雙層初期支護(hù)在超大跨度公路隧道中的應(yīng)用

陳 瑤, 羅彥斌*, 高景明, 高栓存, 焦有智

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2.中交二公局第四工程有限公司， 洛陽(yáng) 471000)

“十三五”規(guī)劃第七篇指出：構(gòu)建橫貫東西、縱貫?zāi)媳薄?nèi)暢外通的綜合運(yùn)輸大通道，加強(qiáng)進(jìn)出疆、出入藏通道建設(shè)。可以看出，西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于加速發(fā)展時(shí)期，超大跨度公路隧道工程日益增多[1]。超大跨度隧道由于開(kāi)挖斷面大、形狀扁平，圍巖整體穩(wěn)定性較差，特別是在洞口淺埋甚至偏壓段，圍巖級(jí)別多為Ⅴ級(jí)或Ⅵ級(jí)，承載能力極低[2-3]。因此，超大跨度公路隧道合理的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)的選擇極為關(guān)鍵。在實(shí)際工程中，超大跨度公路隧道支護(hù)形式多種多樣，如采用初期支護(hù)+二次襯砌、初期支護(hù)+兩層二次襯砌、兩層初期支護(hù)+二次襯砌等，支護(hù)形式并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，給超大跨度公路隧道設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[2]。

雙層初期支護(hù)指在施作第一層初期支護(hù)的基礎(chǔ)上緊跟著施作第二層初期支護(hù)，以形成雙層支護(hù)體系，加強(qiáng)初期支護(hù)剛度和強(qiáng)度。雙層初期支護(hù)作為一種重要的支護(hù)手段，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，并取得了一定的成果。李國(guó)良等[4]研究了雙層支護(hù)在鄭西高鐵高橋隧道以小角度下穿既有南同蒲鐵路的工程應(yīng)用，得出了雙層初期支護(hù)能有效控制隧道拱部下沉及地表沉降；萬(wàn)繼志[5]通過(guò)淺埋軟弱圍巖小凈距大跨度隧道，研究了隧道主拱圈雙層初期支護(hù)施工技術(shù)，保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全；李琳琳[6]研究了雙層初期支護(hù)在大斷面軟巖隧道中的應(yīng)用，得出雙層初期支護(hù)能有效控制因初期支護(hù)大幅下沉和收斂造成的初期支護(hù)斷面沉陷；宋超業(yè)等[7]以大連地鐵2號(hào)線興工街站隧道工程為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，得出外層格柵-內(nèi)層型鋼最適合興工街車站隧道，合理的支護(hù)厚度為外層35 cm，內(nèi)層20 cm。Jia等[8]以陽(yáng)泉—礦西巷道為例，提出了一種新的巷道支護(hù)方案，即雙層緩沖和漸變的支護(hù)殼，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了該支護(hù)方案的可靠性。通過(guò)收集資料發(fā)現(xiàn)，雙層初期支護(hù)在超大跨度公路隧道中的應(yīng)用效果尚無(wú)定論，具體的雙層支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、施工中的開(kāi)挖支護(hù)方案等有很多不確定性。

現(xiàn)以新疆連霍高速(G30)小草湖至烏魯木齊段改擴(kuò)建工程為依托，對(duì)雙層初期支護(hù)在超大跨度隧道Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段(S5b型襯砌)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析了雙層初期支護(hù)對(duì)控制隧道凈空收斂和沉降的效果。

1 工程概況

1.1 隧道概況

杏花村2號(hào)隧道位于新疆烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)，路線沿白楊河河谷及連霍高速公路布設(shè)，設(shè)計(jì)為雙洞八車道高速公路隧道。隧道上行線起訖里程為SK3496+835～SK3497+214，全長(zhǎng)379.0 m；下行線起訖里程為XK3496+898～XK3497+778，全長(zhǎng)880.0 m。隧道最大開(kāi)挖寬度22.56 m，最大開(kāi)挖高度14.65 m，屬于超大跨度公路隧道[9]。

1.2 地層巖性

杏花村2號(hào)隧道下行線出口位于山體斜坡一側(cè)，線走向與坡面等高線交角約不足25°，幾乎平行于山體出洞，坡面較陡，坡角約65°。坡面基巖裸露，巖性主要為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)灰?guī)r等，巖體呈薄層-鑲嵌結(jié)構(gòu)，中風(fēng)化，其中，斷裂及其影響帶為碎裂結(jié)構(gòu)。出口處見(jiàn)有崩塌碎、塊石堆積，堆積體髙度達(dá)20 m左右，穩(wěn)定性差，見(jiàn)有掉塊、溜滑現(xiàn)象。

