小關大跨度連拱隧道的設計與施工

小關大跨度連拱隧道的設計與施工 【提　要】：小關隧道屬貴陽市中心環北線項目關鍵工程之一，大跨連拱、型式新穎受力復雜并穿越斷層地帶。本文就洞口和襯砌等結構的設計作一探討，并對施工階段的相互影響進行了數值模擬，最后就施工事項進行了簡要介紹。【關鍵詞】：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 小關隧道全長273m，是貴陽市中心環北線項目的關鍵工程之一。隧道最大埋深為75m，局部地形陡峻；進、出口端均淺埋于Ⅱ類圍巖中，地表為第四系殘積粘土層，厚0～2m，局部為斷層破碎物質，下伏基巖為三疊系中疏松泥質白云巖、灰巖，因此地質條件很差。其中進出口端的斷層陡傾，節理發育，產狀變化大，巖體破碎，且軟硬質巖石相間，當地表水沿硬質巖滲透到軟硬巖交匯處時，會迅速降低巖石的物理力學和化學性能，在掘進過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、下行線路無法分離，故設計成雙跨連拱隧道形式。有關尺寸參見公路隧道設計規范的高速公路山嶺地區隧道建筑限界，中直墻厚2m，上縱坡度為3‰。 2　結構設計 2.1　洞口設計 小關隧道進出口端均位于Ⅱ類圍巖地段，進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生偏壓。設計的連拱形式毛洞寬24m，洞頂兩側地表高差7～8m，為抵抗偏壓修建了明洞，長7m；洞門采用柱式結構，能起到抵擋仰坡下滑和增強端墻穩定性的作用，同時作建筑藝術的效果處理，右側高邊坡處設置10m長的擋墻，以降低邊坡高度。出口也相應修建5m明洞,同樣采用柱式洞門結構，在邊坡高度已滿足隧規要求的情況下省略擋墻布置，并在兩端運用管棚進洞的輔助措施。 2.2　襯砌結構設計 隧道襯砌結構設計為雙跨連拱結構形式，中隔墻為直線形，兩側邊墻為曲線，邊墻與拱圈內輪廓為單一的圓弧。依據新奧法原理指導設計與施工，襯砌結構采用復合形式，支護結構形式見圖1。圖1　連拱隧道村砌結構圖 Ⅱ類圍巖區域圍巖松軟，施工中周邊圍巖松動及位移不可避免，故在設計中采用I18型鋼鋼架支撐，并用熱軋無縫鋼管?42mm的超前小導管進行預支護。襯砌初期支護采用錨網噴形式，二襯定為鋼筋砼結構。Ⅲ類圍巖段設置鋼花拱，可防止拱部產生較大的坍塌，同時也能保持側壁的穩定，二次模注襯砌與Ⅱ類厚度等同。主要支護參數見表1。

表1　主要支護參數

	預加固	附加措施	初期支護	模柱襯砌		中墻頂部
				拱、墻	中墻、仰拱
Ⅱ類圍巖	超前小導管	I18號型鋼	錨噴，厚25cm	25號鋼筋砼	25號素砼	鋼筋砼支墩
Ⅲ類圍巖	超前錨桿	鋼花拱	網噴，厚25cm
明洞	/	/	/	25號鋼筋砼

3　數值模擬 3.1　計算原理與模型 采用空間彈塑性有限元方法對施工的不同階段進行模擬計算。巖土類材料屈服條件表示為f(σ)＝K(k)，計算時采用Drucker-Prager屈服準則，建立其本構方程，然后由求得的各高斯點的強度發揮系數確定隧道圍巖塑性區范圍。 Ⅱ類圍巖淺埋隧道段向上計算范圍取至地表，計算時不同巖體視為均勻介質，隧道圍巖、初期支護用平面等參數單元模擬，二次襯砌錨桿分別用梁單元和軸力桿單元近似模擬。圖2、圖3即為相應的襯砌內力示意圖。（a） 軸力圖(單位：kN)（b）彎矩圖（單位：kN） 3.2　結果分析 計算結果見表2和表3。表2　Ⅱ類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力計算結果

施工階段	最大位移（㎜）				收斂比（％）		圍巖中最大主應力（KPa）
	豎直		水平
	拱頂	隧底	中墻	邊墻	水平	拱頂
左洞開挖后	-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類圍巖不同施工階段洞室收斂位移計算結果

