錢文斐
(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)
淺埋、偏壓條件下超大跨隧道與通常情況下的隧道在設(shè)計、施工等方面存在一定的差異,筆者在某項目的設(shè)計中遇到了這樣的問題。為此,本文擬以某隧道為例,通過模擬其施工工程,提出了在設(shè)計、施工方面的要點,在為本工程提供相關(guān)技術(shù)支持的同時,希望為類似工程提供借鑒意義。
某隧道為西南地區(qū)某城市的控制性工程之一,隧址區(qū)環(huán)境地形總體呈北高南低,隧道從地勢較高的山嶺穿過。山體上植被總體發(fā)育良好。隧道主要通過的地層有第四系(Q)、安順組二段(Ta2)、安順組三段(Ta3)、大冶組(Td)等。不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖溶。區(qū)域內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散含水層孔隙水。
隧道左線長500 m,右線長380 m,由于左、右線的進、出口不在同一個斷面上,而存在錯幅,因此右線路基段的開挖將導(dǎo)致左線隧道一側(cè)出現(xiàn)臨空面,從而形成了偏壓(見圖1、圖2)。隧道中心線處隧道洞頂面覆土厚度在20~50 m范圍,地面橫坡約為1∶1.7。
圖1 隧道平面圖
圖2 隧道淺埋偏壓段橫斷面
本項目中隧道開挖內(nèi)輪廓(見圖3)跨度達19.378 m,考慮到初期支護、二次襯砌、預(yù)留變形量的尺寸,實際開挖尺寸將接近22 m,在我國新奧法施工隧道工程界,處于領(lǐng)先地位。
圖3 隧道內(nèi)輪廓圖(單位:mm)
深埋側(cè)隧道由于右側(cè)路基段開挖后形成了臨空面,因此處于偏壓狀態(tài),在巖土作用下存在向右擠出的趨勢,為此在路基靠近隧道側(cè)設(shè)置了抗滑樁,以平衡深埋側(cè)隧道的所受的不平衡力。
新奧法隧道施工過程中,初期支護主要起充分利用圍巖自穩(wěn)能力及承受圍巖壓力的作用,施工中初期支護結(jié)構(gòu)體系在不斷變化,因此其安全性直接影響隧道施工過程的安全性,鑒于本論文研究的目的,因此本次模擬僅模擬初期支護中的噴射混凝土(鋼支撐作用已綜合考慮)作用,鋼筋網(wǎng)、錨桿則作為安全儲備。圍巖本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫模型(見表1),初期支護采用彈性模型(見表2)。
表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表
表2 初期支護力學(xué)參數(shù)表
對于大斷面隧道的施工工法,比較成熟的主要有CD、CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等,鑒于本隧道超大斷面,且存在淺埋、偏壓等不利因素,故采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工。施工工序見圖4。
圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖(先淺側(cè)后深側(cè))
先淺側(cè)后深側(cè)施工工序為:(1)淺側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖;(2)淺側(cè)導(dǎo)坑上臺階初期支護(包含臨時支護);(3)淺側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖;(4)淺側(cè)導(dǎo)坑下臺階初期支護(包含臨時支護);(5)深側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖;(6)深側(cè)導(dǎo)坑上臺階初期支護(包含臨時支護);(7)深側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖;(8)深側(cè)導(dǎo)坑下臺階初期支護(包含臨時支護);(9)中導(dǎo)坑上臺階開挖;(10)中導(dǎo)坑上臺階初期支護;(11)中導(dǎo)坑下臺階開挖;(12)中導(dǎo)坑下臺階初期支護;(13)臨時支護拆除。
對于先深側(cè)后淺側(cè)施工工序為深埋側(cè)導(dǎo)洞→淺埋側(cè)導(dǎo)洞→中導(dǎo)洞,即只需將淺側(cè)導(dǎo)坑、深側(cè)導(dǎo)坑的工序進行互換,故不再贅述。
本文對先淺后深、先深后淺兩種不同工序進行了模擬計算,鑒于初期支護的受力性能是能否保證施工過程安全的主要因素,因此從主洞初期支護的結(jié)構(gòu)受力性能方面進行比較,以確定相對合理的施工順序。初期支護各點應(yīng)力(拉正壓負)橫斷面布置見圖5,不同施工順序各點應(yīng)力對比情況見圖6。
圖5 初期支護各點橫斷面布置圖
圖6 不同施工順序各點最不利應(yīng)力對比情況表
