小關(guān)大跨度連拱隧道的設(shè)計(jì)與施工

小關(guān)大跨度連拱隧道的設(shè)計(jì)與施工 【提　要】：小關(guān)隧道屬貴陽(yáng)市中心環(huán)北線項(xiàng)目關(guān)鍵工程之一，大跨連拱、型式新穎受力復(fù)雜并穿越斷層地帶。本文就洞口和襯砌等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作一探討，并對(duì)施工階段的相互影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，最后就施工事項(xiàng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。【關(guān)鍵詞】：大跨連拱隧道斷層中隔墻Abstract: The project under question, Large span project at Xiaoguan, is one of the key projects for Ring Line North . Long span, with multi-arch , brand new configuration , complicated in force bearing, and the project is situated in fault zone. This paper makes a brief description of construction at portal, and lining jobs.Keywords: long span tunnel， faulty zone， middle bulkhead.　　1　工程概況 小關(guān)隧道全長(zhǎng)273m，是貴陽(yáng)市中心環(huán)北線項(xiàng)目的關(guān)鍵工程之一。隧道最大埋深為75m，局部地形陡峻；進(jìn)、出口端均淺埋于Ⅱ類(lèi)圍巖中，地表為第四系殘積粘土層，厚0～2m，局部為斷層破碎物質(zhì)，下伏基巖為三疊系中疏松泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r，因此地質(zhì)條件很差。其中進(jìn)出口端的斷層陡傾，節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀變化大，巖體破碎，且軟硬質(zhì)巖石相間，當(dāng)?shù)乇硭赜操|(zhì)巖滲透到軟硬巖交匯處時(shí)，會(huì)迅速降低巖石的物理力學(xué)和化學(xué)性能，在掘進(jìn)過(guò)程中易引起坍方掉塊。 隧道穿越城市山嶺，受地理因素所限，上、下行線路無(wú)法分離，故設(shè)計(jì)成雙跨連拱隧道形式。有關(guān)尺寸參見(jiàn)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的高速公路山嶺地區(qū)隧道建筑限界，中直墻厚2m，上縱坡度為3‰。 2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1　洞口設(shè)計(jì) 小關(guān)隧道進(jìn)出口端均位于Ⅱ類(lèi)圍巖地段，進(jìn)口段地形等高線與線路中線成45°斜交，洞口上方左低右高的地形易產(chǎn)生偏壓。設(shè)計(jì)的連拱形式毛洞寬24m，洞頂兩側(cè)地表高差7～8m，為抵抗偏壓修建了明洞，長(zhǎng)7m；洞門(mén)采用柱式結(jié)構(gòu)，能起到抵擋仰坡下滑和增強(qiáng)端墻穩(wěn)定性的作用，同時(shí)作建筑藝術(shù)的效果處理，右側(cè)高邊坡處設(shè)置10m長(zhǎng)的擋墻，以降低邊坡高度。出口也相應(yīng)修建5m明洞,同樣采用柱式洞門(mén)結(jié)構(gòu)，在邊坡高度已滿足隧規(guī)要求的情況下省略擋墻布置，并在兩端運(yùn)用管棚進(jìn)洞的輔助措施。 2.2　襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙跨連拱結(jié)構(gòu)形式，中隔墻為直線形，兩側(cè)邊墻為曲線，邊墻與拱圈內(nèi)輪廓為單一的圓弧。依據(jù)新奧法原理指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工，襯砌結(jié)構(gòu)采用復(fù)合形式，支護(hù)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。圖1　連拱隧道村砌結(jié)構(gòu)圖 Ⅱ類(lèi)圍巖區(qū)域圍巖松軟，施工中周邊圍巖松動(dòng)及位移不可避免，故在設(shè)計(jì)中采用I18型鋼鋼架支撐，并用熱軋無(wú)縫鋼管?42mm的超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)。襯砌初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴形式，二襯定為鋼筋砼結(jié)構(gòu)。Ⅲ類(lèi)圍巖段設(shè)置鋼花拱，可防止拱部產(chǎn)生較大的坍塌，同時(shí)也能保持側(cè)壁的穩(wěn)定，二次模注襯砌與Ⅱ類(lèi)厚度等同。主要支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　主要支護(hù)參數(shù)

