大管棚在大斷面極淺埋隧道中的應(yīng)用研究

(成都華川公路建設(shè)集團(tuán)有限公司, 四川 成都 610091)

0 引言

與高速公路隧道單一的地質(zhì)問題不同，城市隧道往往具有斷面大、周邊環(huán)境復(fù)雜、埋深極淺等特點，設(shè)計及施工的理念有別于普通的山嶺隧道，特別是對周邊環(huán)境的保護(hù)尤為重要，否則容易導(dǎo)致施工受阻。大斷面極淺埋隧道容易發(fā)生冒頂垮塌，在隧道上方建立一層保護(hù)殼是防止隧道塌方的關(guān)鍵所在，本文以清風(fēng)隧道為工程實例，對隧道上方的保護(hù)殼進(jìn)行了探討。

1 工程概況

清風(fēng)隧道為城市超大斷面雙向8車道隧道，左、右線之間的距離為10 m，隧道寬度為15 m，分上、下2層，上層為城市主干道，設(shè)計時速為60 km/h，下層為人行道；隧道較短，其中左線長65 m(最大埋深8 m)，右線長95 m(最大埋深12 m)，區(qū)域地質(zhì)以全風(fēng)化板巖為主，考慮到隧道上方存在著較多國家重點保護(hù)的古樹，明挖法會破壞隧道上方的古樹，因此本隧道采用暗挖法通過。但由于隧道具有斷面超大、地質(zhì)極差、埋深極淺等難點，為了保證隧道的施工安全及防止隧道發(fā)生垮塌，在隧道上方形成一加固圈(保護(hù)殼)尤為重要，鑒于隧道右線較長，本文以隧道右線為工程實例，對隧道上方加固圈進(jìn)行探討。隧道襯砌設(shè)置型式見圖1，初期支護(hù)為30 cm厚C25噴射混凝土，二襯為70 cm厚C35鋼筋混凝土，徑向為D25中空注漿錨桿。

圖1 S5型襯砌設(shè)計圖(單位： cm)

2 隧道加固圈

擬提出2種加固方案:地表注漿方案與大管棚方案。地表注漿方案就是從地表打入Ф42鋼花管并注漿，在隧道拱部形成加固圈；大管棚方案是在拱部180°范圍施做φ 245、壁厚12 mm長管棚。2種方案比選見表1。

表1 方案比選表方案施工組織加固圈的效果對周邊環(huán)境(古樹)影響地表注漿方案鋼管直接從地表打入土體,施工便捷,工期較短考慮到漿液的流竄性、注漿效果達(dá)不到理想的效果,加固圈效果一般由于注漿管是從地表進(jìn)行施做,對古樹會造成破壞,而且擴(kuò)散的漿液會改變地下水文狀況,對古樹的生長十分不利大管棚方案由于管棚較長,容易發(fā)生偏移,施工較難,工期較長由于管棚是在隧道輪廓線外打入,加固圈效果良好管棚是在隧道外邊界施做,對古樹的影響很小

通過比選，采用大管棚方案。雖然管棚較長，增加了施工難度，但可以考慮從隧道兩端分別施做管棚，中間考慮搭接長度。隧道右線長度95 m，其中暗挖段長度85 m，中間最大埋深12 m，隧道兩端分別設(shè)置45 m長φ 245、壁厚12 mm長管棚，采取鎖扣進(jìn)行連接形成一整體，中間搭接長度設(shè)置為5 m，見圖2。

圖2 管棚布置示意圖(單位： cm)

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 開挖方式

施工開挖方式為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，從一端進(jìn)行暗洞開挖，具體開挖方式如下：①施做超前長管棚；②左導(dǎo)洞上臺階開挖并進(jìn)行支護(hù)；③左導(dǎo)洞下臺階開挖并進(jìn)行支護(hù)；④右導(dǎo)洞上臺階開挖并進(jìn)行支護(hù)；⑤右導(dǎo)洞下臺階開挖并進(jìn)行支護(hù)；⑥中導(dǎo)洞上臺階開挖并進(jìn)行支護(hù)；⑦中導(dǎo)洞下臺階開挖并進(jìn)行支護(hù)；⑧臨時支撐拆除及施做二襯。如圖3所示。

圖3 開挖方式

3.2 模型及參數(shù)

采用Midas數(shù)值計算軟件對隧道進(jìn)行三維數(shù)值計算，計算方法為地層結(jié)構(gòu)法。計算中初期支護(hù)采用實體單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性；二次襯砌、臨時支撐采用梁單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性；圍巖采用實體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫；錨桿、注漿小導(dǎo)管采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性;管棚采用梁單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性。具體材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)表材料彈性模量/GPa泊松比容重/(kN·m-3)粘聚力/kPa摩擦角/(°)強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖板巖0.040.436.33535初期支護(hù)260.2524——臨時支撐260.2524——二襯32.50.2524——長管棚2100.278.5——錨桿2100.278.5——

計算模型尺寸為：計算模型長120 m，寬85 m，高75 m，邊界條件為左右固定、前后固定、底部固定、頂部為自由面，具體計算模型如圖4～圖6所示，隧道每循環(huán)開挖1.5 m。