考慮到初期支護處于抗壓受力狀態(tài)優(yōu)于抗拉受力狀態(tài),由圖6可以看出以下規(guī)律:(1)先深后淺施工工序工況下,3點處初期支護應(yīng)力值較之不利(拉應(yīng)力值達到8.7 MPa,較之增大約73%),而在先淺后深施工工序工況下,11點處初期支護較之不利(拉應(yīng)力值達到2.5 MPa,較之增大約173%);(2)1、10 點處初期支護應(yīng)力存在一定差距,但考慮初期支護的抗壓能力強,因此不會影響其結(jié)構(gòu)安全性;(3)其余各點處則相差不大。
綜上,從有利于初期支護受力狀態(tài)的因素出發(fā),采用先淺后深工序相對有利,故后續(xù)分析結(jié)果均是在先淺后深的工序下,不再贅述。
由圖6可以看出:
(1)3、5、11、16 點初期支護處于較大的受拉應(yīng)力狀態(tài),因此施工中需加強對以上各點的觀測,避免出現(xiàn)拉裂性破壞。
(2)與無偏壓情況的隧道相比,拱頂中心1點、仰拱中心9點的初期支護最不利應(yīng)力值較小,而深埋側(cè)拱腰3點、淺埋側(cè)仰拱16點的初期支護最不利應(yīng)力值較大,因此成為結(jié)構(gòu)受力的薄弱點。經(jīng)分析,這是因為由于偏壓的存在,圍巖的最大主應(yīng)力方向出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)的原因。
臨時支護在施工過程中同樣決定著施工過程的安全,因此需對其在施工過程中的受力性狀進行分析。
由圖7可以看出:淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時支護的11點始終處于較不利的受拉狀態(tài);16點在施工步2~9(淺埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護、深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護、中導(dǎo)洞上臺階開挖)處于較有利的受壓狀態(tài),在施工步10~12(中導(dǎo)洞上臺階支護、中導(dǎo)洞下臺階開挖支護)處于較不利的受拉狀態(tài);18點在施工步2~3(淺埋側(cè)上臺階開挖支護、下臺階開挖)處于較有利的受壓狀態(tài),在施工步4~12(淺埋側(cè)下臺階支護、深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護、中導(dǎo)洞開挖支護)處于較不利的受拉狀態(tài)。
圖7 淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時支護最不利應(yīng)力變化圖
由圖8可以看出:深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時支護的8點始終處于較不利受拉狀態(tài);3、17點在施工步6~9(深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖、支護階段及中導(dǎo)洞上臺階開挖)處于較有利受壓狀態(tài),在施工步10~12(中導(dǎo)洞上臺階支護、下臺階開挖支護)處于較不利受拉狀態(tài)。
通過圖7、圖8可以得出以下結(jié)論:
(1)中導(dǎo)洞上臺階支護、下臺階開挖支護階段,深、淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時支護均處于較不利的受拉狀態(tài),應(yīng)加強此段施工過程對臨時支護的監(jiān)測工作。
圖8 深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時支護最不利應(yīng)力變化圖
(2)深埋側(cè)臨時支護下端與主洞支護交接處(8點)、淺埋側(cè)臨時支護上端與主洞支護交接處(11點)始終處于較不利的受拉狀態(tài),應(yīng)加強上述兩交接處的施工質(zhì)量,避免出現(xiàn)受拉破壞。
(3)深埋側(cè)臨時支護的最不利應(yīng)力值大于淺埋側(cè)臨時支護(較之大約80%),因此設(shè)計中應(yīng)加強深埋側(cè)臨時支護設(shè)計,避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞,影響施工安全。
主洞拱頂位移是一直隧道施工過程中監(jiān)測的“重中之重”,因此其重要性不言而喻。
由圖9可以看出,在施工步9~10(即中導(dǎo)洞上臺階開挖支護)階段,形成了明顯的“跳臺”臨界點(水平位移值增大了114%,豎向位移值增大了1445%):(1)在施工步 1~9(即兩側(cè)導(dǎo)洞開挖、支護)階段,位移值相對較?。欢谑┕げ?0~13(即中導(dǎo)洞開挖、支護、拆除臨時支護階段)位置值相對較大;但兩段變化值均不大。(2)在施工步1~9階段,水平位移值大于豎向位移值;在施工步10~13階段,豎向位移值大于水平位移值。
圖9 主洞拱頂豎向、水平向位移值
由此得出以下結(jié)論:
(1)中導(dǎo)洞上臺開挖支護階段是施工過程中的“核心”階段,應(yīng)特別加強對拱頂位移值的監(jiān)測。
(2)通常對于拱頂位移值的監(jiān)測數(shù)據(jù)僅為豎向位移,但對于大跨度、淺埋、偏壓情況必須增加其水平位移的監(jiān)測。
