的變化情況,以便給設計和施工提供指導,對該進洞方法按分步開挖、支護的全過程進行了平面應變有限元數值模擬。分析過程中視圍巖為彈塑性材料,圍巖所處狀態采用摩爾-庫侖準則進行判定,初始地應力由重力場形成,開挖荷載釋放系數由掌子面大小及距離掌子面的遠近共同確定,各材料參數取自規范和地質勘察報告成果。

隧道初期支護采用梁單元,錨桿采用植入式桁架單元,圍巖、回填土、耳墻及護拱采用平面應變單元。有限元模型如圖3所示,共由10 403個節點和10 323個單元組成。施工過程為1)邊坡開挖、2)邊坡支護、3)施工耳墻護拱和拱頂回填 、4)隧道洞內上臺階開挖 、5)隧道洞內上臺階錨桿、6)隧道洞內上臺階初期支護、7)隧道洞內下臺階開挖、8)隧道洞內下臺階錨桿、9)隧道洞內下臺階初期支護,共9個施工步驟。

圖3 有限元計算模型Fig.3 Finite element calculation model

3.1 隧道支護結構力學變化分析

1)隧道施工完成時第一主應力和第三主應力如圖4所示。

圖4 隧道施工完成時第一主應力和第三主應力云圖Fig.4 Cloud maps of the first principal stress and the third principal stress when the construction of the tunnel is completed

根據計算結果,護拱結構最大拉應力在護拱澆注及拱頂回填完成時位于隧道拱部內側,數值較小(0.8 MPa),隨著施工步驟的進行,拱部拉應力逐漸減小,最大拉應力位置向護拱腰部偏上側轉移,隧道完成后,護拱最大拉應力為1.99MPa,超過C25混凝土抗拉強度設計值,結構配置抗拉鋼筋。

護拱最大壓應力的分布隨著施工步驟的進行,逐步向護拱肩部內側和腰部內側集中,最大壓應力3.1 MPa,滿足C25混凝土抗壓強度設計值。

2)初期支護彎矩隨施工過程的變化

如圖5所示。

隧道上臺階支護完成時,初期支護彎矩最大值為2.433kN?m,位于鋼拱架鎖腳位置;隧道支護完成時,初期支護彎矩最大值為3.343 kN?m,位于隧道靠山內側拱腳處;初期支護采用26cm厚C25噴射混凝土,內置I 20a@60cm的鋼拱架,能夠滿足強度要求。

隧道上臺階施工的系統錨桿中軸拉力最大值為37k N,下臺階施工的系統錨桿中軸拉力最大值為66 kN,均能夠滿足強度要求。

3.2 施工過程中的位移變化規律

圖6所示,隧道拱部圍巖向洞內臨空面位移較大,其中護拱拱頂向山體外側水平位移1.904mm,豎直向下位移3.419mm,仰拱底鼓;護拱腰部向山體外側水平位移2.186mm,豎直向下位移1.619 mm;靠山側初期支護腰部向山體外水平位移1.941 mm,豎直向下位移4.311mm;耳墻向外側位移明顯,整體呈弧狀,表明其與初期支護組成的支撐系統承受了較大的山體推力。

圖5 初期支護彎矩隨施工過程的分布變化Fig.5 Distribution of bending moment of primary reinforcement,which varies along with the construction process

圖6 隧道施工完成后的位移分布Fig.6 Distribution of displacement when the construction of the tunnel is completed

3.3 整體穩定評估

按照強度折減理論對原山體模型、臨時邊坡方案和反壓護拱方案的模型分別進行了整體穩定分析,如圖7。為了簡化模型方便比對,未模擬山體第四系覆蓋層,模型中山體全部按照V級圍巖考慮。計算結果:原山體模型坡體安全系數K=1.969;臨時邊坡方案安全系數K=1.779,刷坡后潛在的破壞面通過邊坡坡腳;反壓護拱隧道成洞后潛在的破壞面與原山體模型坡面的潛在破壞面幾乎相同,安全系數K=1.928。

表明隧道半明半暗進洞方案能夠最大程度地減少山體擾動,有效地降低由于工程施工誘發邊坡病害的可能。

圖7 潛在破壞位置Fig.7 Positions of potential failures

4 半明半暗進洞方案應注意的事項

根據數值模擬分析結果,隧道半明半暗進洞施工方法能夠有效地平衡山體推力,減少工程引發的邊坡病害,控制圍巖塑性區的發展,但在該方案設計和實施過程中,應重點注意以下幾個方面:

1)洞頂邊坡及山體應錨固良好,形成能夠承受一定荷載的整體。

2)護拱與暗洞洞周圍巖位移差別較大,護拱拱腳應特別注意加強鎖腳強度和錨固質量,保證荷載能夠有效地傳遞。

3)半明半暗段暗洞的上下臺階拱腳均為應力集中位置,應注意鋼拱架落腳落在實處,鎖腳錨桿及時施作。

4)根據分析結果,耳墻基礎在施工過程中受力復雜,屬薄弱部位,開挖后應視基礎位置地基承載力情況決定是否進行處置。

5)當半明半暗段落較長時,可充分利用巖土的時空效應,分段落進行開挖和施工反壓護拱。

5 結論

1)實踐和研究結果表明隧道半明半暗進洞方案能夠有效地平衡山體推力,解決由洞口大刷大挖引發的一系列的問題,較好地適應偏壓地形,保證隧道進洞安全,滿足環境保護和水土保持的要求。

2)本次研究的隧道洞口位于自然坡度為44°的山坡坡腳,原山體本身并無滑坡、垮塌等地質災害,因此方案中的反壓護拱主要承受由隧道開挖引起的圍巖松馳及變形的壓力,對洞口段存在諸如滑坡等地質病害和軟弱土體的隧道進洞方案應結合數值分析謹慎選擇。

3)通過計算分析,提出了半明半暗進洞方案中鋼筋混凝土護拱強度、上臺階拱腳和耳墻基礎的穩定性要求,為工程實施提供了理論支撐。

4)目前該隧道洞口已安全順利進洞,未發生工程病害,可為同類工程參考。

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