圖4 整體計算模型(單位： m)

圖5 隧道模型

圖6 管棚模型(壁厚12 mm)

3.3 計算結(jié)果及評價

由于隧道暗挖段僅有85 m，二襯是在隧道初期支護(hù)全部完成之后才進(jìn)行施做，所以施工過程中初期支護(hù)的穩(wěn)定性尤為重要，而初期支護(hù)的穩(wěn)定主要取決于管棚的穩(wěn)定，因此對施工全過程中管棚結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移進(jìn)行探討很有必要。另外考慮到隧道中間埋深最深，初期支護(hù)及二襯受力最大，對隧道中間位置的初期支護(hù)、二襯的內(nèi)力進(jìn)行分析也很有必要。相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)如下：φ 245長管棚的屈服剛度為275 MPa，撓度按10 cm進(jìn)行控制；初期支護(hù)C25噴射混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度為23.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa；二次襯砌根據(jù)得出的軸力和彎矩進(jìn)行配筋驗算。

3.3.1管棚結(jié)構(gòu)

通過三維數(shù)值計算，得出施做二襯之前管棚結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力情況。施工全過程中管棚最大主應(yīng)力如圖7所示。

a) 左上臺階開挖

b) 左下臺階開挖

c) 右上臺階開挖

d)右下臺階開挖

e) 中上臺階開挖

f) 中下臺階開挖

從圖7中可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，管棚應(yīng)力在逐漸增大，最大主應(yīng)力發(fā)生在中部(此處埋深最深)，管棚結(jié)構(gòu)中間搭接位置最大主應(yīng)力值為68.5 MPa，兩端最大主應(yīng)力值為63.9 MPa，施工全過程管棚最大主應(yīng)力均小于鋼管屈服強(qiáng)度275 MPa。

通過計算得出隧道施工全過程中管棚結(jié)構(gòu)豎向位移，見圖8。

a) 左上導(dǎo)洞開挖后b) 左下導(dǎo)洞開挖后

c) 右上導(dǎo)洞開挖后d) 右下導(dǎo)洞開挖后

e) 中上導(dǎo)洞開挖后f) 中下導(dǎo)洞開挖后

從圖8中可以看出，管棚結(jié)構(gòu)中間搭接部分豎向位移隨開挖逐漸增大，這是由隧道開挖卸荷所致，最大豎向位移為4.06 cm，隧道施工全過程中管棚位移不大，滿足要求。

3.3.2初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力

為了評判隧道施工過程的穩(wěn)定性，得出隧道中間斷面處初期支護(hù)的應(yīng)力，見圖9。

圖9 初支結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖(隧道中間斷面)

從圖9中可以看出，初支結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為14.4 MPa，最大拉應(yīng)力1.8 MPa，初支結(jié)構(gòu)為C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范，C25噴射混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度為23.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa，初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足安全要求。

3.3.3二次襯砌內(nèi)力

為了評判隧道結(jié)構(gòu)最終的穩(wěn)定性，得出隧道二襯中間斷面的軸力、彎矩，并對二襯進(jìn)行配筋驗算，以此評定二襯的穩(wěn)定性。見圖10、圖11。

圖10 二襯軸力(中間斷面)

圖11 二襯彎矩(中間斷面)

從圖10、圖11中可以看出，二次襯砌拱腳處彎矩最大，最大值為74 kN·m，拱腳處最大軸力為526 kN，二次襯砌厚度為70 cm厚C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照公路隧道設(shè)計規(guī)范的要求，對拱腳截面進(jìn)行配筋驗算，見表3。

表3 截面配筋計算結(jié)果位置軸向N/kN彎矩M/(kN·m)偏心距/mm需配鋼筋面積/mm2需配Φ25根數(shù)/根實配Φ25根數(shù)/根拱腳526740.141 40035

經(jīng)過計算，襯砌結(jié)構(gòu)拱腳截面位置配筋按構(gòu)造配筋即可，一側(cè)縱向鋼筋最小配筋率為0.2%，面積為1 400 mm2，需配Φ25鋼筋3根，實配Φ25鋼筋5根，配筋面積為2 453 mm2，鋼筋間距為20 cm，一側(cè)縱向鋼筋配筋率為0.35%，滿足要求。

4 結(jié)論

1) 兩端設(shè)置45 m長φ 245、壁厚12 mm長管棚后(中間搭接長度5 m)，管棚結(jié)構(gòu)中間搭接位置最大主應(yīng)力值為68.5 MPa，施工全過程管棚應(yīng)力均小于鋼管屈服強(qiáng)度275 MPa；管棚結(jié)構(gòu)中間搭接部分豎向位移隨開挖逐漸增大，最大豎向位移為4.06 cm，滿足安全要求，隧道開挖過程中管棚受力及變形均滿足安全要求。

2) 在施工過程中，隧道中間截面初支結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為14.4 MPa，最大拉應(yīng)力1.8 MPa，初支結(jié)構(gòu)為C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范，C25噴射混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度為23.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa，初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于規(guī)范允許值，滿足安全要求。

3) 根據(jù)隧道中間截面二襯彎矩、軸力值，對中間截面二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋驗算，滿足要求。