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        大斷面國道隧道穿越接觸帶段施工開挖計算分析

        2017-11-01 12:32:35徐禮華童淑萍
        福建交通科技 2017年5期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)洞次序國道

        ■徐禮華 童淑萍

        (撫州市公路局黎川分局,黎川 34460)

        大斷面國道隧道穿越接觸帶段施工開挖計算分析

        ■徐禮華 童淑萍

        (撫州市公路局黎川分局,黎川 34460)

        本文以江西某隧道工程穿越不整合接觸帶區(qū)段的施工方案為例,選定計算模型及開挖模型后,依次改變導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖深度三個方面計算隧道拱頂沉降量、水平收斂度并進(jìn)行分析對比,最后確定最佳的導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖深度等重要參數(shù),施工方案由實際施工效果驗證,表明方案的可行性。

        大斷面國道隧道 接觸帶 施工方案 開挖高度

        1 引言

        在國道施工中,因穿越多種地質(zhì)地貌,所遇特殊區(qū)段多種多樣,施工情況較為復(fù)雜。針對特殊情況,需要考慮工程實際情況選用經(jīng)濟(jì)合理的施工方案。當(dāng)國道中隧道工程穿越接觸帶段時需要考慮的情況較多,研究此種特殊情況下的施工方案,為國道類似的施工提供參考。

        國內(nèi)關(guān)于國道隧道施工的研究相對較多,并取得一定成果。鐘元慶[1]針對隧道穿越國道的情況,應(yīng)用淺埋暗挖法控制地表下沉量,以維持國道交通運(yùn)營正常。趙紀(jì)平[2]解決隧道穿越高速公路、國道等問題,借助CRD法開挖、支護(hù),并進(jìn)行后期監(jiān)測手段進(jìn)行反饋式施工。蘇興矩[3]對于隧道工程穿越國道的情況,采用爆破減震技術(shù)降低對國道交通的影響,保證運(yùn)行安全。熊慧中[4]等人借助大型有限元軟件進(jìn)行施工數(shù)值模擬,前期分析隧道工程穿越國道中各力學(xué)參數(shù),利用大管棚超前支護(hù)、中導(dǎo)洞-雙側(cè)導(dǎo)洞法與地層注漿法,有效控制地面下沉量。

        本文以江西某隧道工程通過不整合接觸帶區(qū)段的施工方案進(jìn)行探討分析。選定計算模型及開挖模型后,依次改變導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度三個方面計算隧道拱頂沉降量、水平收斂并進(jìn)行分析對比。最后確定最佳的導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度等相關(guān)參數(shù),其實際施工效果驗證了方案的可行性。

        2 項目情況

        某隧道是江西省內(nèi)320國道中西南山區(qū)重要的一條隧道,其總體軸線方向是211~215°右線公里標(biāo)范圍K159+456~K159+715段與左線公里表范圍K159+451~K159+720段斜穿不整合接觸帶,方向夾角120°,其厚度達(dá)11.5m,坡度20°,隧道埋深范圍是55~100.2m。山體地質(zhì)為碎裂巖,泥質(zhì)膠結(jié)。

        某隧道斜穿接觸帶應(yīng)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑方式,每個導(dǎo)洞掌子面間隔距離8.5m,并且每次開挖高度2.5m。前期階段支護(hù)斷面選用直徑30mm的中空注漿錨桿,長度是4.25m,選定I23a型鋼拱架,間距70cm放置,并在其上掛置兩層直徑是10mm的鋼筋網(wǎng),布設(shè)成邊長為25cm的方形,表面噴30cm厚度的C30型噴射混凝土,確定噴射55cm厚度的C25型鋼筋混凝土實現(xiàn)二次襯砌。應(yīng)用I14型鋼拱架以間隔55cm布設(shè),并掛置兩層直徑是10mm的鋼筋網(wǎng)布設(shè)成邊長為25cm的方形,表面噴20cm厚度的C325型噴射混凝土實現(xiàn)側(cè)導(dǎo)洞支護(hù)。

