趙瑞文, 張 翼, 劉湘林, 向?qū)W文, 巫華平, 蔡佳良
(1.北京建工土木工程有限公司,北京 100000; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031)
淺談大跨隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案優(yōu)化
趙瑞文1, 張 翼1, 劉湘林1, 向?qū)W文1, 巫華平1, 蔡佳良2
(1.北京建工土木工程有限公司,北京 100000; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031)
大跨隧道在開(kāi)挖過(guò)程中若支護(hù)方式和開(kāi)挖方法的不合理易造成隧道塌方、大變形等失穩(wěn)現(xiàn)象,保證隧道施工期間的穩(wěn)定性是隧道工程施工的核心目標(biāo),文章以貴陽(yáng)市南埡路三號(hào)隧道為工程依托,采用數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工展開(kāi)研究,研究表明:對(duì)開(kāi)挖步距及一次性拆除臨時(shí)支撐長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化,可確保施工安全,同時(shí),施工進(jìn)度顯著提高。
大跨隧道; 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法; 施工優(yōu)化
南埡路工程屬于貴陽(yáng)市中心城區(qū)“暢通工程二期”道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)系統(tǒng)中1.5環(huán)的北線,是貴陽(yáng)市道路網(wǎng)主骨架的重要組成部分,起連接放射的作用,既承擔(dān)部分市內(nèi)交通,又擔(dān)負(fù)著來(lái)自于公路的出入境和過(guò)境交通。南埡路第三合同段起訖里程為K2+979.3-K4+817.053,主要工程包含南埡路三號(hào)隧道、楊柳井互通立交等(圖1)。
圖1 南埡路三號(hào)隧道
隧道進(jìn)口起點(diǎn)位于貴州財(cái)經(jīng)學(xué)院后貴州省植物園,并下穿貴州省植物園十字山,出口位于貴陽(yáng)市北二環(huán)楊柳井采石場(chǎng)附近,隧道設(shè)計(jì)為單線四車道隧道,兩側(cè)布置人行道,設(shè)計(jì)車速60 km/h,開(kāi)挖寬度21.878 m,高度為14.321 m,為貴陽(yáng)市第一座四車道隧道,為本合同段控制性工程。
三號(hào)隧道左線起止里程為L(zhǎng)K2+979.3-LK4+150.4,全長(zhǎng)1171.1 m;右線起止里程為RK2+966.6-RK4+108.8,全長(zhǎng)1142.2 m。工程內(nèi)容具體包括套拱施工、隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌、路面、照明等市政管線、交通安全與管理及附屬設(shè)施。
隧道處地質(zhì)為三疊系安順組白云巖,巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育,主要為構(gòu)造節(jié)理,節(jié)理一般呈閉合狀,裂隙一般為方解石脈充填,膠結(jié)一般~好,巖體總體較破碎。軸夾角30°~35°,巖芯主要呈柱狀~短柱狀,少量長(zhǎng)樁狀,巖芯采取率65 %~83 %,RQD=12 %~52 %;三疊系松子坎組白云巖平少量泥灰?guī)r,巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育,主要為構(gòu)造節(jié)理,節(jié)理一般呈閉合狀,裂隙一般為方解石脈及黏土充填,膠結(jié)一般~好,巖體總體較破碎。軸夾角30°~40°,巖芯主要呈柱狀~短柱狀,少量長(zhǎng)樁狀,RQD=8 %~40 %。
圍巖穩(wěn)定性較差~較好,不支護(hù)拱部局部易產(chǎn)生小坍塌、掉塊,可局部噴混凝土,系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng),并澆筑混凝土襯砌支護(hù)。
三號(hào)隧道為分離式雙向八車道隧道,開(kāi)挖寬度21.878 m,高度為14.321 m,是貴陽(yáng)市第一座四車道隧道,也是南埡路工程的工期控制性工程和重要節(jié)點(diǎn)工程,工期緊,施工安全和質(zhì)量要求高。
