吳 勇
(中國水電建設(shè)集團第十五工程局有限公司,陜西西安 710065)
洛帶古鎮(zhèn)隧道下穿磚廠道路段施工技術(shù)研究
吳 勇
(中國水電建設(shè)集團第十五工程局有限公司,陜西西安 710065)
下穿道路隧道在生活及施工中非常普遍,如何確保在隧道施工過程中的安全顯得尤為重要,本文以洛帶古鎮(zhèn)隧道下穿磚廠道路段施工技術(shù)為研究對象,通過分析隧道下穿該路段時是否安全,采用了FLAC3D數(shù)值軟件對下穿施工進行了模擬計算,對類似工程具有借鑒作用。
下穿道路;淮洛路;隧道;FLAC3D
四川成洛項目洛帶古鎮(zhèn)隧道進口洞頂覆蓋層斜上方有一磚廠,磚廠運輸車輛需通過洞頂?shù)缆烦鋈耄摱蔚缆肪嗨淼蓝纯谒骄嚯x15 m,垂距6.5 m,覆蓋層為崩坡積粉質(zhì)粘土層,此段隧道圍巖級別設(shè)計為B5q2型襯砌。由于磚廠運輸車輛荷載較重,且此段隧道埋深較淺,因此隧道在穿越此段道路施工時存在安全風險。為了分析隧道下穿該路段時是否安全,我們采用了FLAC3D數(shù)值軟件對隧道下穿此段道路施工時取最不利工況進行驗算。
(1)模型尺寸:本次洛帶古鎮(zhèn)隧道開挖數(shù)值模擬計算區(qū)域為橫向80 m,縱向24 m,隧道開挖方向取30 m。
(2)隧道斷面:根據(jù)洛帶古鎮(zhèn)隧道支護示意圖以及洛帶古鎮(zhèn)隧道中隔壁開挖示意圖,隧道實際開挖面積100.23 m2,以半徑為5.75 m的圓形斷面代替隧道開挖斷面,其開挖面積為103.8 m2可以滿足要求。
(3)支護本構(gòu)模型選擇:在Flac3D軟件中提供了三維和二維的隧道襯砌結(jié)構(gòu)單元,其結(jié)構(gòu)單元的力學特性可以分為襯砌材料本身對結(jié)構(gòu)的響應和襯砌與Flac3D網(wǎng)格的相互作用,襯砌是可抵抗表面荷載和彎曲荷載的殼體單元。
本次隧道模擬計算過程中,隧道初期支護為24 cm的混凝土,因此選用各向同性的彈性模型。在該本構(gòu)模型中,應力應變關(guān)系滿足胡克定律。
(4)模型邊界條件:根據(jù)計算要求模型取兩側(cè)為限制水平方向位移的滑動支座,可垂直移動;底部為限制垂直方向位移的滑動支座,底邊與側(cè)邊的兩個角點處為限制水平方向與垂直方向位移的固定支座;
隧道上方公路約為4 m寬,過車整體重量取為100 t,本次數(shù)值計算做如下假定:車長6 m,將整車重量均布于4 m×6 m的公路路基,則按照重量計算的均布荷載為0.42 MPa。該均布荷載作用于隧道正上方,作用于計算模型上表面,區(qū)域范圍為X(-2~2),Y(12~18)。
依據(jù)設(shè)計圖紙中的地質(zhì)資料以及襯砌的相關(guān)參數(shù)選取了洛帶古鎮(zhèn)隧道模型力學參數(shù)如表1。
表1 洛帶古鎮(zhèn)隧道模型力學參數(shù)
為使計算偏安全,本次數(shù)值計算采用了較為危險的開挖方式,即隧道采用全斷面開挖方式,每循環(huán)開挖2 m,開挖完畢立即進行初期支護。建立的數(shù)值模型如圖1,模型分為15步開挖。
圖1 模型網(wǎng)格剖分圖
模型建立好之后,即可進行設(shè)定本構(gòu)模型和材料特性、設(shè)置應力條件和邊界條件等操作,最終進行求解。在求解過程中,隧道開挖之前先求解一次,使模型在原巖應力狀態(tài)下達到平衡。隧道每開挖2 m完成后求解一次,求解完成后再進行下一步開挖。隧道開挖過程中計算結(jié)果列表見表2。
表2 模擬開挖結(jié)果列表
根據(jù)隧道開挖過程中豎向應力云圖2,隧道開挖過程中豎向位移云圖3以及開挖過程中結(jié)果列表1,5可以得出以下結(jié)論:
(1)隧道開挖至車輛荷載作用的地段(即開挖至12 m處),地表位移有較大的上升,且開挖至該段時地表位移均發(fā)生在均布荷載作用范圍內(nèi),可見該路段重車行駛對隧道開挖有較大的影響。
(2)由于隧道在粉質(zhì)粘土中進行施工,圍巖條件較差,且距地表距離較小,因此計算得出的地表下沉量較大達到7.9 cm,施工過程中應當加強支護措施,并同時加強位移監(jiān)測工作。
根據(jù)計算結(jié)果,為了進一步確保施工安全,我們在施工過程中,采取以下安全措施:
(1)設(shè)置臨時鋼便橋,分散車輛荷載,減少局部應力。