	預(yù)加固	附加措施	初期支護(hù)	模柱襯砌		中墻頂部
				拱、墻	中墻、仰拱
Ⅱ類(lèi)圍巖	超前小導(dǎo)管	I18號(hào)型鋼	錨噴，厚25cm	25號(hào)鋼筋砼	25號(hào)素砼	鋼筋砼支墩
Ⅲ類(lèi)圍巖	超前錨桿	鋼花拱	網(wǎng)噴，厚25cm
明洞	/	/	/	25號(hào)鋼筋砼

3　數(shù)值模擬 3.1　計(jì)算原理與模型 采用空間彈塑性有限元方法對(duì)施工的不同階段進(jìn)行模擬計(jì)算。巖土類(lèi)材料屈服條件表示為f(σ)＝K(k)，計(jì)算時(shí)采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，建立其本構(gòu)方程，然后由求得的各高斯點(diǎn)的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)確定隧道圍巖塑性區(qū)范圍。 Ⅱ類(lèi)圍巖淺埋隧道段向上計(jì)算范圍取至地表，計(jì)算時(shí)不同巖體視為均勻介質(zhì)，隧道圍巖、初期支護(hù)用平面等參數(shù)單元模擬，二次襯砌錨桿分別用梁?jiǎn)卧洼S力桿單元近似模擬。圖2、圖3即為相應(yīng)的襯砌內(nèi)力示意圖。（a） 軸力圖(單位：kN)（b）彎矩圖（單位：kN） 3.2　結(jié)果分析 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。表2　Ⅱ類(lèi)圍巖不同施工階段洞室收斂位移及洞室周邊圍巖最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

施工階段	最大位移（㎜）				收斂比（％）		圍巖中最大主應(yīng)力（KPa）
	豎直		水平
	拱頂	隧底	中墻	邊墻	水平	拱頂
左洞開(kāi)挖后	-0.351	0.609	0.397	0.229	0.001	0.004	2080.2
左洞封閉式襯砌完	-0.204	1.342	0.407	0.235	0.002	0.003	2265.8
右洞開(kāi)挖后	-0.454	2.274	1.434	0.406	0.004	0.005	1964.0
右洞封閉式襯砌完	-0.732	2.628	0.439	-0.399	0.007	0.009	2920.5

表3　Ⅲ類(lèi)圍巖不同施工階段洞室收斂位移計(jì)算結(jié)果

施工階段	最大位移（㎜）				收斂比（％）
	豎直		水平
	拱頂	隧底	中墻	邊墻	水平	拱頂
左洞開(kāi)挖后	-1.914	1.335	1.138	0.619	0.001	0.021
左洞封閉式襯砌完	-3.178	6.162	1.896	1.461	0.003	0.041
右洞開(kāi)挖后	-3.413	6.338	1.898	1.448	0.016	0.044
右洞封閉式襯砌完	-4.183	7.052	1.005	-1.394	0.019	0.054

