軟弱地層超大斷面連拱隧道開挖方式的探討

王木群

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

0 引言

連拱隧道結(jié)構(gòu)力學特征十分復雜，施工工序繁多，開挖和支護相互交錯，為此國內(nèi)對連拱隧道開挖方式進行了大量研究。張國浩等[1]基于新意法理論對烏山連拱隧道設(shè)計施工優(yōu)化進行了研究，歸納了連拱隧道施工安全措施；王濤等[2]對蘇州香山大跨度變截面連拱隧道進行了研究，得出了大斷面連拱隧道開挖工序；胡金海[3]對金雞大斷面連拱隧道進行了研究，得出了雙側(cè)壁導坑法的合理性；李希文等[4]對粉煤灰地層鹽坪壩連拱隧道地表沉降規(guī)律進行了研究，得出中導洞-左右側(cè)壁預留核心土法更有利于控制地表沉降。目前，連拱隧道開挖方式常側(cè)重于考慮施工安全性而對施工便捷性不夠重視[5-6]，如2車道連拱隧道主洞往往設(shè)置了側(cè)導坑，3車道及以上大斷面連拱隧道甚至設(shè)置了多個導坑，導坑過多再加上導坑寬度較小導致施工機械進出不便捷，非常不利于施工的順利推進。當然，僅重視便捷性而忽略施工安全是不行的，應(yīng)綜合考慮，在保證安全的前提下兼顧施工便捷性。本文以鳳凰嶺大斷面連拱隧道為例，對軟弱地層超大斷面連拱隧道的開挖方式進行了探討。

1 工程概況

鳳凰嶺連拱隧道起迄樁號K2+170～K2+450，為城市主干路隧道(雙向6車道+慢行道)，設(shè)計速度40km/h，長280m，建筑限界寬:15.75m=0.75m(檢修道)+0.25m(左側(cè)路緣帶)+2×3.5m+3.75m(行車道)+0.5m(右側(cè)路緣帶)+0.5m(隔離帶)+3.0m(慢行道)，見圖1。隧道圍巖為全風化泥質(zhì)板巖、強風化泥質(zhì)板巖，隧道寬度與雙向8車道連拱隧道基本一致，屬于超大斷面連拱隧道，國內(nèi)罕見。隧道襯砌設(shè)計見圖2，單邊開挖寬度達19.2m，二襯采用70cm厚的C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護為31cm厚的C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)(內(nèi)置25工字鋼)。該連供隧道施工風險極高，主洞采用何種開挖方式才能既保證施工安全又兼顧施工便捷性，值得深入研究。

圖1 隧道建筑限界(單位： cm)

圖2 隧道襯砌設(shè)計(單位：cm)

2 開挖方式的比選

隧道一般先行開挖中導洞，然后再開挖主洞。鑒于主洞斷面超大，根據(jù)工程類比法，擬對3種開挖方案進行探討。方案1：雙側(cè)壁開挖(見圖3)，導坑開挖寬度6.0～6.5m；方案2：單側(cè)壁開挖(見圖4)，導坑開挖寬度9.0～9.5m；方案3：側(cè)壁導坑+三臺階預留核心開挖(見圖5)，側(cè)導坑開挖寬度7.0m。從施工安全、便捷性、造價等3個方面對3種開挖方式進行對比(見表1)，可知采用側(cè)壁導坑+三臺階預留核心土法最合理。

圖3 雙側(cè)壁導坑法開挖(單位：m)

圖4 單側(cè)壁導坑法開挖(單位：m)

圖5 側(cè)壁導坑+三臺階預留核心土法開挖(單位： m)

表1 主洞開挖方式對比開挖方式施工安全施工便捷性造價方案1(雙側(cè)壁導坑法)多導坑開挖,分部卸荷,施工安全性高導坑多且導坑寬度僅6 m左右,機械進出不便,施工不便捷臨時支護的量較多,造價高方案2(單側(cè)壁導坑法)采用較大的單導坑開挖,安全難以保證導坑跨度達到9 m,機械容易進出,施工很便捷設(shè)1道臨時支護,造價中等方案3(側(cè)壁導坑+三臺階預留核心土法)外側(cè)導坑,內(nèi)側(cè)三臺階預留核心土,分部卸荷,施工較安全外側(cè)導坑寬度達到7 m,內(nèi)側(cè)為臺階法,施工較便捷設(shè)1道臨時支撐,造價最低

