黃遠(yuǎn)智

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隧道工程對(duì)于交通行業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，其大大縮短了通車?yán)锍?，?jié)約了運(yùn)輸過(guò)程中的時(shí)間成本和燃料成本，具有非常直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。從某種程度上來(lái)說(shuō)，隧道工程的質(zhì)量也標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。近年來(lái)，隨著我國(guó)隧道工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，大量先進(jìn)的隧道施工技術(shù)以及工程管理經(jīng)驗(yàn)在不斷地運(yùn)用并得以推廣，部分隧道工程的核心施工技術(shù)在全球范圍內(nèi)處于行業(yè)的領(lǐng)先地位。值得一提的是，在眾多隧道的施工技術(shù)中，連拱隧道的施工方案一直都是業(yè)內(nèi)專家和相關(guān)技術(shù)人員研究的重點(diǎn)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的不斷研究與探索，現(xiàn)已逐步形成了一整套科學(xué)、高效的連拱隧道施工模式，這與我國(guó)隧道工程人員多年來(lái)的努力是分不開的。

淺埋大跨徑連拱隧道施工在當(dāng)前我國(guó)隧道工程領(lǐng)域中屬于施工難度比較大的工程問(wèn)題，施工的限制因素有很多，在施工過(guò)程中不僅要考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、氣候和環(huán)境因素，更要考慮到隧道圍巖對(duì)施工所造成的諸多影響。淺埋大跨徑的連拱隧道施工一般較為復(fù)雜，常規(guī)的隧道施工理論與施工技術(shù)將不再適用。本文通過(guò)對(duì)基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工技術(shù)的深入研究，提出了保障施工安全性及穩(wěn)定性的連拱隧道施工模型，并通過(guò)具體的工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，具有一定的應(yīng)用前景[1]。

1 施工方案可行性評(píng)估

連拱隧道的具體施工方案受地形、地質(zhì)條件的綜合限制。一般而言，基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工應(yīng)將高速公路設(shè)計(jì)成上、下行彼此分離的雙向獨(dú)立隧道，且隧道間的最小距離不應(yīng)受到施工的影響。根據(jù)隧道基巖、圍巖的成分和性質(zhì)，以及斷面的尺寸和具體的施工方案，基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工應(yīng)綜合考慮上述因素。對(duì)地勢(shì)險(xiǎn)峻、脊谷交錯(cuò)的地域，分離式的路基將不適用于施工，因?yàn)槠錈o(wú)法滿足左、右洞的間距要求，應(yīng)采用小徑距和連拱的隧道施工方案為宜。此外，由于小間距的隧道對(duì)于中隔墻體雙側(cè)的圍巖表面爆破技術(shù)有一定的技術(shù)要求，使得施工難度進(jìn)一步加大，而主洞開挖和支護(hù)的過(guò)程必定會(huì)使中間部分的巖體受到擾動(dòng)，導(dǎo)致巖體的承載能力大大減弱，進(jìn)而影響隧道整體的穩(wěn)定性和安全性，需通過(guò)額外的加固或支護(hù)措施來(lái)進(jìn)一步處理。尤其是對(duì)于軟弱圍巖隧道來(lái)說(shuō)，將使工程的投資進(jìn)一步增加。目前我國(guó)對(duì)于小間距隧道的施工技術(shù)仍沒(méi)有完全成熟的配套方案以及相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，而對(duì)于連拱隧道在各種跨徑下的圍巖尺寸、形狀以及各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)、指標(biāo)的確定，相關(guān)的系統(tǒng)研究還比較缺乏，使得小間距隧道工程的適用領(lǐng)域不夠明確。因此，采用淺埋大跨徑的連拱隧道施工方案應(yīng)綜合上述各種因素進(jìn)行全方位的勘測(cè)和評(píng)估[2]。雙連拱隧道的施工模型如圖1所示。

圖1 雙連拱隧道的施工模型圖

2 施工模擬方案分析

2.1 施工模型搭建

假設(shè)隧道圍巖屬于彈塑性，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地施工數(shù)據(jù)，本次模擬施工的具體條件和力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。約束性條件：該模型雙側(cè)為橫向約束，底部為水平約束以及垂直約束、旋轉(zhuǎn)約束。單元的類型以三邊形單元為主，網(wǎng)格部分應(yīng)充分考慮計(jì)算機(jī)容量以及所構(gòu)造的斷層屬性，可以自動(dòng)生成加密三邊形單元。因此定義隧道施工穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型見式1。

表1 力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

G=A(x)=α+β(x)=0

(1)

式中，G——隧道施工的綜合穩(wěn)定程度；

A——x的函數(shù)；

x——隧道圍巖的強(qiáng)度；

α——隧道基巖強(qiáng)度；

β——隧道周圍巖體受力[3]。

2.2 模擬結(jié)果分析

中導(dǎo)洞開挖過(guò)程相對(duì)于圍巖應(yīng)力以及位移應(yīng)無(wú)較大的變化，這是由于中導(dǎo)洞一般為小洞徑的隧道開挖，且中隔墻主要承載自重，因此模型中引起圍巖應(yīng)力位移變化不大。開挖過(guò)程使得左邊導(dǎo)洞拱頂下沉約7 mm左右，右邊拱頂下沉約為8 mm左右，但均符合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)埋深的要求，并且符合Ⅳ類圍巖相對(duì)位移的約束值[4]。

