雙連拱隧道無導(dǎo)洞施工技術(shù)及變形特征研究

劉 曉,陳 躍,周 飛,華成龍,張奎紅

(1.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)工程有限公司,北京 100102;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引言

雙連拱隧道因其跨度較大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、滲漏水突出等問題,在隧道工程中逐漸被分離式、小凈距等隧道形式替代,但在部分特殊地段,受地形和線路選擇的影響,雙連拱是隧道形式的最優(yōu)選擇。

大部分雙連拱隧道施工采用導(dǎo)洞施工工藝,蔡來炳[1]通過對國內(nèi)連拱隧道進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用中導(dǎo)洞和三導(dǎo)洞施工占比達(dá)81%。文獻(xiàn)[2-3]采用導(dǎo)洞法修建雙連拱隧道,發(fā)現(xiàn)連拱隧道在施工過程中工序?qū)Y(jié)構(gòu)受力會產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[4-6]對連拱隧道的開挖順序進(jìn)行研究,認(rèn)為非對稱開挖對結(jié)構(gòu)受力較為有利。劉新榮等[7]模擬三導(dǎo)洞法開挖黃土隧道,發(fā)現(xiàn)各階段導(dǎo)洞開挖會引起位移的突變。文獻(xiàn)[8-9]對連拱隧道開挖過程的受力變形進(jìn)行分析,并提出合理的開挖順序。張春洪等[10]研究雙連拱隧道開挖階段初支和二襯受力,發(fā)現(xiàn)后行洞的施工會對先行洞的圍巖產(chǎn)生擾動,使先行洞圍巖發(fā)生多次應(yīng)力重分布,造成先行洞受力比后行洞受力大且變化更為復(fù)雜。雙連拱隧道施工以中導(dǎo)洞法居多,在部分變形控制要求高的工程中主要采用三導(dǎo)洞法,但導(dǎo)洞法存在施工工序繁多、施工工期較長和工程造價(jià)較高等問題。

為避免以上問題,無導(dǎo)洞施工工藝逐漸成為工程師新的探索方向。文獻(xiàn)[11-12]把連拱隧道當(dāng)作2個(gè)獨(dú)立的單洞,通過注漿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)等方式對中墻處圍巖進(jìn)行加固保護(hù)。文獻(xiàn)[13-15]將先行洞的開挖范圍擴(kuò)大,中隔墻與先行洞的支護(hù)同時(shí)施作,該方法對中隔墻的型式要求較低,受力不對稱容易造成結(jié)構(gòu)偏壓。文獻(xiàn)[16-18]將連拱隧道兩洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)搭接,形成一套支護(hù)體系,這種結(jié)構(gòu)對搭接處的支護(hù)強(qiáng)度要求較高,并且容易造成應(yīng)力集中的問題。盧小剛等[19]分析無導(dǎo)洞法施工時(shí)連拱隧道的力學(xué)行為,并對其施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。程曉輝等[20]針對無導(dǎo)洞法施工的連拱隧道病害進(jìn)行研究,分析襯砌開裂原因。

無導(dǎo)洞法主要以擴(kuò)大先洞開挖范圍或中墻位置不開挖等方式為主,存在結(jié)構(gòu)受力不對稱、中墻承載力不足等問題。因此,本文以潘口連拱隧道為依托,結(jié)合現(xiàn)場施工技術(shù)與數(shù)值模擬方法,對無導(dǎo)洞施工隧道的變形特征進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為相關(guān)隧道施工提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

1.1 工程概況

潘口隧道位于竹山縣潘口鄉(xiāng),隧道起訖樁號為(K297+882)～(K298+120),隧道全長238 m,為雙洞連拱隧道,隧道埋深2.3～53.5 m,最大跨度24.6 m。潘口隧道以中風(fēng)化炭質(zhì)千枚巖為主,上覆有強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)千枚巖和第四系全新統(tǒng)殘坡積層,圖1所示為隧道地質(zhì)剖面圖。

圖1 隧道地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of tunnel

1.2 隧道施工方案

隧道在設(shè)計(jì)之初采用中導(dǎo)洞法施工,出口段用中導(dǎo)洞法開挖30 m后,根據(jù)隧道圍巖與現(xiàn)場施工情況采用無導(dǎo)洞法施工。無導(dǎo)洞施工具有以下優(yōu)勢:

1)降低隧道的整體造價(jià),節(jié)省項(xiàng)目建設(shè)成本。

2)減少施工工期,隧道工期由原方案12個(gè)月縮短至8個(gè)月。

3)減少后期二襯施工的質(zhì)量隱患。

4)能夠有效緩解中墻頂部滲漏水問題,圖2～3為2種工法中墻頂部結(jié)構(gòu)示意。

圖2 中導(dǎo)洞法支護(hù)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of support structure with middle guide hole method