3 數(shù)值計算

3.1 地層位移計算

1) 選取K2+180超淺埋斷面進行計算，該斷面隧道埋深5 m左右。計算軟件為Midas/GTS，開挖步驟如圖6所示，包括： ①中導洞開挖并施作中隔墻(①+②)；②右洞側(cè)導坑上下臺階開挖并施作支護(③+④)；③右洞三臺階預留核心土開挖并施作支護(⑤+⑥+⑦+⑧)；④施作右洞二襯(⑨)；⑤左洞側(cè)導坑上下臺階開挖并施作支護(+)；⑥左洞三臺階預留核心土開挖并施作支護(+++)；⑦施作左洞二襯()。計算中圍巖采用實體單元進行模擬，本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫；主洞初期支護、二次襯砌、中隔墻初期支護、側(cè)導洞初期支護采用結(jié)構(gòu)單元進行模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性，主要材料參數(shù)如表2所示。

圖6 開挖步驟

表2 材料參數(shù)表材料單元類型模型類型泊松比v容重γ/(kN·m-3)黏聚力c/MPa摩擦角?/(° )彈性模量E/GPa全風化巖實體單元摩爾庫倫0.45190.1250.9強風化巖實體單元摩爾庫倫0.3210.15301.1初期支護(主洞)梁單元彈性0.224——28側(cè)導洞臨時支護梁單元彈性0.224——26中導洞初期支護梁單元彈性0.224——26二次襯砌梁單元彈性0.226——32中隔墻實體單元彈性0.226——32

2) 計算模型：隧道區(qū)域內(nèi)上部為全風化泥質(zhì)板巖，下部為強風化泥質(zhì)板巖，埋深為5 m：計算模型寬154 m，高54 m，如圖7所示。邊界條件為左右固定、底部固定，約束邊界距隧道邊線按3B考慮(B為隧道的跨徑)，計算得出隧道開挖對地層擾動情況。

圖7 計算模型

通過計算，隧道左右主洞采用側(cè)壁導坑+三臺階預留核心土法施工后的地層變形情況如圖8所示(右洞為先行洞)。

圖8 地層豎向位移

由圖8可以看出，地層產(chǎn)生了一定的沉降和隆起變形，隧道拱部最大豎向位移為-13.1 mm，底部最大豎向位移為16.7 mm，地層豎向位移較小。超大斷面軟弱地層條件下隧道開挖，地層所產(chǎn)生的位移較小，說明采用側(cè)壁導坑+三臺階預留核心土法的開挖方法能有效地抑制隧道圍巖變形。

3.2 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算

為了進一步驗證施工方案的合理性，選取埋深最大的K2+310斷面進行計算。該斷面埋深約為25 m，右洞為先行洞，考慮到隧道為連拱隧道，右洞施作完二襯后，才能進行左洞的開挖及支護，因此，只驗算右洞初期支護的承載能力。計算得出施工過程中右洞初期支護的內(nèi)力(如圖9所示)，然后采用規(guī)范中的綜合安全系數(shù)法算出單元的安全系數(shù)，并與規(guī)范值進行對比。

圖9 右洞初期支護軸力

K=N極限/N≥K規(guī)

(1)

N極限=φαRabh

(2)

式中:K為計算所得安全系數(shù)；K規(guī)為規(guī)范值安全系數(shù)，達到極限抗壓強度的安全系數(shù)為2.4；φ取1；Ra按規(guī)范取值，為13.5 MPa；α為軸力的偏心影響系數(shù)；b取1 m；h為截面厚度，初期支護取0.31。

根據(jù)公式及軸力值(為了節(jié)約篇幅，省略計算過程)，得出右洞初期支護外側(cè)邊墻、拱頂、中隔墻頂?shù)汝P(guān)鍵部位的安全系數(shù)分別為3.4、4.2、3.6，均大于K規(guī)，表明初期支護結(jié)構(gòu)安全，采用的開挖方式能保證隧道施工安全。

4 結(jié)論

以鳳凰嶺隧道為工程實例，對軟弱地層超大斷面連拱隧道開挖方式進行了探討，得出以下結(jié)論：①從施工安全、便捷性、造價3個方面進行綜合對比，鳳凰嶺超大斷面連拱隧道主洞采用側(cè)壁導坑+三臺階預留核心土法最合理；②選取超淺埋K2+180斷面進行計算，隧道開挖完成后，拱部最大豎向位移為-13.1 mm，地層位移不大。側(cè)壁導坑+三臺階預留核心土法的開挖方法能有效抑制隧道圍巖變形；③為進一步驗證施工方案的合理性，選取埋深最大K2+310斷面對結(jié)構(gòu)承載能力進行驗算，得出右洞初期支護關(guān)鍵部位的安全系數(shù)，進一步證明了開挖方式的合理性。

另建議： ①因?qū)Ф催^小會導致施工極其不便捷，故導坑或者導洞的寬度不宜小于7 m；②隧道施工是個動態(tài)的過程，如采用新的開挖方式，可在現(xiàn)場施作10 m的試驗段并獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)，如果各項數(shù)據(jù)表明試驗段是安全的，那么整座隧道便可全面采用此種開挖方式。