2 隧道支護(hù)方案

杏花村2號(hào)隧道下行線出口處于淺埋偏壓段，屬于為Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖穩(wěn)定性差，山體上還有一高壓線塔(圖1)，對(duì)控制隧道沉降要求高。若采用單層初期支護(hù)時(shí)，其剛度和承載能力明顯低于雙層初期支護(hù)，控制沉降的效果不如雙層初期支護(hù)；采用雙層襯砌時(shí)，雖然剛度比雙層初期支護(hù)大，但是需要兩部襯砌臺(tái)車，洞內(nèi)拼裝耗費(fèi)人力和時(shí)間，施工不便，施工進(jìn)度明顯下降[10-11]。考慮到以上因素，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)采用雙層初期支護(hù)進(jìn)行隧道施工，以提高初期支護(hù)的支護(hù)剛度。

選取的隧道雙層初期支護(hù)施工段為Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段(S5b型襯砌，樁號(hào)為XK3497+718～XK3497+748)。S5b型雙層初期支護(hù)襯砌斷面見(jiàn)圖2。

圖1 杏花村2號(hào)隧道下行線出口Fig.1 Downline exit of Xinghuacun No. 2 tunnel

圖2 S5b型雙層初期支護(hù)襯砌斷面Fig.2 S5b double-layer initial support lining section

3 雙層初期支護(hù)施工

3.1 施工方法及步驟

杏花村2號(hào)隧道下行線Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段(S5b型襯砌)采用上臺(tái)階中隔墻(center diaphragm, CD)法進(jìn)行施工。施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循“管超前，嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺，弱爆破，快封閉，強(qiáng)支護(hù)，先預(yù)報(bào)，勤量測(cè)，速反饋，早襯砌”的原則[5,12]。上臺(tái)階CD法施工示意圖及現(xiàn)場(chǎng)施工圖見(jiàn)圖3。

圖3 上臺(tái)階CD法施工示意圖及現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig.3 Construction sketch and site construction drawing of the upper bench CD method

圖4 雙層初期支護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Construction site of double-layer initial support

施工步驟：①開(kāi)挖先行導(dǎo)洞1部，每次開(kāi)挖進(jìn)尺3 m(6榀鋼架)，施作初期支護(hù)Ⅰ上部和臨時(shí)支護(hù)Ⅱ。待第一層初期支護(hù)超前第二層初期支護(hù)10 m時(shí)，施作第二層初期支護(hù)，每次施作10榀鋼架。內(nèi)層鋼架和外層鋼架錯(cuò)開(kāi)布置，以免應(yīng)力過(guò)于集中[13-14]，其施作后的雙層初期支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)效果見(jiàn)圖4。②待1部超前2部15～20 m時(shí)，開(kāi)挖后行導(dǎo)洞2部并拆除臨時(shí)支護(hù)Ⅱ，每次開(kāi)挖進(jìn)尺3 m，施作初期支護(hù)Ⅲ上部，其雙層初期支護(hù)的施工過(guò)程和1部一樣。③待2部超前3部20～30 m時(shí)，錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖左右下導(dǎo)3部，左右下導(dǎo)每次開(kāi)挖進(jìn)尺為3～4 m，并及時(shí)施作初期Ⅰ、Ⅲ下部。內(nèi)層鋼架與外層鋼架同時(shí)施作，內(nèi)外層鋼架與上導(dǎo)洞內(nèi)外層鋼架用螺栓進(jìn)行連接；施作完內(nèi)層鋼架之后，在鋼架內(nèi)外側(cè)施作鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)之間用電焊進(jìn)行連接；各榀鋼架之間采用螺紋鋼筋進(jìn)行連接；接著施作外層鋼架，再施作第三層鋼筋網(wǎng)，雙層鋼架施作完之后噴射混凝土。④開(kāi)挖4部，施作初期支護(hù)仰拱IV和二次襯砌V下部，仰拱每次施作6～8 m。⑤整體模筑二次襯砌V上部，二次襯砌每次施作9 m。

