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        渝州擴(kuò)建隧道施工方法優(yōu)化研究

        2012-11-17 05:27:08雷明林
        關(guān)鍵詞:渝州右洞拱頂

        雷明林

        (國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院道橋勘察設(shè)計(jì)一所, 云南 昆明 650216)

        隨著我國(guó)沿海及內(nèi)地發(fā)達(dá)省市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,在上世紀(jì)90年代建成的雙向4車道高速公路難以滿足交通量的快速增長(zhǎng),因此在原有隧道基礎(chǔ)上由雙向4車道改擴(kuò)建為雙向洞8車道公路的工程項(xiàng)目越來越多。雙洞8車道公路隧道跨度17米,矢跨比小于0.5,為特大斷面公路隧道。由于國(guó)內(nèi)外都非常少見,能借鑒的經(jīng)驗(yàn)也很少。目前類似工程有意大利的Nazzano公路隧道、日本天王山隧道、日本大藏隧道、廈泉高速公路大帽山隧道等[1]。所以對(duì)施工方法進(jìn)行優(yōu)化是很有必要的。

        1 項(xiàng)目概況

        渝州隧道是重慶市機(jī)場(chǎng)路拓寬改造工程的一部分,現(xiàn)狀為雙洞,平面成喇叭型布置,進(jìn)口段2隧道結(jié)構(gòu)間巖石凈距約7.8m,出口段為15m。隧道凈寬10m,凈高6.7m,圓拱直墻式素混凝土襯砌,拱厚75cm,邊墻厚110cm。改造后,隧道凈跨17.081m,凈高8.482m。隧道總長(zhǎng)643m(單洞)。

        該隧道位于川東丘陵地區(qū),地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵,中丘地形,地面標(biāo)高435~488m。上部覆蓋層一般厚度0~2m,下伏基巖主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的砂巖、泥巖,巖層傾角20~25。根據(jù)調(diào)查,原隧道現(xiàn)狀穩(wěn)定,洞壁無地下水滲出,地下水不發(fā)育。根據(jù)相鄰場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及重慶地區(qū)經(jīng)驗(yàn),隧道所經(jīng)過地段為第4系人工填筑及洪坡積層,基巖為砂巖、泥巖地層,巖體較完整,節(jié)理一般不發(fā)育。隧道平均埋深約30m[2]。

        2 開挖方法

        由于機(jī)場(chǎng)路為城市快速路,為保證施工過程中交通正常運(yùn)行,整體施工順序?yàn)椋悍忾]右洞交通先進(jìn)行右洞施工,保證左洞現(xiàn)狀交通;待右洞施工完成后,轉(zhuǎn)換交通,封閉左洞交通,施工左洞。

        渝州隧道原位擴(kuò)建根據(jù)其工程特點(diǎn),開挖斷面的選擇上有以下二種方式(見圖1.1):

        方案一:分部開挖,見圖1.1-a,開挖圖示Ⅰ部分及拆除原隧道拱、墻結(jié)構(gòu);圖示①初期支護(hù)及跨中支護(hù);開挖圖示Ⅱ部分;圖示②初期支護(hù);開挖圖示Ⅲ部分;圖示③初期支護(hù)部分并拆除跨中支護(hù);圖示④初期支護(hù);開挖并澆筑圖示⑤二次襯砌邊墻基礎(chǔ);澆筑⑥圖示二次襯砌的澆筑。;

        方案二:全斷面開挖,見圖1.1-b,開挖圖示Ⅰ部分及拆除原隧道拱、墻結(jié)構(gòu);圖示①初期支護(hù);開挖并澆筑圖示②二次襯砌邊墻基礎(chǔ);澆筑③圖示二次襯砌的澆筑。

        (a)分部開挖 (b)全斷面開挖

        圖1.1開挖斷面圖

        3 模型的建立

        表1.1 圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)[2]

        3.1 模型的建立

        本模型分析中選取的計(jì)算范圍為:橫向尺寸以隧道寬度取為145m,下邊界距隧道中心為30m,上邊界為自由表面,洞身圍巖段長(zhǎng)度為60m,模型左、右邊界水平位移約束,下邊界豎向位移約束,上邊界為地表自由面。見圖1.2:

        圖1.2數(shù)值模擬模型圖

        原隧道初期支護(hù)及二襯、新隧道初期支護(hù)、及二襯材料按彈性材料來考慮,并采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算,錨桿也按彈性考慮,采用植入式桁架進(jìn)行計(jì)算,隧道圍巖及原隧道圍巖材料按均質(zhì)彈塑性考慮,采用實(shí)體單元進(jìn)行分析,并采用摩爾-庫侖等面積圓D-P屈服準(zhǔn)則[3]。

        3.2 施工過程控制

        由于交通不能中斷,需要保持一個(gè)洞通行,只能在一個(gè)隧道擴(kuò)挖完成以后,再擴(kuò)挖另一側(cè)隧道,渝州隧道先進(jìn)行右洞擴(kuò)挖施工,然后再進(jìn)行左洞擴(kuò)挖施工。僅模擬右洞擴(kuò)挖,施工步驟如下:

        IV級(jí)圍巖擴(kuò)建型式優(yōu)化數(shù)值仿真模擬,方案一分32個(gè)施工步,方案二分26個(gè)施工步,具體過程如下:

        方案一:施工步1:初始應(yīng)力狀態(tài)模擬;施工步2:模擬原隧道開挖;施工步3、4:模擬原隧道支護(hù);施工步5-24:擴(kuò)建隧道第一分部開挖(包括拆除相應(yīng)原隧道支護(hù));施工步8-27:擴(kuò)建隧道第二分部開挖;施工步11-30:擴(kuò)建隧道第三分部開挖;施工步12-31:擴(kuò)建隧道初期支護(hù);施工步32:擴(kuò)建隧道二次襯砌。