圖3 無導(dǎo)洞法支護(hù)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of support structure without guide hole

從隧道出口單口掘進(jìn),以隧道左洞作為先行洞。當(dāng)先行洞施工進(jìn)展到100 m時(shí),開始從出口向進(jìn)口施作右洞。在右洞進(jìn)尺達(dá)到40 m,開始施作仰拱;為減小右洞爆破對左洞二襯的影響,右洞進(jìn)尺達(dá)到70 m時(shí),左洞二次襯砌開始施作,左洞二次襯砌澆筑完成50 m開始施作右洞二次襯砌。隧道具體施工進(jìn)尺如圖4所示。

圖4 無導(dǎo)洞法施工進(jìn)尺示意Fig.4 Schematic diagram of construction footage without guide hole

在開挖左洞下臺階接近中隔墻位置時(shí),進(jìn)行鉆孔并穿Φ22 mm橫向?qū)摻?保證鋼筋間距為0.3 m,鋼筋在左洞拱架處彎折并與拱架焊接。當(dāng)左洞進(jìn)尺達(dá)到100 m,開始對右洞洞身進(jìn)行開挖施工,右洞靠近中隔墻位置采用機(jī)械開挖,每次開挖進(jìn)尺為2 m,同時(shí)施作雙層Φ22 mm豎向鋼筋及Φ22 mm縱向鋼筋,縱向鋼筋間距為0.3 m,形成縱向鋼筋、豎向鋼筋及橫向?qū)摻畹恼w支撐系統(tǒng),圖5所示為中墻的配筋圖。

圖5 中墻鋼筋設(shè)計(jì)示意Fig.5 Design of middle wall steel bar

中墻混凝土在澆筑過程中,頂部間隔5 m斜向安裝注漿導(dǎo)管,進(jìn)行注漿填充,拆模后及時(shí)掛鋼筋網(wǎng)并進(jìn)行噴射混凝土支護(hù),使右洞初支與中墻形成一個(gè)整體,圖6為現(xiàn)場中墻施作照片。

圖6 隧道現(xiàn)場中墻施作Fig.6 Construction of middle wall in tunnel site

2 隧道施工模擬

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

為分析無導(dǎo)洞法施工時(shí)隧道現(xiàn)場監(jiān)測的變形特征,利用有限差分軟件FLAC3D模擬連拱隧道在不同工法下的變形特征,隧道最大埋深為53.5 m,考慮埋深與圍巖條件對隧道變形的影響,分別建立Ⅳ、Ⅴ圍巖條件下15,25,35,45,55 m埋深無導(dǎo)洞法與中導(dǎo)洞法施工工況,圖7為隧道埋深45 m的模型尺寸示意。

圖7 隧道模型尺寸示意Fig.7 Schematic diagram of tunnel model size

模型采用位移邊界條件,上表面為自由面用來模擬地面,對側(cè)面固定水平方向的變形,對模型底面固定豎向變形,隧道掘進(jìn)方向沿Y軸正方向。表1所示為隧道圍巖與支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 隧道圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and support of tunnel

2.2 施工方案模擬

根據(jù)隧道現(xiàn)場施工方案,在FLAC3D軟件中模擬隧道施工過程。為研究不同施工方法對隧道變形規(guī)律的影響,建立中導(dǎo)洞和無導(dǎo)洞施工2種工況,隧道采用無導(dǎo)洞法和中導(dǎo)洞法施工工序如表2所示。對雙連拱隧道采用無導(dǎo)洞法開挖模擬方案如圖8所示,中導(dǎo)洞法模擬方案如圖9所示。

表2 隧道模擬開挖工序Table 2 Simulated excavation process of tunnel

圖8 施工模擬方案示意Fig.8 Schematic diagram of construction simulation scheme

圖9 中導(dǎo)洞施工模擬方案Fig.9 Simulation scheme of middle guide hole construction

3 隧道結(jié)構(gòu)變形特征分析

3.1 拱頂沉降結(jié)果分析

通過分析不同工況計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)到隧道左洞與右洞的最終拱頂沉降值基本一致,如圖10所示。

圖10 拱頂沉降結(jié)果Fig.10 Vault settlement results

由圖10可知,隧道采用中導(dǎo)洞法施工時(shí),拱頂沉降變形值小于無導(dǎo)洞法施工,且圍巖條件越差、埋深越大時(shí),2種方法的拱頂沉降差值越大,說明無導(dǎo)洞法施工更適用于圍巖條件較好的地層。