在隧道穿越洞頂覆蓋層上方道路處設(shè)置長20 m、寬5 m由厚20 mm的鋼面板、鋼墊板及Ⅰ56a型鋼承重架和Ⅰ20a型縱梁組成的臨時鋼便橋,用以分散洞頂上方磚廠道路通行車輛的荷載,減小局部應力,同時為防止車輛在通過鋼便橋時打滑發(fā)生事故,在鋼便橋上沿縱向間距設(shè)置Ⅱ級防滑鋼筋。
(2)采用交叉中隔壁法非鉆爆開挖,嚴禁鉆爆施工。
我們在此段隧道施工時采用交叉中隔壁法施工,由人工配合挖掘機進行非爆破開挖,施工中遵循“管超前、嚴注漿、弱爆破、短進尺、緊支護、早封閉、勤量測”的原則。洞身開挖在超前地質(zhì)預報的指導下進行,在洞身開挖施工時,左右兩洞一前一后錯開進行開挖施工,要求在先行洞初期支護施做完成后并達到設(shè)計強度后,才能進行相鄰位置后行洞的開挖,并且每循環(huán)進尺上臺階控制在不大于0. 5 m(1榀鋼架),下臺階不大于1.0 m(2榀鋼架);每循環(huán)在開挖完成后隨即網(wǎng)噴錨配合鋼架進行支護,同時對后續(xù)將要開挖的巖面進行噴錨和鋼拱架臨時支護,盡可能在最短時間內(nèi)使初支鋼架封閉成環(huán),形成封閉完整的受力體系;當初支和圍巖變形基本穩(wěn)定后,盡快施做小邊墻、仰拱填充及二次襯砌。在洞身開挖施工時,要充分利用圍巖的自承能力,嚴格控制圍巖的早期變形,保持圍巖穩(wěn)定,施工時按要求預留預留變形和及時進行監(jiān)控量測;要求圍巖封閉位置距離掌子面的距離不大于25 m,二襯砌距離掌子面不大于50 m;交叉中隔壁臨時支護在澆筑仰拱前逐段拆除,一次拆除長度需要根據(jù)監(jiān)控量測的結(jié)果確定,但不能大于15 m,臨時支護在拆除完畢后要及時施做仰拱和二次襯砌,特殊情況下可先施做仰拱和仰拱填充,再拆除中隔壁,最后再施做拱墻襯砌;仰拱施作必須鋪設(shè)棧橋全幅分段施工。
(3)輔助工程施工及隧道襯砌施工
在磚廠道路周邊洞頂?shù)乇砀采w層周圍采用Ф76×5 mm鋼花管和Ф76PVC管進行對洞頂覆土進行地表注漿加固,注漿花管注漿間距為1.5 m× 1.5 m,呈梅花狀布置,注漿完成后采用物探及鉆孔取芯手段對注漿效果進行檢驗和評定。
在此段洞身開挖輔助工程采用單根長9 m的Ф89×6 mm中管棚進行超前預支護,中管棚在洞身襯砌中線兩側(cè)60°范圍布設(shè),環(huán)向間距30 cm,排距6.5 m,每環(huán)46根,注漿材料采用0.6∶1~0.8∶1的純水泥漿。
洞身襯砌按照B5q2型襯砌施工,采用網(wǎng)噴錨配合鋼架進行初期支護,網(wǎng)片筋采用間距為20 cm ×20 cm的Ф8雙層網(wǎng)片筋,噴射混凝土采用26 cm厚的C25噴射混凝土,型鋼鋼架采用全環(huán)的HW175型鋼鋼架,預留變形量為40 cm,為防止隧道拱頂或初支鋼架整體產(chǎn)生過大沉降變形,在上臺階襯砌每榀鋼架拱腳沿縱向拉通設(shè)置1.2 m寬的鋼墊板及斜撐型鋼,同時于上臺階開挖底面以上1 m處設(shè)置由4根5 m長的Ф89鎖腳錨管及1根I20槽鋼組成聯(lián)合鎖腳系統(tǒng);二襯混凝土在拱圈采用60 cm厚的C30氣密性鋼筋混凝土,仰拱采用氣密性耐腐蝕鋼筋混凝土。
(4)進行監(jiān)控量測
在洞身開挖和支護完成以后要及時進行洞內(nèi)監(jiān)控量測和地表觀測,洞內(nèi)監(jiān)控量測拱頂下沉和周邊收斂位移采用的量測斷面每5 m一個,地表沉降觀測的斷面每10 m一個。
通過對洛帶古鎮(zhèn)隧道下穿磚廠道路段施工前采取模擬計算分析,施工中采取設(shè)置臨時鋼便橋、增加地表注漿、采用非爆破交叉中隔壁法開挖、增加超前連環(huán)中管棚和初支鋼架封閉成環(huán)并設(shè)立聯(lián)合鎖腳系統(tǒng)等一系列措施的施工實例,保證了隧道下穿磚廠道路段的施工安全,可為后續(xù)類似工程提供借鑒作用。
[1] 公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTG D70-2004)[S].2004.
[2] 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范(JTG F60-2009)[S].2009.
[3] 四川省高速公路施工標準化技術(shù)指南(隧道工程),2012.
U455.4
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1008-3383(2016)09-0145-02
2016-02-11