        3 計算模型選定

        (1)計算模型與參數(shù)標(biāo)定

        在確定施工方案前,必須依據(jù)工程實際情況計算其各參數(shù)。工程情況如下:隧道埋深是85m,超前注漿厚度是2.1m,拱墻網(wǎng)噴混凝土32cm。模型大小是X=160m,Y=25m,Z=128m,模型網(wǎng)格劃分見圖1,其中包含126328個單元和22548個節(jié)點。為了結(jié)合工程實際及計算方便,應(yīng)用摩爾-庫倫模型進(jìn)行計算,各計算參數(shù)值具體如表1所示。

        表1 各計算參數(shù)表

        圖1 隧道網(wǎng)絡(luò)模型

        (2)監(jiān)測點分布

        隧道穩(wěn)定性指標(biāo)選定圍巖位移,為消除計算模型邊界效應(yīng),其研究斷面選在模型中部,并分別在中導(dǎo)洞、左側(cè)導(dǎo)洞、右側(cè)導(dǎo)洞拱頂布設(shè)1個沉降監(jiān)測點。在拱腳出設(shè)置一條水平收斂測線,各監(jiān)測點分布見圖2.

        圖2 監(jiān)測點分布圖

        4 計算結(jié)果分析

        結(jié)合工程實際情況,為了保證施工安全在施工前對導(dǎo)洞開挖次序、每次開挖高度以及掌子面的間隔距離依據(jù)模型進(jìn)行計算,分析方案可行性。

        (1)導(dǎo)洞開挖次序分析

        在選定的模型中,導(dǎo)洞開挖每次深度是1.2m,掌子面間隔距離是4.5m。設(shè)定導(dǎo)洞開挖次序依次是1-2-3-4-5-6(1)、3-4-1-2-5-6(2)、5-6-1-2-3-4(3)、5-6-3-4-1-2(4)、1-2-5-6-3-4(5),計算上述5種開挖次序下的拱頂沉降量、水平收斂,對比分析。

        ①拱頂沉降

        在導(dǎo)洞5種開挖次序下,進(jìn)行計算導(dǎo)洞1.、3、5拱頂沉降隨開挖步變化的趨勢變化,具體見圖3~5。

        圖3 導(dǎo)洞3拱頂沉降量情況

        圖4 導(dǎo)洞1拱頂沉降量情況

        圖5 導(dǎo)洞3拱頂沉降量情況

        由圖3~圖5得到,監(jiān)測導(dǎo)洞沉降量隨開挖步數(shù)增加分為三個階段,第一階段緩慢增加,第二階段快速增加,第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn);條件1、2、5與3、4比較,其拱頂沉降快速增加階段長,其增長斜率較小,各導(dǎo)洞穩(wěn)定后增長斜率下降并逐漸趨于零。

        在導(dǎo)洞貫通后監(jiān)測導(dǎo)洞1、3、5在各條件下趨于收斂后的沉降情況如表2所示。

        表2 導(dǎo)洞1、3、5各開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

        由表2可知,在1、2條件下各導(dǎo)洞沉降量均達(dá)到最小,條件1下拱頂沉降量范圍是24.8~31.7mm,條件2下拱頂沉降量范圍是23.2~31.7mm,導(dǎo)洞5在條件1、2條件下導(dǎo)洞沉降量一致,導(dǎo)洞1在條件1下優(yōu)于條件2下10.1%,導(dǎo)洞3在條件2下優(yōu)于條件1下12.4%;條件1、2下拱頂沉降量優(yōu)于其他條件下拱頂沉降量,條件1、2下拱頂沉降量優(yōu)于條件3、4沉降量24.3%~42.6%,條件1、2下拱頂沉降量優(yōu)于條件5沉降量0%~32.7%