3.2 錨桿施工

在架立完雙層鋼架未進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)之前(圖4)，進(jìn)行錨桿施工。采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)成孔，錨桿鉆孔利用開(kāi)挖臺(tái)階搭設(shè)簡(jiǎn)易施鉆平臺(tái)。鉆孔方向盡量與圍巖和巖層主要結(jié)構(gòu)面垂直，并按照設(shè)計(jì)間距布孔。鉆孔直徑比錨桿直徑大15 mm，深度誤差不得大于±50 mm。鉆孔完成后，利用高壓風(fēng)清孔，清孔完成后，檢查開(kāi)孔孔徑、孔深、孔道傾斜度。注漿采用高壓注漿泵通過(guò)錨桿桿體預(yù)留通道接孔口注漿，注漿完成后，應(yīng)及時(shí)清洗，整理注漿用具，除掉砂漿凝聚物，為下次使用創(chuàng)造好條件。

3.3 輔助措施

隧道Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段采用超前大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。大管棚采用Φ127 mm無(wú)縫鋼管，壁厚8 mm，管棚長(zhǎng)度30 m，環(huán)向間距40 cm。鋼管布設(shè)于襯砌拱部120°范圍內(nèi)，外插角1°，管心與襯砌設(shè)計(jì)外輪廓線間距大于20 cm，平行于路面中線布置。鋼管前端呈尖錐狀，鋼管接頭采用絲扣連接，絲扣長(zhǎng)40 cm，尾部焊接Φ10 mm加筋箍，管壁四周鉆兩排Φ8 mm注漿孔。注漿漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿液，注漿壓力0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa，注漿完畢后采用M30水泥砂漿對(duì)管棚進(jìn)行填充。

3.4 雙層初期支護(hù)施工特點(diǎn)

在隧道進(jìn)行爆破開(kāi)挖，清除完掌子面的破碎巖體之后，緊跟隧道掌子面及時(shí)施作第一層初期支護(hù)，以承擔(dān)隧道開(kāi)挖后釋放的部分圍巖壓力，控制圍巖變形，發(fā)揮圍巖的自承能力；再緊跟第一層初期支護(hù)施作第二層初期支護(hù)增加支護(hù)剛度，同時(shí)與第一層初期支護(hù)形成整體，共同承擔(dān)圍巖壓力。另外，當(dāng)?shù)谝粚映跗谥ёo(hù)出現(xiàn)裂縫時(shí)，及時(shí)施作的第二層初期支護(hù)能夠有效地補(bǔ)充隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，起到穩(wěn)固圍巖的作用。

4 監(jiān)控量測(cè)及結(jié)果分析

4.1 監(jiān)控量測(cè)布設(shè)

為及時(shí)掌握隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形的動(dòng)態(tài)信息，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)監(jiān)控量測(cè)判別雙層初期支護(hù)對(duì)控制隧道沉降和收斂的效果[15]。因現(xiàn)場(chǎng)第一層初期支護(hù)與第二層初期支護(hù)施工時(shí)間間隔較短，若將變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在第一層初期支護(hù)上，無(wú)法完整的觀測(cè)到圍巖的動(dòng)態(tài)信息，故將現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在第二層初期支護(hù)上。杏花村2號(hào)隧道下行線選取的變形監(jiān)測(cè)斷面為XK3497+725、XK3497+730、XK3497+735，現(xiàn)場(chǎng)上臺(tái)階CD法變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)如圖5所示。

圖5 初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.5 Layout of monitoring points for deformation of initial support

4.2 監(jiān)控結(jié)果及分析

4.2.1 凈空收斂

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，統(tǒng)計(jì)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最大凈空收斂值和最終凈空收斂值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由于各監(jiān)測(cè)斷面的規(guī)律大體呈現(xiàn)出一致性，所以不再一一敘述，僅選擇具有代表性的XK3497+730斷面收斂時(shí)態(tài)曲線圖進(jìn)行分析，XK3497+730斷面凈空收斂時(shí)態(tài)曲線如圖6所示。

從表1可知，V級(jí)圍巖淺埋偏壓測(cè)試段總體凈空收斂值較小，主洞拱腰最大收斂值為11.8 mm，主洞拱腳最大收斂值為13.3 mm，主洞拱腳處的最大收斂值比拱腰處大，這可能是因?yàn)樗淼肋厜蓚?cè)未及時(shí)施作初期支護(hù)，導(dǎo)致隧道拱腳兩側(cè)的鋼架懸空。先導(dǎo)拱腰最大收斂值為21.6 mm，先導(dǎo)拱腳最大收斂值為18.3 mm，可以看出先導(dǎo)拱腰和拱腳的收斂值都要大于主洞拱腰和拱腳的收斂值，這是因