本工程因隧道處于喀斯特地貌地區(qū),地下巖溶較發(fā)育,巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育,局部地段圍巖較差,且隧道斷面和跨度大,不支護(hù)時(shí)拱部局部穩(wěn)定性差,易產(chǎn)生小坍塌、掉塊,因此巖體破碎、巖溶發(fā)育、隧道斷面大、穩(wěn)定性差是隧道設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)之一。
此外,隧道進(jìn)口段下穿省植物園,且屬于超淺埋段,埋深最小處僅1.8 m,且該園內(nèi)正修建蓄水渡槽(將蓄水700 t)及多棟玻璃建筑物,施工時(shí)必須做好超前支護(hù)施工,嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺、爆破振動(dòng),并加強(qiáng)監(jiān)測(cè),襯砌緊跟,以確保施工及結(jié)構(gòu)安全、減小對(duì)環(huán)境的影響,故此超淺埋段安全施工是本工程的另一大難點(diǎn)。
由于本項(xiàng)目工程隧道為超大斷面隧道,對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖地段,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,并遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早閉合、勤測(cè)量”的施工組織設(shè)計(jì)[1-2]。
工藝原理:以巖體力學(xué)理論為基礎(chǔ),應(yīng)用新奧法原理指導(dǎo)施工,充分發(fā)揮圍巖自承載能力,運(yùn)用光面爆破技術(shù),及時(shí)進(jìn)行噴錨初期支護(hù),防止圍巖松動(dòng),應(yīng)用監(jiān)控量測(cè)及時(shí)反饋信息,充分發(fā)揮圍巖和初期支護(hù)的作用[3]。原施工工藝流程如圖2所示。
圖2 施工工藝流程
在開(kāi)挖導(dǎo)坑時(shí),盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),導(dǎo)坑斷面近似橢園,周邊輪廓園順,避免應(yīng)力集中。初期支護(hù)采用格柵鋼架、掛網(wǎng)噴混凝土柔性支護(hù)體系,及時(shí)施作,使斷面及早閉合,以充分利用圍巖的自承能力,控制圍巖變形。建立一整套圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行信息化施工管理,隨時(shí)掌握施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化,合理安排,調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù),確保施工安全。
(1)側(cè)壁導(dǎo)坑形狀宜近于橢圓形斷面,導(dǎo)坑斷面寬度宜為整個(gè)斷面寬度的1/3。
(2)側(cè)壁導(dǎo)坑、中槽部位宜采用短臺(tái)階法開(kāi)挖,各部距離應(yīng)根據(jù)隧道埋深、斷面大小、結(jié)構(gòu)類型等選取。各部開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù),并盡早封閉成環(huán)。
(3)兩側(cè)壁導(dǎo)坑各部位須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)臺(tái)階長(zhǎng)度施工,可獨(dú)立同步開(kāi)挖和支護(hù);中槽部位采用臺(tái)階法開(kāi)挖,并保持平行作業(yè)。
(4)中槽開(kāi)挖后,拱部鋼架與兩側(cè)壁鋼架的連接時(shí)難點(diǎn),在兩側(cè)壁導(dǎo)坑施工中,鋼架的位置應(yīng)準(zhǔn)確定位,確保各部架設(shè)鋼架連接后在同一個(gè)垂直面內(nèi),避免鋼架發(fā)生扭曲。
(5)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)信息,初期支護(hù)穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支護(hù),一次拆除長(zhǎng)度不得大于6 m,并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。
(6)臨時(shí)支護(hù)拆除完成后,應(yīng)及時(shí)施作仰拱及二次襯砌。
為找到合理的施工參數(shù),保證隧道施工期間的穩(wěn)定性,同時(shí)加快施工進(jìn)度,針對(duì)開(kāi)挖步距、拆撐距離等主要施工控制參數(shù),建立不同工況,利用計(jì)算模型進(jìn)行研究分析[4]。