        ②水平收斂

        不同開挖次序下隧道水平收斂隨開挖步數(shù)變化而變化情況,如圖6所示。

        圖6 水平收斂隨開挖步數(shù)變化趨勢圖

        由圖6可知,監(jiān)測水平收斂與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,并且分為三個階段,第一階段緩慢增加,第二階段快速增加,第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn);條件1、2、5比條件3、4下隧道收斂快速增加階段變短,且增長斜率降低,隧道穩(wěn)定后的水平收斂下降明顯;條件1下水平收斂最小,達(dá)到16.8mm,其余4個條件下水平收斂均高于條件1,尤其是條件3、4水平收斂比條件1下水平收斂高出很多,這表明開挖次序采用先挖中間后再兩邊的順序造成水平收斂很大。

        綜合上述拱頂沉降量與水平收斂的考慮,最終確定條件下的開挖次序1-2-3-4-5-6。

        (2)掌子面的間隔距離

        選定導(dǎo)洞開挖次序1-2-3-4-5-6,每次開挖高度是1.2m,在條件1下選定掌子面間隔距離是4m,改變掌子面間隔距離8m設(shè)為條件6,檢測兩種條件下的拱頂沉降量與水平收斂,開挖示意圖見圖7。

        圖7 條件1、6下開挖示意圖

        ①拱頂沉降情況

        檢測導(dǎo)洞1、3、5在條件1、6下的拱頂沉降量,并分析其與開挖步數(shù)之間的關(guān)系,具體情況見圖8~10。

        圖8 導(dǎo)洞5拱頂沉降量情況

        圖9 導(dǎo)洞1拱頂沉降量情況

        圖10 導(dǎo)洞3拱頂沉降量情況

        由圖8~圖10可知,監(jiān)測導(dǎo)洞沉降量與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,并且分為三個階段,第一階段緩慢增加,第二階段快速增加,第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn);條件6與條件1相比,導(dǎo)洞1、3、5拱頂沉降的快速增加階段變長,其斜率變化變小,導(dǎo)洞1、3、5穩(wěn)定后的變形值與條件1相差不多。

        在導(dǎo)洞貫通后監(jiān)測導(dǎo)洞1、3、5在各條件下趨于收斂后的沉降情況如表3所示。

        表3 導(dǎo)洞1、3、5各開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

        由表3可知,條件6下監(jiān)測導(dǎo)洞拱頂沉降量范圍是25.53~32.75mm,條件1下監(jiān)測導(dǎo)洞拱頂沉降量范圍是24.56~31.59mm,條件6下導(dǎo)洞拱頂沉降量比條件1下導(dǎo)洞拱頂沉降量略有下降,其下降幅度不大,表明掌子面間隔距離增大對拱頂沉降量增加幅度不大。

        ②水平收斂

        在條件1、6下隧道水平收斂與開挖步數(shù)變化關(guān)系見圖11。

        圖11 條件1、6下隧道水平收斂與開挖步數(shù)變化

        由圖11可知,監(jiān)測水平收斂與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,并且分為三個階段,第一階段緩慢增加,第二階段快速增加,第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn);條件6下與條件1下比較,隧道水平收斂快速增加階段加長,但其增長斜率變化微小,隧道穩(wěn)定厚度水平收斂增加;條件6下水平收斂是19.40mm,條件1下水平收斂是16.95mm,條件6下比條件1下水平收斂增長幅度不大,這表明增大掌子面間隔距離對增大水平收斂效果不明顯。

        綜上條件1、6下對拱頂沉降量與水平收斂的對比分析,可以看出選用掌子面間隔距離是4m比掌子面間隔距離是8m的條件下位移控制效果不明顯,結(jié)合工程投資及施工周期考慮,選用8m作為掌子面間隔距離。

        (3)循環(huán)進(jìn)尺距離

        導(dǎo)洞開挖次序1-2-3-4-5-6,掌子面間隔距離是4m,在條件1下定每次開挖高度1.2m,取得每次開挖高度2.4m為條件7,監(jiān)測條件1、7下拱頂沉降量、水平收斂進(jìn)行對比分析。