表1 各監(jiān)測(cè)斷面凈空收斂值監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 1 Monitoring results of clearance values of each monitoring section

圖6 XK3497+730斷面凈空收斂時(shí)態(tài)曲線Fig.6 Temporal curve of clearance convergence of XK3497+730 section

為在施工過(guò)程中，隨著后導(dǎo)掌子面的推進(jìn)，布置在臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)上的3′點(diǎn)和5′點(diǎn)容易受到爆破開(kāi)挖的影響，使該點(diǎn)向先導(dǎo)一側(cè)移動(dòng)，造成先導(dǎo)洞的收斂較大，因此先導(dǎo)的收斂不可作為安全評(píng)定指標(biāo)。

從圖6可知，V級(jí)圍巖淺埋偏壓測(cè)試段拱腳和拱腰隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，先導(dǎo)開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力逐漸釋放，先導(dǎo)洞凈空收斂隨時(shí)間迅速增大；后導(dǎo)開(kāi)挖后，主洞凈空收斂緩慢增大，待仰拱施作6 d左右后，凈空收斂逐漸趨于穩(wěn)定。可見(jiàn)，初期支護(hù)應(yīng)盡早封閉成環(huán)，形成整體，以控制隧道凈空收斂。從整體上看，隧道凈空收斂值較小，表明雙層初期支護(hù)能夠有效地約束圍巖變形，且支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠。

4.2.2 沉降

各監(jiān)測(cè)斷面的最大沉降值和最終沉降值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由于各監(jiān)測(cè)斷面的規(guī)律大體呈現(xiàn)出一致性，所以本文就不再一一敘述，僅選擇具有代表性的XK3497+730斷面沉降時(shí)態(tài)曲線圖進(jìn)行分析，XK3497+730斷面沉降時(shí)態(tài)曲線圖如圖7所示。

從表2可知，V級(jí)圍巖淺埋偏壓測(cè)試段總體沉降較小，拱部沉降大于拱腳沉降。拱頂最大沉降為22.7 mm，拱頂偏右最大沉降值為22.5 mm，拱頂偏左最大沉降為18.4 mm，右拱腰最大沉降為12.9 mm，左拱腰最大沉降為11.3 mm，右拱腳最大沉降為6.9 mm，左拱腳最大沉降為7.5 mm。主洞最大沉降為22.7 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量150 mm。隧道拱頂(0)處最大沉降的平均值為20.9 mm，大于各點(diǎn)(1、2、3、4、5、6)處最大沉降的平均值，這主要是因?yàn)樗淼拦绊斕幇l(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其所受應(yīng)力的作用比各點(diǎn)處所受應(yīng)力的作用要明顯。

表2 各監(jiān)測(cè)斷面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 2 Monitoring results of settlement of each monitoring section

圖7 XK3497+730斷面沉降時(shí)態(tài)曲線Fig.7 Temporal settlement curve of XK3497+730 section

從圖7可知，V級(jí)圍巖淺埋偏壓測(cè)試段各點(diǎn)的沉降最終都趨于穩(wěn)定。拱頂(0點(diǎn))和拱頂偏左(2點(diǎn))的沉降值在后導(dǎo)開(kāi)挖后增長(zhǎng)幅度較大，這可能是因?yàn)樵趪娚浠炷廖从不埃M(jìn)行了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，加上溫度降低的影響，使得沉降值增長(zhǎng)較快。下導(dǎo)施作后，沉降在小范圍波動(dòng)，并逐漸趨于穩(wěn)定。從整體上看，隧道沉降較小，表明雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地約束圍巖變形，且支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)杏花村2號(hào)隧道下行線Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段雙層初期支護(hù)的應(yīng)用研究，得出以下結(jié)論。

(1)Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段采用雙層初期支護(hù)的支護(hù)方案進(jìn)行施工，凈空收斂最大值為21.6 mm，沉降最大值為22.7 mm，沉降最大遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量150 mm。

(2)杏花村2號(hào)隧道采用上臺(tái)階CD法施作雙層初期支護(hù)，有效地控制了初期支護(hù)沉降和收斂，保證了淺埋偏壓段圍巖的穩(wěn)定性，為今后類似工程提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。