根據(jù)工程實(shí)際情況,隧道斷面凈高為14.321 m,最大跨度處寬度為21.878 m。隧道拱頂距地表29 m,隧道仰拱底部距模型下端取3倍跨度42 m,模型左右兩邊寬度各取3倍跨度40 m,沿隧道掘進(jìn)方向取80 m,縱向劃分間隔為1 m,數(shù)值模型尺寸為X×Y×Z=243 m×80 m×65 m。模型上邊界為自由,下邊界約束豎向位移,左右邊界約束水平向位移。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1,整個(gè)模型及隧道周邊網(wǎng)格如圖3所示。
表1 計(jì)算參數(shù)
圖3 隧道有限元模型
4.3.1 開(kāi)挖步距優(yōu)化
根據(jù)類似項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)對(duì)施工中3種常用的工法進(jìn)行數(shù)值模擬研究,比選出最優(yōu)施工步距,不同工況施工臺(tái)階參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 不同工況參數(shù)選取 m
數(shù)值模擬中考察隧道拱頂及地表沉降,對(duì)比分析各工況考察點(diǎn)的最終沉降值(表3)。
表3 不同工況沉降值結(jié)果 mm
從表3可看出,針對(duì)本項(xiàng)目工程而言,一次開(kāi)挖進(jìn)尺的步距越大,產(chǎn)生的變形和沉降也越大,開(kāi)挖步距越小,越容易控制開(kāi)挖引起的變形。然而,從力學(xué)角度考慮,開(kāi)挖步距選取過(guò)小,對(duì)掌子面的擾動(dòng)較大,掌子面將發(fā)生失穩(wěn),這一點(diǎn)在數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化得到了驗(yàn)證。另外,若步距過(guò)小,將影響人員和機(jī)械在隧道中施工,影響施工效率。因此,針對(duì)本項(xiàng)目的施工步距采取工況1的方案。
4.3.2 中隔撐拆除距離對(duì)比分析
與前述小結(jié)相同,初支穩(wěn)定后,選取一次拆除采取臨時(shí)支撐3 m、6 m、8 m三種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究,考察隧道拱頂沉降,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 不同工況沉降結(jié)果
從表4可看出,當(dāng)一次性拆除臨時(shí)支撐長(zhǎng)度超過(guò)6 m時(shí),拱頂沉降值變化明顯,與前述的施工注意事項(xiàng),將拆除長(zhǎng)度控制在6 m之內(nèi)基本符合。另外,分析數(shù)值模擬的應(yīng)力云圖,可發(fā)現(xiàn)拆除支撐后,應(yīng)力集中位置為臨時(shí)支撐與隧道連接部位,因此,在施工過(guò)程中需對(duì)該部位支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。
本項(xiàng)目工程施工中,采取上述兩種優(yōu)化措施,將隧道拱頂及地表沉降值控制在安全范圍之內(nèi),同時(shí)施工進(jìn)度顯著提高。
基于數(shù)值模擬和工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)南埡路三號(hào)大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要施工參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究,得到如下結(jié)論:
(1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖步距最好選擇4.3.2節(jié)中工況1的參數(shù),這樣既發(fā)揮了圍巖自承能力,同時(shí)又減少了工序循環(huán)時(shí)間和施工干擾,大大加快了施工進(jìn)度。
(2)一次性拆除臨時(shí)支撐長(zhǎng)度控制在6 m以內(nèi),對(duì)于臨時(shí)支撐與初支接觸部位,應(yīng)格外注意保護(hù),防止該處發(fā)生破壞。
(3)施工參數(shù)優(yōu)化后的方案應(yīng)用于工程施工中取得較好的效果,沉降值得到較好控制,同時(shí)大大地縮短了工期。
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[定稿日期]2017-08-09
趙瑞文(1976~),男,大學(xué)本科,高級(jí)工程師,主要從事市政隧道施工管理工作。
U455.2
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