劉邦勝

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

仰拱是為改善上部支護結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)，是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一，其與二次襯砌構(gòu)成隧道整體，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。仰拱的作用：解決基礎(chǔ)承載力不夠，減少下沉；防止底鼓的隆起變形，調(diào)整襯砌應力的作用；封閉圍巖，阻止圍巖變形過大，提高結(jié)構(gòu)的整體承載力；增加底部和墻部的支撐抵抗力，防止內(nèi)擠而產(chǎn)生剪切破壞?！豆匪淼涝O(shè)計規(guī)范(JTG D70-2004)》建議三車道隧道圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級時設(shè)置仰拱。但是隧道地質(zhì)的模糊評判、隧道巖土材料的本構(gòu)關(guān)系、隧道圍巖的變形控制指標、支護襯砌強度增長和圍巖變形的關(guān)系多依賴于經(jīng)驗積累、類比分析而定，故《公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTG D70-2004)》同時也提出了動態(tài)設(shè)計與信息化施工的思想。本文以馬鞍山隧道為例，通過現(xiàn)場對Ⅳ級圍巖隧道底板進行應力、圍巖變形、初期支護和二次襯砌間的接觸受力、底板巖體受到的垂直壓力、關(guān)鍵部位的二次襯砌鋼筋受力、混凝土內(nèi)力及鎖腳錨桿內(nèi)力的監(jiān)測，分析整理應力數(shù)值，認為取消部分Ⅳ級圍巖的仰拱是可行的。

1 工程概況

馬鞍山隧道是青蘭高速邯涉段土建工程的控制性工程，其中右線全長4 370 m，左線全長4 320 m。隧道最大埋深約307 m，隧道采用標準分離式三車道設(shè)置，最大寬開挖寬度約16.81 m，開挖高度約11.75 m。隧道進口平面線形為圓曲線，左線圓曲線半徑為R=3 500 m，不設(shè)超高，橫坡為2%，右線為R=2 490 m，超高為2%，隧道內(nèi)超高過渡方式采用線性過渡，出口位于直線上，橫坡為2%，左、右線縱斷面線形均設(shè)計為單向坡，坡度均為0.83%，隧道進口設(shè)計標高分別為：左幅626.740 m，右幅626.066 m；出口設(shè)計標高分別為：左幅663.347 m，右幅663.430 m。隧道進出口洞門設(shè)計均采用端墻式。

2 針對Ⅳ級圍巖設(shè)置仰拱段落進行全斷面監(jiān)測

監(jiān)測斷面設(shè)置在馬鞍山隧道左線ZK157+094、ZK157+102，巖性為寒武系中統(tǒng)徐莊組到寒武系中統(tǒng)張廈組的過渡段，夾中厚層灰?guī)r，上部為灰色中層灰?guī)r夾頁巖，屬較硬巖～較軟巖。巖層走向與洞軸線夾角為38°。巖層間結(jié)合較差，主要發(fā)育二組節(jié)理。巖體較破碎～較完整，巖體穩(wěn)定性較差～差。隧道出水形式以潮濕及滴水為主，斷面埋深約206.3 m，該斷面采用上下臺階法開挖，初期支護采用C20噴射混凝土，4φ22鋼格柵(間距100 cm)，錨桿采用φ22砂漿錨桿，長350 cm。二次襯砌采用C25混凝土。

2.1 隧道凈空收斂監(jiān)測

隧道拱頂下沉、周邊收斂等位移的量測，每5～10 m設(shè)置一個斷面。收集整理量測結(jié)果，累計收斂值都≤2 cm。分析認為隧道在初期支護后基本穩(wěn)定。

2.2 隧道各項受力情況的監(jiān)測

實施的監(jiān)測內(nèi)容有：

(1)采用鋼弦式量測系統(tǒng)，其由鋼弦式傳感器(壓力盒)和鋼弦頻率測定儀組成，監(jiān)測作用于仰拱底板圍巖受到的垂直壓力，了解圍巖壓力的量值和分布，判斷圍巖的穩(wěn)定性。把測點布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個斷面5個測點。

(2)采用鋼弦式量測系統(tǒng)，監(jiān)測作用于初期支護和二次襯砌間的接觸受力，分析支護和二次襯砌的穩(wěn)定性和安全度。把測點布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個斷面5個測點，