        方案二:施工步1:初始應(yīng)力狀態(tài)模擬;施工步2:模擬原隧道開挖;施工步3、4:模擬原隧道支護(hù);施工步5-24:擴(kuò)建隧道開挖(包括拆除相應(yīng)原隧道支護(hù));施工步6-25:擴(kuò)建隧道初期支護(hù);施工步26:擴(kuò)建隧道二次襯砌;

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        4.1 圍巖位移特征

        隧道右洞開挖完成后(二襯施作前)IV級(jí)圍巖二個(gè)方案的隧道圍巖位移對(duì)比分析結(jié)果如圖1.2、1.3所示。

        由計(jì)算結(jié)果可知,在IV級(jí)圍巖下,二個(gè)方案拱頂?shù)淖畲笙鲁廖灰品謩e為9.37mm、11.11mm;最大水平位移分別為 6.4mm、11.12mm,二個(gè)方案均是向外擴(kuò)展,使隧道的橫向?qū)挾扔兴黾?。從豎向位移及水平位移比較來看,分部擴(kuò)挖所產(chǎn)生的最大豎向位移比水平位移大,而全斷面擴(kuò)挖時(shí)最大豎向位移與水平位移基本相同。方案一分部開挖圍巖位移較小,從理論上來講,采用此種施工方法,能使施工安全得到極大的保障,但其施工步驟較復(fù)雜,施工進(jìn)度也較為緩慢,成本較高;方案二全斷面擴(kuò)挖的圍巖位移較大,從安全性的角度來講,此種施工方法危險(xiǎn)系數(shù)較方案一低,但其施工步驟簡(jiǎn)單,施工進(jìn)度快,從而使工程能及時(shí)投入使用,經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此,在豎向及水平位移能滿足規(guī)范的要求下,選擇方案二全斷面一次性開挖較好。

        4.2 圍巖應(yīng)力特征

        隧道右洞開挖完成后 (二襯施作前)IV級(jí)圍巖二個(gè)方案的隧道開挖后圍巖應(yīng)力如圖1.4、1.5所示。

        從圖1.4、1.5可知,在IV級(jí)圍巖下,統(tǒng)計(jì)得到隧道圍巖最后施工步的應(yīng)力結(jié)果方案一為2.79Mpa,方案二為2.79Mpa。從應(yīng)力比較而言,兩個(gè)方案比較接近。因此,建議采用方案二。

        從以上分析結(jié)果可知,全斷面一次性擴(kuò)挖對(duì)渝州隧道以及類似工程是比較適合的。

        5 施工監(jiān)測(cè)

        YK0+570斷面拱頂下沉及周邊位移測(cè)量位移與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1.6、圖1.8,拱頂下沉速率圖1.7,周邊位移速率圖1.9。結(jié)合圖1.5、圖1.8可知,該隧道拱頂下沉及周邊收斂累計(jì)值呈增大趨勢(shì)。但其絕對(duì)值并不大,其中拱頂下沉累計(jì)值最大為9.22mm,位于隧道軸線正上方;周邊收斂累計(jì)最大值為8.832mm,位于隧道的拱腰位置。說明位于隧道拱部及拱腰位置圍巖變形較大。由圖1.7、圖1.9可以看出,拱頂下沉速率及周邊位移速率越來越小,逐漸趨近于0,按我國(guó)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ042-94)當(dāng)周邊位移收斂速率為0.1~0.2mm/d,拱頂下沉速率為0.07~0.15mm/d時(shí),圍巖已穩(wěn)定。經(jīng)過分析,在圍巖經(jīng)過30天變形后,周邊位移速率及拱頂下沉速率已在此范圍內(nèi),說明此時(shí)圍巖變形已穩(wěn)定。證明全斷面一次性擴(kuò)挖是適合渝州隧道的。

        6 結(jié)論及建議

        渝州特大斷面隧道擴(kuò)建工程右洞目前已建成通車,通過對(duì)渝州隧道施工方法的對(duì)比分析,可得到如下結(jié)論及建議:

        1 )通過數(shù)值模擬,可以掌握隧道圍巖位移及應(yīng)力特征,并建議采用一次性擴(kuò)挖對(duì)渝州隧道是可行的;

        2 )通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的驗(yàn)證,說明此方法對(duì)于渝州隧道是可靠,安全的;

        3 )通過采用數(shù)值模擬、監(jiān)控量測(cè)手段進(jìn)行施工方法優(yōu)化分析,所得出的結(jié)論是可靠的,可以為其它類似工程提供依據(jù)和參考。

        [1]胡居義,黃倫海.隧道原位擴(kuò)建成特大斷面隧道的擴(kuò)建方案優(yōu)化研究[A]中國(guó)公路學(xué)會(huì)隧道工程分會(huì)2009年全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].重慶:重慶大學(xué)出版社,2009.

        [2]重慶市設(shè)計(jì)院.機(jī)場(chǎng)路拓寬改造工程--隧道設(shè)計(jì)施工圖[Z].重慶:重慶市設(shè)計(jì)院,2010.

        [3]王良,劉元雪.軟弱圍巖隧道開挖的有限元模擬[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào).2005,19(08):104-112.

        [4]唐穎.大帽山大跨度擴(kuò)建隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].公路,2009,10(10):263-266.

        [5]JTG F60-2009.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

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