        ①拱頂沉降情況

        變化每次開挖高度不影響拱頂沉降量,在條件1、7下導(dǎo)洞1、3、5拱頂沉降量與開挖步數(shù)變化情況和圖8~10中條件1一致。以導(dǎo)洞5為例,其拱頂沉降量變化情況見圖12。

        圖12 導(dǎo)洞5拱頂沉降情況

        由圖12可知,可以得到如下結(jié)論:條件1與條件7下導(dǎo)洞5的拱頂沉降量基本一致,監(jiān)測導(dǎo)洞沉降量與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,并且分為三個階段,第一階段緩慢增加,第二階段快速增加,第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn);條件7下拱頂沉降量大于條件1下拱頂沉降量。

        導(dǎo)洞1、3、5在貫通后趨于收斂時其拱頂沉降情況如表4中數(shù)據(jù)。

        表4 不同開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

        由表4可知,條件1下拱頂沉降量范圍是24.83~31.75mm,條件7下拱頂沉降量范圍是27.34~34.49mm,條件7下拱頂沉降量比條件1下拱頂沉降量增長幅度不大,表明每次開挖高度對拱頂沉降量影響微小。

        ②水平收斂

        在條件1、7下各導(dǎo)洞水平收斂情況見圖13。

        圖13 水平收斂情況

        由圖13可知,監(jiān)測水平收斂與開挖步數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,并且分為三個階段,第一階段緩慢增加,第二階段快速增加,第三階段緩慢增加并趨于平穩(wěn);在快速增加階段,條件7下導(dǎo)洞 拱頂沉降量增長斜率高于條件1下,且隧道穩(wěn)定后水平收斂值增加;條件1下水平收斂是16.95mm,條件7下水平收斂是22.30mm,條件7下水平收斂比條件1下水平收斂增加幅度不大,即表明縮小每次開挖高度對水平收斂影響不明顯。

        綜上對導(dǎo)洞 1、3、5分別在條件 1、7下的拱頂沉降量、水平收斂的對比分析,得到增加每次開挖高度對控制導(dǎo)洞位移效果不大的結(jié)論,確定為每次開挖高度是2.4m。

        5 施工效果

        綜合考慮導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度3個因素的影響,,上述試驗結(jié)果分析可得到改變導(dǎo)洞開挖次序可有效降低隧道位移量,改變掌子面與每次開挖高度對隧道位移量降低效果不明顯。結(jié)合工程投資及工程實際情況,江西某隧確定方案是:不整合接觸帶段時導(dǎo)洞開挖次序是1-2-3-4-5-6,掌子面間隔距離是8m,每次開挖高度是2.4m。

        該隧道工程自2015年6月開工后,216年9月份竣工,后期布設(shè)點監(jiān)測不整合接觸帶區(qū)段隧道拱頂沉降量在16.2~26.5mm范圍波動,符合施工設(shè)計要求,并成功取得專家評審。

        6 結(jié)論

        本文就江西某隧道工程通過不整合接觸帶區(qū)段的施工方案進(jìn)行探討。選定計算模型及開挖模型后,依次改變導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度三個方面計算隧道拱頂沉降量、水平收斂并進(jìn)行分析對比,最后確定最佳的導(dǎo)洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度等關(guān)鍵參數(shù)。施工方案的實施效果達(dá)到施工要求,表明施工方案的可行性。

        [1]鐘元慶.金雞嶺隧道下穿G205國道施工技術(shù)[J].中外公路,2008,(03):136-138.

        [2]趙紀(jì)平.超淺埋隧道下穿高速公路、國道施工技術(shù)研究[J].隧道建設(shè),2009,(04):441-445+465.

        [3]蘇興矩.隧道下穿超淺埋國道的爆破減震技術(shù)[J].公路,2010,(06):237-240.

        [4]熊慧中,王平,呂鑫,李旺旺.超淺埋大跨度連拱隧道下穿國道沉降控制研究[J].公路工程,2014,(06):25-28+55.

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