在埋深45 m時(shí)隧道采用不同工法模擬施工得到的豎向位移云圖如圖11所示。

圖11 豎向位移云圖Fig.11 Cloud diagram of vertical displacement

由圖11可知,相比于中導(dǎo)洞法,無導(dǎo)洞法施工沉降變形較大,無導(dǎo)洞法豎向變形左右不對稱。

選取隧道埋深45 m時(shí)左右洞拱頂沉降變形結(jié)果,對隧道施工過程中的變形具體分析。隧道施工時(shí)拱頂沉降變形曲線如圖12所示。

圖12 無導(dǎo)洞施工拱頂沉降變形曲線Fig.12 Settlement deformation curve of vault in construction without guide hole

分析右洞開挖對左洞豎向變形的影響,令左洞受右洞擾動變形占比為η,計(jì)算公式為式(1),在無導(dǎo)洞開挖時(shí),不同埋深及圍巖條件下的η結(jié)果如表3所示。

表3 擾動變形結(jié)果Table 3 Disturbance deformation results

(1)

式中:h1為左洞開挖時(shí)左洞的拱頂沉降值,mm;h2為左右洞開挖完成時(shí)左洞的拱頂沉降值,mm。

由表3可知,Ⅳ圍巖比Ⅴ圍巖擾動變形占比小,且隨埋深的增加,受擾動變形比越小,說明隧道圍巖條件越好、埋深越大,右洞對左洞的施工擾動影響越小。

對比無導(dǎo)洞法與中導(dǎo)洞法施工時(shí)隧道拱頂沉降結(jié)果,發(fā)現(xiàn)2種方法的隧道沉降相差較小,由于無導(dǎo)洞施工中墻采用后行洞開挖施作,無導(dǎo)洞法施工時(shí)右洞與左洞的相互擾動較為明顯,所以無導(dǎo)洞施工的關(guān)鍵是控制右洞和中墻的開挖擾動。

3.2 水平位移結(jié)果分析

對隧道開挖時(shí)在水平方向上的位移進(jìn)行監(jiān)測,得到Ⅴ圍巖45 m埋深時(shí)無導(dǎo)洞施工時(shí)水平位移的監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。

圖13 無導(dǎo)洞施工水平位移曲線Fig.13 Horizontal displacement curve of construction without guide hole

由圖13可知,在左洞施工階段,B測點(diǎn)有水平向右的位移,C測點(diǎn)有向左的位移。在右洞開挖后,右側(cè)圍巖壓力減小,2個(gè)測點(diǎn)的位移方向發(fā)生改變。隧道在水平方向上的演化過程如圖14所示。

治愈 各癥狀消失,體征無異常。顯效 癥狀明顯好轉(zhuǎn),體征明顯改善。有效 癥狀及體征改善。無效 癥狀及體征改善不明顯[4]。

圖14 隧道水平收斂演化示意Fig.14 Schematic diagram of tunnel horizontal convergence evolution

分別監(jiān)測左洞和右洞的水平位移變化情況,得到Ⅴ圍巖45 m埋深時(shí)中導(dǎo)洞法施工時(shí)水平位移的監(jiān)測結(jié)果如圖15所示。

圖15 中導(dǎo)洞施工左洞水平位移曲線Fig.15 Horizontal displacement curve of left hole in construction with middle guide hole

中導(dǎo)洞法施工時(shí),隧道左右洞的水平位移曲線較為對稱,C、E測點(diǎn)的位移較小,B測點(diǎn)有向右的位移,F點(diǎn)有向左的位移,隧道左洞的最終收斂值為25.4 mm,右洞的最終收斂值為29.2 mm。

對比無導(dǎo)洞法和中導(dǎo)洞法施工時(shí)隧道的水平位移特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)無導(dǎo)洞施工的水平收斂值比中導(dǎo)洞法小,但分析其位移時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn),在水平方向,隧道結(jié)構(gòu)有不同方向的位移,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利,可能是由于后行洞開挖造成先行洞一側(cè)卸荷,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不對稱。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

選取現(xiàn)場進(jìn)口段、洞身段和出口段各2個(gè)斷面的變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析,其監(jiān)測結(jié)果、圍巖分級及埋深如表4所示。

由表4可知,隧道在進(jìn)口與出口段拱頂沉降值最大為84.1 mm,出口段右洞水平收斂值最大為110.6 mm,洞口段拱頂沉降值最大,是由于洞口段圍巖破碎、穩(wěn)定性差造成的。

