劉劍
(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司,蘭州 730030)
隨著我國基礎(chǔ)交通設(shè)施的不斷完善,公路工程的建設(shè)步伐也日益加快。在山區(qū)公路設(shè)計時,為了避免公路盤山而行或深挖路塹,往往會采用隧道結(jié)構(gòu)來提高公路指標(biāo)、降低開挖工程量、節(jié)約建設(shè)用地等。目前公路設(shè)計常用隧道一般是獨(dú)立雙洞。獨(dú)立雙洞隧道要滿足規(guī)范的最小凈距要求,可能會導(dǎo)致展線不靈活、土地占有率大、高邊坡等問題。而連拱隧道往往存在造價較高、施工技術(shù)復(fù)雜、施工工期較長等問題。基于此,為了提高選線自由度、減小高邊坡規(guī)模等,越來越多的山區(qū)公路隧道建設(shè)開始采用小凈距隧道。目前,國內(nèi)外學(xué)者針對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了一些研究,如宋洋等【1】利用有限元軟件MIDAS/GTS建立淺埋偏壓小凈距隧道的計算模型,引用強(qiáng)度折減法計算出隧道的安全系數(shù);衛(wèi)鵬華【2】以新城子隧道為依托,探討了軟巖地區(qū)小凈距隧道支護(hù)形式及仰拱、二次襯砌的施工順序。因此,為了提高我國隧道工程的整體建設(shè)水平,研究小凈距隧道的支護(hù)設(shè)計和施工控制技術(shù)具有十分重要的工程意義。
本文依托項目為某山區(qū)高速公路,其全長10.713km,設(shè)計荷載為公路-I 級,地質(zhì)條件十分復(fù)雜。本項目席家梁隧道穿越粉質(zhì)黏土(Q4d)l、黃土()、砂質(zhì)泥巖(N)、砂巖(N)巖性較軟弱,抗風(fēng)化能力較差,屬極軟巖,遇水易軟化、崩解,且隧道進(jìn)口YK5+475~YK5+600 段存在偏壓、埋深較淺、小凈距情況,主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。
表1 席家梁隧道工程主要技術(shù)指標(biāo)
由于不同級別的圍巖爆破時其松動圈半徑各有不同,開挖后應(yīng)力重分布影響范圍也有差異,故如果僅以某一間距值來決定是否是小凈距隧道是不科學(xué)的,可能會導(dǎo)致小凈距隧道的設(shè)計中間巖墻的加固方案不合理【3】。隧道雙洞開挖期間,中夾巖墻處會出現(xiàn)位移、應(yīng)力等矢量疊加,則中間巖墻內(nèi)一定有位移是0 的中性面。因此,選擇隧道開挖后中性面上圍巖重分布應(yīng)力和單洞開挖后同一部位應(yīng)力的比值大小來判斷是否為小凈距隧道是可行的。
目前,隧道二次襯砌計算方法主要有荷載結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法、收斂限制法等,筆者計算采用MIDAS/GTS 巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》9.2.1 條,對二襯采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型計算。在進(jìn)行數(shù)值模擬時,二次襯砌采用梁單元進(jìn)行模擬,圍巖彈性抗力用壓曲面彈簧單元模擬。由于缺少現(xiàn)場圍巖彈性抗力系數(shù)及計算摩擦角等實(shí)測數(shù)據(jù),本次計算參照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行取值。荷載結(jié)構(gòu)法計算圖示如圖1 所示。
圖1 “荷載- 結(jié)構(gòu)”法計算示意圖
根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》表9-1 規(guī)定,Ⅴ級圍巖,二襯分擔(dān)荷載比例60%~80%,席家梁隧道二襯按承擔(dān)70%的圍巖壓力進(jìn)行計算。具體數(shù)值見表2。
表2 垂直圍巖壓力及水平圍巖壓力
計算模型中襯砌支護(hù)參數(shù)采用設(shè)計值,二襯采用50cm 厚C30 模筑鋼筋混凝土。按“荷載-結(jié)構(gòu)”法原理建立的有限元模型如圖2 所示。
圖2 二襯結(jié)構(gòu)有限元模型圖
按照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中第9.1.1條要求,隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)按照破損階段法驗(yàn)算構(gòu)件截面強(qiáng)度?;炷两Y(jié)構(gòu),應(yīng)按JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》第9.2.11、9.2.12 條進(jìn)行抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度的驗(yàn)算;Ⅴ級圍巖段二次襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),應(yīng)按JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》附錄N 分別進(jìn)行正截面抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。
3.2.1 淺埋段二次襯砌計算