計(jì)算中進(jìn)行了不同施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移以及周邊塑性區(qū)情況、錨桿受力的分析。計(jì)算結(jié)果表明： 1) 計(jì)算所得的塑性區(qū)圖顯示在施工階段和施工完畢后，隧道周邊圍巖中的破壞域主要集中在直邊墻、中隔墻頂部和墻腳、拱腳部位。據(jù)此認(rèn)為，在設(shè)計(jì)中采取了小導(dǎo)管注漿和錨桿加固的措施以確保施工過(guò)程中洞室的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的安全性是必要的。 2) 由于“收斂比”這一參數(shù)能較全面地反映圍巖應(yīng)變性態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)，且根據(jù)表1所得的結(jié)果，不同施工階段洞室的收斂比遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，可見(jiàn)隧道在施工過(guò)程中處于安全狀態(tài)。 3) 計(jì)算錨桿受力時(shí)顯示其受力并不大，所受拉力都在12kPa以下。在用不同施工階段的錨桿受力圖也顯示后挖洞對(duì)已成洞的影響不是很大，更不會(huì)危及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 4) 在開(kāi)挖第一個(gè)洞時(shí)，中隔墻部位出現(xiàn)了少許拉應(yīng)力；兩洞全部完成后，拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在中隔墻頂部，通過(guò)計(jì)算隧道洞周及中隔墻部位在各計(jì)算點(diǎn)的強(qiáng)度安全系數(shù)，均達(dá)到了規(guī)范的要求，不影響結(jié)構(gòu)安全。由求得的內(nèi)力圖知，后挖洞的施工會(huì)使建成洞的內(nèi)力增加，但在支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下沒(méi)有增加太大。 4　隧道施工 4.1　施工方法及其重點(diǎn) 施工方法采用三導(dǎo)洞先墻后拱開(kāi)挖方式，主要施工步驟見(jiàn)圖4，包括：①開(kāi)挖中央導(dǎo)坑與臨時(shí)支護(hù)；②修筑中隔墻；③左旁側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖與臨時(shí)支護(hù)；④挖左洞及施作初期支護(hù)；⑤修筑左洞二次初期；⑥左洞下部及仰拱開(kāi)挖；⑦修筑左洞仰拱；⑧右旁側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖與臨時(shí)支護(hù)；⑨挖右洞及施作初期支護(hù)；⑩修筑右洞二次初期；右洞下部及仰拱開(kāi)挖；修筑右洞仰拱。 掘進(jìn)中按短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、模筑襯砌緊跟原則進(jìn)行，先開(kāi)挖的洞室在完成作業(yè)時(shí)，應(yīng)及時(shí)作好初期支護(hù)和二次襯砌，并盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，使噴錨支護(hù)和圍巖一起形成自穩(wěn)承載圈。在后挖隧道時(shí)，要盡量減少爆破對(duì)已建成結(jié)構(gòu)的損傷，并加強(qiáng)監(jiān)控。在埋深淺、圍巖弱的情況下，應(yīng)及時(shí)施作仰拱，以便襯砌與仰拱能夠盡早形成一個(gè)閉合結(jié)構(gòu)，整體受力。對(duì)隧道的防排水、照明和消防等步驟，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)要給予重視，避免由人為疏忽所造成的損失。 4.2　施工監(jiān)測(cè) 施工監(jiān)測(cè)是新奧法的基本要素之一，而且是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、保證施工安全的重要手段，因此從中導(dǎo)坑開(kāi)始施工起，應(yīng)按本設(shè)計(jì)的量測(cè)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行信息反饋，指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。 5　結(jié)語(yǔ) 小關(guān)隧道已于2002年底基本建成，這表明先開(kāi)挖中導(dǎo)洞對(duì)于雙跨連拱隧道施工來(lái)說(shuō)是一個(gè)十分合理的方案，并在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。 由于雙跨連拱結(jié)構(gòu)對(duì)周邊圍巖存在著多次擾動(dòng)，特別是在中隔墻頂部存在著受力復(fù)雜的塑性區(qū)，因此，在設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)格外重視中隔墻的受力平衡及其穩(wěn)定，應(yīng)把中隔墻與仰拱、正洞拱部的鋼筋焊接為一個(gè)整體，便于受力。為避免中隔墻上部的圍巖遭破壞，修筑好的中隔墻宜用支撐頂住兩旁的坑壁；并處理好中隔墻的基底和保證中隔墻頂部回填密實(shí)，待其達(dá)到強(qiáng)度后才能拆除中導(dǎo)洞底邊墻及部分拱部臨時(shí)支護(hù)。 小關(guān)大跨連拱隧道穿越斷層等軟弱圍巖地段的成功實(shí)例可以為其他類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)與施工提供有益的參考和借鑒。 當(dāng)然，中隔墻頂部滲漏水在現(xiàn)有的隧道施工中一直未得到徹底根治，繼續(xù)探討尤為必要；其次，建造工序繁瑣，有必要研究如何在確保安全穩(wěn)定的同時(shí)減少工序和縮短工期，比如像單導(dǎo)洞開(kāi)挖方案等等。 參考文獻(xiàn) ［1］ JTJ026-90，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］ ［2］ 潘昌實(shí). 隧道力學(xué)數(shù)值方法 ［M］. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1995 ［3］ 王毅才. 隧道工程 ［M］. 北京：人民交通出版社，2000 ［4］ 孫鈞. 地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐 ［M］. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1996，12 ［5］ 劉洪洲，黃倫海. 連拱隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］. 西部探礦工程，2001，1 ［6］ 余曉琳，黃小華，彭立敏. 軟弱圍巖條件下連拱隧道施工階段的受力分析［J］. 西部探礦工程，2002，4