現(xiàn)場隧道監(jiān)測結(jié)果如圖16所示。隧道左洞沉降變形與收斂變形均大于右洞,設(shè)左洞超出右洞變形為擾動變形,則隧道左洞受擾動沉降占總沉降變形的53.3%,圍巖條件越好、埋深越大,隧道沉降值越小。Ⅳ圍巖段右洞與左洞收斂變形差占總收斂的比值為57.7%,Ⅴ圍巖段右洞與左洞收斂變形差占總收斂的比值為23.8%,說明在水平方向上Ⅳ圍巖段左洞與右洞的相互影響更明顯。

圖16 隧道變形監(jiān)測結(jié)果Fig.16 Tunnel deformation monitoring results

在不同圍巖級別和不同埋深條件下,隧道拱頂沉降和收斂值呈現(xiàn)出不同特點(diǎn),Ⅴ圍巖段隧道變形大于Ⅳ圍巖段,洞口段拱頂沉降值大于洞身段;洞身段總收斂值相差較小,但左洞與右洞的收斂值相差較大,說明隧道采用無導(dǎo)洞施工時(shí)中墻在水平方向上有向左的位移。

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果一致,在豎向連拱隧道先行洞受后行洞擾動明顯,在水平方向隧道左、右洞相互影響導(dǎo)致變形值相差較大。

4 無導(dǎo)洞施工工法優(yōu)化

4.1 工法優(yōu)化方案

根據(jù)以上研究,隧道在無導(dǎo)洞法施工時(shí),左洞先開挖產(chǎn)生臨空面,開挖中墻和右導(dǎo)洞會對左洞產(chǎn)生較大影響。

根據(jù)隧道變形特征,對無導(dǎo)洞施工技術(shù)提出優(yōu)化措施,如圖17所示。隧道施工先采用臺階法開挖左洞①、②部分,然后采用2種方案開挖右洞:

方案1:采用CD法先開挖右洞③,再開挖④和⑤中墻部分。

方案2:采用CD法先開挖④和⑤中墻部分,再開挖右洞③部分。

4.2 優(yōu)化效果分析

以Ⅴ圍巖埋深45 m工況為例,通過數(shù)值模擬分析優(yōu)化方案的隧道變形結(jié)果如圖18所示。

圖18 優(yōu)化后隧道拱頂沉降Fig.18 Settlement of tunnel vault after optimization

從圖18可以看出,優(yōu)化后隧道右洞的沉降小于左洞,方案1左洞受右洞擾動沉降占總沉降的27.5%,方案2左洞受右洞擾動沉降占總沉降的15.7%,說明右洞采用CD法先開挖靠近中墻部分對左洞的施工擾動程度更小。

從優(yōu)化后隧道左洞的水平位移曲線可以看出,右洞開挖前,B、C測點(diǎn)的水平位移趨勢與臺階法一致,2種方案B測點(diǎn)在右洞開挖后向右的位移較小,方案1中C測點(diǎn)向右位移由臺階法施工時(shí)的22.9 mm減小為9.1 mm,方案2中C測點(diǎn)向右位移減小為2.5 mm。

將Ⅴ圍巖埋深45 m時(shí)隧道采用中導(dǎo)洞法、無導(dǎo)洞臺階法及優(yōu)化后方法計(jì)算的變形結(jié)果整理見表5。

表5 不同工法隧道變形結(jié)果Table 5 Deformation results of tunnels by different construction methods

對比4種工法變形結(jié)果可知,方案1與中導(dǎo)洞法施工二者拱頂沉降值相近;采用無導(dǎo)洞臺階法施工時(shí),左右洞水平收斂差值較大;采用方案1施工時(shí),左、右洞水平收斂差值均減小;采用方案2施工時(shí)拱頂沉降明顯降低,右洞水平收斂值減小。由此可知,采用優(yōu)化施工方案能夠縮短工期,同時(shí)有效控制隧道左、右洞擾動變形。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,隧道左洞拱頂沉降值在52.3～84.1 mm,右洞沉降值在15.5～67.9 mm,左洞沉降值明顯大于右洞,說明左洞變形受右洞施工影響較大。

2)無導(dǎo)洞臺階法施工時(shí),左洞沉降受右洞開挖的擾動影響較大,現(xiàn)場實(shí)測左洞受擾動沉降占總沉降變形的53.3%,當(dāng)圍巖條件越好、埋深越大時(shí),擾動影響的程度越小。

3)無導(dǎo)洞法施工時(shí),隧道左洞與右洞的水平位移結(jié)果相差較大,建議右洞掌子面開挖時(shí),在左洞中墻側(cè)設(shè)臨時(shí)支撐加固。

4)采用左洞臺階法+右洞CD法,可以有效控制右洞對左洞的擾動,先開挖中墻側(cè)比先開挖右邊墻側(cè)對左洞擾動小,將擾動沉降占總沉降的比值控制在27.5%,可以將左洞向右洞的反向位移由22.9 mm減小至9.1 mm。