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

以廣西南寧小明山隧道為例進(jìn)行驗(yàn)證，該隧道分為上、下行雙向4車道連拱隧道，進(jìn)口設(shè)計(jì)樁號(hào)為K75+220，出口設(shè)計(jì)樁號(hào)為K75+485，隧道全長(zhǎng)285 m，行車道基線間距為4.8 m，底板高程348.50～353.55 m。該隧道的最大埋深約為16 m左右，屬于典型的淺埋大跨徑連拱隧道。隧道地處低山區(qū)，多為起伏地貌，人工進(jìn)行填土所得到的地質(zhì)成分差異性較大，屬于典型的不穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)。此外，超風(fēng)化巖的穩(wěn)定性較差，在飽和的情況下如果受到施工的擾動(dòng)則強(qiáng)度會(huì)大幅下降，而輕風(fēng)化巖的巖面埋深大概在3～6 m之間。小明山隧道主要經(jīng)過(guò)輕風(fēng)化巖層，由于地質(zhì)構(gòu)造的原因，該層多為不同風(fēng)化程度的軟弱夾層，且夾層厚度較小[5]。

3.1 施工要點(diǎn)解析

施工過(guò)程中通過(guò)臺(tái)階法開挖，中導(dǎo)洞以及中隔墻首先進(jìn)行開挖，隨后進(jìn)行左、右兩邊洞體的開挖，各洞又分為上、中、下三部分臺(tái)階。此施工方法較為簡(jiǎn)便，但需要注意的問(wèn)題是，在主洞開挖并進(jìn)行支護(hù)以后，中隔墻便開始承重，在其頂部和底部的圍巖中會(huì)出現(xiàn)較高的應(yīng)力承載區(qū)域，尤其是頂部的圍巖所產(chǎn)生的應(yīng)力比較集中。在實(shí)際施工過(guò)程中，掌子面的穩(wěn)定性將會(huì)減弱，由于周邊巖體的形變量較大，因此應(yīng)注意這種情況下所產(chǎn)生的安全隱患。

3.2 力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)小明山連拱隧道施工過(guò)程的詳細(xì)分析可知，隧道周邊巖體的應(yīng)力主要集中在開挖面附近，在邊墻、底板交界的轉(zhuǎn)角位置以及在導(dǎo)洞的拱頂部位、斷面底板部位均有拉應(yīng)力集中形成的現(xiàn)象。采用連拱隧道施工方案時(shí)，位于側(cè)導(dǎo)洞上方的拉應(yīng)力并未覆蓋隧道的全斷面，因此開挖側(cè)導(dǎo)洞對(duì)全斷面隧道的頂部影響不大。而邊緣和拱底轉(zhuǎn)角位置以及中隔墻的底部均分布有一定的應(yīng)力，但對(duì)隧道基巖開挖時(shí)應(yīng)力的分布影響效果不明顯，這是因?yàn)樽?、右邊墻的橫向收斂將在主洞頂部開挖時(shí)發(fā)生，隨后收斂值緩慢變小[6]。常見的隧道力學(xué)結(jié)構(gòu)分析如圖2所示。

圖2 常見的隧道力學(xué)結(jié)構(gòu)分析圖(cm)

3.3 支護(hù)措施

隧道開挖后會(huì)形成很多新的空洞，這對(duì)于隧道周圍的巖體原有的平衡狀態(tài)較為不利，導(dǎo)致隧道周圍巖體的應(yīng)力發(fā)生變化，可能會(huì)造成圍巖形變和塌方。為使圍巖形變以及塌方得到有效控制，應(yīng)采取必要的措施進(jìn)行支護(hù)。由連拱隧道初始設(shè)計(jì)方案可知，應(yīng)通過(guò)噴錨以及拱架的方式來(lái)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行支護(hù)，最大程度地保留圍巖的初始狀態(tài)并發(fā)揮其良好的自承能力，有效控制圍巖形變以及塌方等事故的發(fā)生。應(yīng)該注意的問(wèn)題是，錨桿的初期支護(hù)有懸吊和加固的作用，而混凝土的噴涂工序可將圍巖裂縫進(jìn)行良好的填充并加固，以防止圍巖風(fēng)化情況的發(fā)生[7]。

4 施工方案優(yōu)化

原始設(shè)計(jì)方案中對(duì)中導(dǎo)洞先行開挖，中隔墻的施工緊隨其后，間距為8 m左右；而在實(shí)際施工過(guò)程中，中導(dǎo)洞因其斷面較小，在中隔墻施工結(jié)束后兩邊僅剩大約1 m的空間，只能容部分施工機(jī)械以及施工人員進(jìn)出，中隔墻施工車的安裝會(huì)影響正常的施工。通過(guò)對(duì)施工數(shù)據(jù)反復(fù)對(duì)比和精確計(jì)算，計(jì)劃將<150 m的一側(cè)隧道入洞，當(dāng)中導(dǎo)洞疏通之后再進(jìn)行中隔墻的施工，但長(zhǎng)度在150～350 m范圍內(nèi)的隧道應(yīng)從兩側(cè)入洞，且其中一側(cè)進(jìn)入約一半時(shí)，從里向外對(duì)中隔墻開始施工。這種方法便于施工且能夠保證工期[8，9]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工技術(shù)進(jìn)行深入研究，總結(jié)并歸納了此類隧道在施工過(guò)程中須注意的事項(xiàng)；通過(guò)對(duì)具體工程實(shí)例的可行性評(píng)估來(lái)分析施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，并以模擬施工模型的搭建來(lái)對(duì)基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工進(jìn)行模擬分析，同時(shí)對(duì)施工的核心技術(shù)要點(diǎn)、物理力學(xué)參數(shù)以及施工過(guò)程中的支護(hù)措施進(jìn)行了闡述；最后通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，提出了基于淺埋大跨徑的連拱隧道施工的優(yōu)化方案。本文對(duì)國(guó)內(nèi)同類工程的施工以及相關(guān)的技術(shù)研究具有一定的參考價(jià)值。