(3)采用鋼弦式鋼筋應力計對鋼拱架的應力進行監(jiān)測，可知鋼拱架的實際工作狀態(tài)，從鋼拱架的性能曲線上可以確定在此壓力作用下鋼拱架所具有的安全系數(shù)，根據(jù)鋼拱架的受力狀態(tài)，判斷圍巖和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；了解鋼拱架的實際工作狀態(tài)，保證隧道施工安全。

(4)采用鋼弦式鋼筋應力計對關(guān)鍵部位的二次襯砌鋼筋受力進行監(jiān)測。把測點布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個斷面5個測點。

(5)采用混凝土壓力傳感器對二次襯砌混凝土應力情況進行監(jiān)測，其目的是為了了解混凝土層的變形特性以及混凝土的應力狀態(tài)，判斷支護結(jié)構(gòu)長期使用的可靠性及安全程度，檢驗二次襯砌設(shè)計的合理性。每個斷面在二次襯砌中布置5個混凝土壓力傳感器。

(6)鎖腳錨桿內(nèi)力監(jiān)測。為了解錨桿實際工作狀態(tài)及軸向力的大小，結(jié)合圍巖內(nèi)部位移量測，判斷圍巖發(fā)展趨勢，分析圍巖內(nèi)強度下降區(qū)的界限，評價錨桿支護效果。采用鋼弦式電測錨桿，每個斷面布置3～5個測點。

從測試數(shù)據(jù)上分析，各項測試數(shù)值較小，且呈變小趨勢，各項受力趨于穩(wěn)定，隧道整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

課堂教學主要分為兩部分：教師講解與學生自主完成實訓相結(jié)合，教師在課程的開始綜合講解該項目所融合的知識點，然后按模塊劃分，對每一模塊的講解借鑒“對分”的模式，由于知識點為前期所學知識，對于學生而言并不是很困難，因此每節(jié)課分為三部分：首先教師對要講解的功能模塊進行簡單概述；其次學生之間進行討論，對遇到的問題進行組內(nèi)解決，組內(nèi)無法解決的提交給老師，由教師匯總后統(tǒng)一解決共性問題；最后學生對自己的實訓課題進行完成，進行硬件設(shè)計或者軟件程序的編寫。

3 Ⅳ級圍巖取消仰拱試驗段的實施

3.1 取消仰拱段落的選定及支護參數(shù)的確定

YK157+044～YK157+008段掌子面巖性為薄層頁巖夾灰?guī)r，圍巖整體上與ZK157+094、ZK157+102段落基本一致。經(jīng)參建各單位人員現(xiàn)場踏勘，確認該段圍巖為Ⅳ級圍巖，確定初期支護采用原設(shè)計Ⅳ型支護參數(shù)，局部參數(shù)由設(shè)計院計算校核后稍作調(diào)整，但取消仰拱設(shè)置。為確保施工過程中的安全，將原臺階法開挖調(diào)整為單側(cè)壁導坑法施工，并對超前支護做適當加強。具體調(diào)整參數(shù)如下：

超前支護為φ25砂漿錨桿，環(huán)距為30 cm(原設(shè)計40 cm)，排距為3 m，L=4.5 m，每環(huán)63根，搭接長度≥1 m。每榀格柵鋼架較原設(shè)計增加6根3 mφ22鎖定砂漿錨桿。襯砌構(gòu)造為：φ22砂漿錨桿(系統(tǒng)錨桿)，L=3.5 m，梅花型布置@100×100；噴C20混凝土厚20 cm，鋼格柵間距@=100 cm施作；掛鋼筋網(wǎng)φ6.5@20×20；二襯施作50 cm厚的C25混凝土，二襯邊墻底部作局部加大橫截面，并設(shè)置兩根φ25砂漿錨桿，L=3.5 m，縱向間距為50 cm，錨桿端頭伸入二襯混凝土50 cm；預留變形量視圍巖變形情況設(shè)置，預留8 cm(詳見圖1)。

圖1 正常橫坡度Ⅳ級圍巖無仰拱段隧道襯砌斷面圖

3.2 具體施工工藝

(1)施工準備

做好人員、機械的準備工作，保證施工的連續(xù)性與進度要求。人工機械進行場地平整及完善臨時排水設(shè)施，營造良好的施工環(huán)境。隨后進行測量放線，放出洞口中樁，把全站儀置于中樁，放出開挖輪廓線。