通過對淺埋段二次襯砌計算,得出最大軸力發(fā)生在邊墻墻角處,最大軸力約為767.877kN,拱頂處軸力相對較小,約為398.601kN,在隧道的拱頂和兩端邊墻腳位置彎矩較大,最大彎矩發(fā)生在墻腳處,約為207.293kN·m。
3.2.2 深埋段二次襯砌計算
通過對深埋段二次襯砌計算,得出最大軸力發(fā)生在邊墻墻角處,最大軸力約為924.484kN,拱頂處軸力相對較小,約為499.885kN,在隧道的兩端邊墻腳位置和仰拱處彎矩較大,最大彎矩發(fā)生在墻腳處,約為249.622kN·m。
席家梁隧道二次襯砌為C30 模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。每延米二襯受力主筋為4 根22mm,二襯受拉和受壓面均為對稱配筋,鋼筋保護(hù)層不小于5cm。
提取襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂、拱肩、最大跨度處、拱腳及仰拱中心的軸力和彎矩。各個典型截面的軸力和彎矩和強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表3、表4 所示。
表3 埋深10m襯砌承載力強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果
表4 埋深50m襯砌承載力強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果
從表3、表4 可以看出:襯砌結(jié)構(gòu)各處安全系數(shù)均滿足JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》第9.2.4 條要求的2.0,襯砌結(jié)構(gòu)安全、可靠,并有一定的安全儲備。
該隧道開挖時,應(yīng)當(dāng)以中間巖墻的穩(wěn)定和加固作為施工重點(diǎn)環(huán)節(jié)。為了降低隧道開挖對中間巖墻的干擾,可以選擇先行洞、后行洞等方法來施工,應(yīng)先施工地質(zhì)條件相對較差或埋深較淺一側(cè)主洞,再施工另外一側(cè)主洞,先行洞二襯距后行洞掌子面應(yīng)大于30m。同時,當(dāng)開挖先行洞接近中間巖墻時,應(yīng)當(dāng)以機(jī)械開挖為主,必須盡可能地少使用或不使用爆破,并及時對掌子面進(jìn)行支護(hù),這樣可以提高隧道的穩(wěn)定性。此外,該隧道的洞口段埋深較淺,地下水位不高,可以選擇施工技術(shù)簡單、工程造價較低的“環(huán)形開挖留核心土法”施工,保證初支及時落底封閉成環(huán),以確保初期支護(hù)的承載能力【4,5】。
該隧道仰拱應(yīng)當(dāng)盡早形成封閉受力環(huán),其中,仰拱施工包括仰拱開挖、仰拱初支、仰拱二襯、仰拱填充4 部分。仰拱初期支護(hù)一次施作長度一般為2~3 榀拱架長度,地質(zhì)條件較差段一次施作長度不大于2 榀拱架長度;仰拱二襯一次澆筑長度一般不大于6m,地質(zhì)條件較差段一次澆筑長度不得大于4m,并與施工工序相結(jié)合,與二襯施工長度相結(jié)合,并做到三縫統(tǒng)一。仰拱施工時應(yīng)在作業(yè)區(qū)段內(nèi)搭設(shè)鋼棧橋確保洞內(nèi)交通正常通行,以便其不受隧道洞內(nèi)出碴運(yùn)輸?shù)母蓴_,保證掌子面正常施工。
由于二次襯砌按主要承載結(jié)構(gòu)設(shè)計,因此二次襯砌應(yīng)緊跟初支封閉成環(huán)段施工,在初支落底后應(yīng)及時施作二次襯砌仰拱和仰拱填充層,然后全斷面施作拱墻二次襯砌。該小凈距隧道的二次襯砌施工應(yīng)當(dāng)遵循“新奧法”的原則,并分析圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù),待圍巖和支護(hù)變形基本穩(wěn)定后再確定二襯施工時間。二次襯砌墻腳與仰拱接茬位置為受力薄弱點(diǎn),該處施工時,應(yīng)對接頭位置鑿毛,并沖洗干凈,確保銜接可靠,防止造成后期開裂。
本文基于某高速公路席家梁隧道小凈距YK5+475~YK5+600 段對隧道二次襯砌的設(shè)計計算和施工控制技術(shù)等展開了研究。主要得到以下幾方面的結(jié)論:
1)利用隧道開挖后中性面上圍巖重分布應(yīng)力和單洞開挖后同一部位應(yīng)力的比值大小來判斷是否為小凈距隧道是可行的;
2)計算采用“荷載-結(jié)構(gòu)”法,未考慮二次襯砌與初期支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)效應(yīng),計算結(jié)果偏于安全。
3)計算未考慮施工控制水平及其施工步序?qū)λ淼乐ёo(hù)結(jié)構(gòu)變形、受力的影響,但計算分析結(jié)果對襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力仍具有指導(dǎo)意義。
4)小凈距隧道開挖時,應(yīng)當(dāng)以中間巖墻的穩(wěn)定和加固作為施工重點(diǎn)環(huán)節(jié),并選擇先行洞、后行洞等方法來施工。隧道仰拱應(yīng)當(dāng)盡早形成封閉受力環(huán),并內(nèi)搭設(shè)簡易防干擾平臺。同時,隧道的二次襯砌施工應(yīng)當(dāng)在遵循“新奧法”原則的基礎(chǔ)上,利用圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來確定二襯施工時間。