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

計算中進行了不同施工階段結構的內力、位移以及周邊塑性區情況、錨桿受力的分析。計算結果表明： 1) 計算所得的塑性區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。據此認為，在設計中采取了小導管注漿和錨桿加固的措施以確保施工過程中洞室的穩定性和結構的安全性是必要的。 2) 由于“收斂比”這一參數能較全面地反映圍巖應變性態和穩定狀態，且根據表1所得的結果，不同施工階段洞室的收斂比遠小于規范規定的數值，可見隧道在施工過程中處于安全狀態。 3) 計算錨桿受力時顯示其受力并不大，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已成洞的影響不是很大，更不會危及結構穩定性。 4) 在開挖第一個洞時，中隔墻部位出現了少許拉應力；兩洞全部完成后，拉應力主要出現在中隔墻頂部，通過計算隧道洞周及中隔墻部位在各計算點的強度安全系數，均達到了規范的要求，不影響結構安全。由求得的內力圖知，后挖洞的施工會使建成洞的內力增加，但在支護結構作用下沒有增加太大。 4　隧道施工 4.1　施工方法及其重點 施工方法采用三導洞先墻后拱開挖方式，主要施工步驟見圖4，包括：①開挖中央導坑與臨時支護；②修筑中隔墻；③左旁側導坑開挖與臨時支護；④挖左洞及施作初期支護；⑤修筑左洞二次初期；⑥左洞下部及仰拱開挖；⑦修筑左洞仰拱；⑧右旁側導坑開挖與臨時支護；⑨挖右洞及施作初期支護；⑩修筑右洞二次初期；右洞下部及仰拱開挖；修筑右洞仰拱。 掘進中按短進尺、弱爆破、強支護、模筑襯砌緊跟原則進行，先開挖的洞室在完成作業時，應及時作好初期支護和二次襯砌，并盡量減少對圍巖的擾動，發揮圍巖自穩能力，使噴錨支護和圍巖一起形成自穩承載圈。在后挖隧道時，要盡量減少爆破對已建成結構的損傷，并加強監控。在埋深淺、圍巖弱的情況下，應及時施作仰拱，以便襯砌與仰拱能夠盡早形成一個閉合結構，整體受力。對隧道的防排水、照明和消防等步驟，在設計與施工時要給予重視，避免由人為疏忽所造成的損失。 4.2　施工監測 施工監測是新奧法的基本要素之一，而且是檢驗設計、保證施工安全的重要手段，因此從中導坑開始施工起，應按本設計的量測設計要求進行施工監測，并及時進行信息反饋，指導設計與施工。 5　結語 小關隧道已于2002年底基本建成，這表明先開挖中導洞對于雙跨連拱隧道施工來說是一個十分合理的方案，并在工程實踐中得到廣泛應用。 由于雙跨連拱結構對周邊圍巖存在著多次擾動，特別是在中隔墻頂部存在著受力復雜的塑性區，因此，在設計、施工時應格外重視中隔墻的受力平衡及其穩定，應把中隔墻與仰拱、正洞拱部的鋼筋焊接為一個整體，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，待其達到強度后才能拆除中導洞底邊墻及部分拱部臨時支護。 小關大跨連拱隧道穿越斷層等軟弱圍巖地段的成功實例可以為其他類似工程的設計與施工提供有益的參考和借鑒。 當然，中隔墻頂部滲漏水在現有的隧道施工中一直未得到徹底根治，繼續探討尤為必要；其次，建造工序繁瑣，有必要研究如何在確保安全穩定的同時減少工序和縮短工期，比如像單導洞開挖方案等等。 參考文獻 ［1］ JTJ026-90，公路隧道設計規范 ［S］ ［2］ 潘昌實. 隧道力學數值方法 ［M］. 北京：中國鐵道出版社，1995 ［3］ 王毅才. 隧道工程 ［M］. 北京：人民交通出版社，2000 ［4］ 孫鈞. 地下工程設計理論與實踐 ［M］. 上海：上海科學技術出版社，1996，12 ［5］ 劉洪洲，黃倫海. 連拱隧道設計施工技術研究現狀［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