考慮到本隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,施工中需對導(dǎo)洞的拱腳水平位移進行監(jiān)測。
由圖10可以看出,對于深埋側(cè)導(dǎo)洞,施工步1~8時,拱腳處水平位移收斂值變化不大,施工步9~12時,拱腳處水平位移收斂值出現(xiàn)階梯式增長(施工步10相對于施工步9增長了95%,施工步12相對于施工步11增長了65%);對于淺埋側(cè)導(dǎo)洞,施工步4、12時,拱腳處水平位移收斂值增長幅度大,相對于前一個施工步分布增大了230%、300%。
圖10 深、淺埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移收斂值
由此得出以下結(jié)論:
(1)中導(dǎo)洞的開挖、支護施工過程對深埋側(cè)導(dǎo)洞的影響很大,需要加強此施工期間的監(jiān)控量測工作。
(2)深埋側(cè)導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞的開挖支護施工過程對淺埋側(cè)導(dǎo)洞的影響較大,需要加強此施工期間的監(jiān)控量測工作。
(3)中導(dǎo)洞上臺階開挖支護做為臨界點,在臨界點之前,淺埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移值相對較大,而臨界點之后,深埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移值相對較大。但二者最終水平位移收斂值基本一致。
圖11為圍巖最在主應(yīng)力云紋圖。
圖11 圍巖最大主應(yīng)力云紋圖
由圖11可以看出:
(1)相對于無偏壓隧道而言,圍巖最大主應(yīng)力方向由豎直方向向深埋側(cè)發(fā)生了偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度約45°,因此對于超前支護設(shè)置范圍而言,以往按照隧道中心線兩側(cè)一定范圍內(nèi)對稱設(shè)置將不盡合理,而應(yīng)隨最大主應(yīng)力方向一起向深埋側(cè)偏轉(zhuǎn)45°。
(2)由于圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn),整個隧道的受力體系模式同樣發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。
(3)由于圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn),隧道淺埋側(cè)隅角位置圍巖最大主應(yīng)力值減小,而相應(yīng)深埋側(cè)圍巖最大主應(yīng)力值增大,因此設(shè)計中對圍巖的加固范圍應(yīng)重點考慮在隧道深埋側(cè)隅角,而無需對淺埋側(cè)進行不必要的加固。
通過對以上的分析,可以得出以下有意義的結(jié)論:
(1)淺埋、偏壓條件下某超大跨隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時,應(yīng)優(yōu)先采用先開挖淺埋側(cè)導(dǎo)坑的施工工序。
(2)中導(dǎo)洞的開挖支護階段是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中的核心階段,此階段應(yīng)加強臨時支護的內(nèi)力、拱頂位移、臨時支護水平位移收斂的監(jiān)控工作。
(3)對于偏壓狀態(tài)下的隧道,對于隧道拱頂?shù)奈灰票O(jiān)測,除了進行沉降監(jiān)測外,尚應(yīng)增加水平向位移監(jiān)測工作。
(4)深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時支護相對于淺埋側(cè)而言,其受力性能更為不利,因此應(yīng)加強其結(jié)構(gòu)設(shè)計,保證相應(yīng)的強度、剛度性能;從監(jiān)控量測的角度出發(fā),對其監(jiān)測的頻率要大于淺埋側(cè)。
(5)相對于無偏壓情況,隧道處于偏壓狀態(tài)時將會導(dǎo)致圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn),從而整個隧道的受力體系模式同樣發(fā)生了偏轉(zhuǎn),因此應(yīng)按照偏轉(zhuǎn)后的受力模式有針對性的進行設(shè)計、施工,切勿盲目照搬既有的設(shè)計、施工經(jīng)驗。
本隧道目前正在施工中,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)反映,施工過程安全可靠。筆者將繼續(xù)關(guān)注本工程的進展,希望從現(xiàn)場施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)中得出更為有意義的結(jié)論、經(jīng)驗,與各位同行分享。
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