(2)左側(cè)先行導坑上部開挖及支護

爆破采用光面爆破或預裂爆破以減少對圍巖的擾動。爆破作業(yè)要對鉆孔深度、鉆孔直徑、鉆孔位置及裝藥量嚴格控制，爆破采用光面爆破或預裂爆破，周邊眼間距35～40 cm，采用間隔裝藥，掏槽眼采用直眼掏槽。采用人工進行清刷開挖面，使隧道周邊輪廓圓順，成拱度良好，形成良好受力拱。開挖預留變形量為8 cm，放樣時注意控制。

開挖之后，立即進行支護。先噴一層厚2～3 cm的C20噴射混凝土，再進行其他支護。導坑壁臨時支護采用φ22砂漿錨桿@120×100L=200 cm、噴C20混凝土厚12 cm、φ6.5鋼筋網(wǎng)@25×25、鋼格柵縱向間距100 cm。

先行導坑上部開挖、支護一定距離后，即進行導坑下部開挖及支護。導坑下部關(guān)鍵是邊墻馬口跳槽的開挖，邊墻馬口跳槽易采取長短馬口結(jié)合，減少跳槽次數(shù)。首輪馬口長度宜≤2 m，且首輪馬口的中心宜選在拱圈接縫處，并注意巖層傾斜和穩(wěn)定情況，防止順層坍滑。

(4)設(shè)置臨時壁墻支護

沿隧道先行導坑左側(cè)開挖輪廓，設(shè)置臨時壁墻支護，主要采用鋼格柵以及錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴C20混凝土組成。

(5)后行導坑上部開挖及支護

后行導坑上部開挖及支護類似先行導坑上部的開挖及支護方法。但是由于先行導坑的開挖使得在開挖后行導坑時多出一個臨空面，加大了爆破開挖的難度，故應嚴格控制爆破開挖，降低對先行導坑支護的影響，采用控制爆破減少對周邊圍巖以及先行導坑的擾動。爆破后首先對先行導坑進行觀察，發(fā)現(xiàn)圍巖松動、噴的混凝土裂開及脫離等不良的情況，立即采取有效措施加固處理。

(6)后行導坑下部開挖及支護

后行導坑下部開挖及支護類似先行導坑下部開挖及支護的方法。值得注意的是，先行、后行導坑開挖必須保證安全距離。

(7)施作防水層及灌注二次襯砌混凝土

二襯的施作受時間因素影響很大，直接關(guān)系到襯砌結(jié)構(gòu)的安全，過早施作會使二次襯砌承受較大的圍巖壓力，過晚又不利于初期支護的穩(wěn)定，隧道二次襯砌質(zhì)量的好壞對隧道的長期穩(wěn)定、使用功能的正常發(fā)揮以及外觀美均有很大影響，為了監(jiān)測隧道的長期穩(wěn)定性，需要根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，確定二次襯砌施作時間。

3.3 隧道凈空收斂監(jiān)測與隧道各項受力情況的監(jiān)測

隧道凈空收斂監(jiān)測與隧道各項受力情況的監(jiān)測按ZK157+094、ZK157+102段落方案進行布設(shè)，并加大量取數(shù)據(jù)頻率，及時分析監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果

分析，取消仰拱段的凈空收斂及其他各項受力情況與正常設(shè)置仰拱段偏差不大，說明隧道圍巖及結(jié)構(gòu)本身都處于安全穩(wěn)固狀態(tài)。

4 結(jié)語

通過以上試驗段實例分析可以得出以下結(jié)論：

(1)對于大跨扁平隧道，在屬于較硬巖～較軟巖的Ⅳ級圍巖及Ⅳ級圍巖以下的段落可以不設(shè)置仰拱。

(2)“新奧法”施工要求充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，按照“強度折減”的理念，《公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTG D70-2004)》的建議支護參數(shù)仍有優(yōu)化的空間，值得進一步研究。在確保安全的前提下，有效降低建設(shè)、管理成本。

(3)本案例的成功施做，對灰?guī)r地區(qū)兩車道隧道Ⅳ級圍巖取消仰拱的研究具有一定指導作用和參考價值，若能進一步證明Ⅳ級圍巖隧道的安全穩(wěn)定性而大力推廣，將取得十分顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[2]羅 成，章繼樹.特大斷面公路隧道仰拱受力機理分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(增)：225-228.

[3]宋 飛，成 銘.基于隧道荷載模式的仰拱力學分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(增)：192-194.

[4]李 明，陳洪凱，葉四橋.公路隧道仰拱力學行為的數(shù)值模擬研究[C].2007年全國公路隧道學術(shù)會議，2007.