郜安安
(山西路橋第六工程有限公司一分公司,山西 晉中 030600)
隧道施工受到地質(zhì)情況和周邊環(huán)境的影響,造成現(xiàn)場施工情況多變。軟弱圍巖自穩(wěn)能力差,自身強(qiáng)度低,在受到隧道施工擾動(dòng)后變形量大,容易造成隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大變形[1]。由于隧道地質(zhì)情況復(fù)雜,施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)由于圍巖變形量大、速度快等問題,造成支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂,侵入建筑限界,甚至出現(xiàn)塌方事故。新奧法施工采用動(dòng)態(tài)施工管理,根據(jù)施工現(xiàn)場圍巖的基本情況實(shí)時(shí)調(diào)整施工參數(shù),保證隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?;?07國道左權(quán)至黎城界公路工程橋上隧道現(xiàn)場施工實(shí)踐,在施工中由于軟弱圍巖產(chǎn)生了較大變形,導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)開裂。通過對隧道內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查,對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并選取有代表性的測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控量測,分析拱頂下沉、周邊位移和圍巖壓力的變化情況,為確定隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供參考。
隧道開挖后,改變了軟弱圍巖的受力狀態(tài),圍巖應(yīng)力快速釋放出來。當(dāng)圍巖應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度后,圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性化,進(jìn)而產(chǎn)生較大的變形。為了抵抗圍巖塑性變形,必須采取有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,減少圍巖應(yīng)力的影響。將軟弱圍巖的重力、膨脹力等向隧道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的力的合力記作,其表達(dá)式[2]為:
207國道左權(quán)至黎城界公路工程橋上隧道位于山西省左權(quán)縣橋上村,隧道軸線走向約200°。洞體左線全長2 247 m,進(jìn)口段里程樁號為LK33+710,洞口底板設(shè)計(jì)高程為1 036.744 m,出口段里程樁號為LK35+957,洞口底板設(shè)計(jì)高程為986.819 m,洞體最大埋深113.44 m,位于LK34+800;洞體右線全長1 893 m,進(jìn)口段里程樁號為RK33+732,洞口底板設(shè)計(jì)高程為1 035.178 m,出口段里程樁號為RK35+625,洞口底板設(shè)計(jì)高程為998.236 m;洞體最大埋深115.51 m,位于RK34+800。
橋上隧道所處地段地質(zhì)構(gòu)造形跡以褶皺為主,伴生有北東向和北西向的斷裂構(gòu)造。隧址區(qū)構(gòu)造簡單,屬單斜山,巖層產(chǎn)狀300°∠14°。該隧道圍巖等級主要為Ⅳ級和V級圍巖,以V級圍巖為主。巖性為第四系覆蓋層、震旦系串嶺溝組強(qiáng)風(fēng)化砂巖,巖體較破碎、圍巖自穩(wěn)能力差,易坍塌,側(cè)壁不穩(wěn)定,不能裸露時(shí)間過長,否則會(huì)有掉塊或塌方。隧道圍巖為軟弱圍巖,圍巖壓力持續(xù)增加,增長速度最高可達(dá)到0.10~0.2 MPa/d,圍巖壓力較大且不斷增加。隧道洞身也產(chǎn)生了較大的變形,造成隧道初期襯砌開裂。施工中對隧道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并對優(yōu)化后的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測,分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、變形控制效果。V級圍巖地段隧道支護(hù)參數(shù)如表1所示。
表1 V級圍巖地段隧道初期襯砌主要支護(hù)參數(shù)
本項(xiàng)目施工采用三臺階開挖法,多次開挖對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體下沉、側(cè)移和收斂。在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置鎖腳錨桿,可有效減少變形。本項(xiàng)目隧道軟弱圍巖地段鎖腳錨桿設(shè)計(jì)長度為3.5 m,施工中發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的下沉、側(cè)移和收斂變形。由于邊墻處的圍巖位移和周邊位移變形最大,優(yōu)化后中臺階鎖腳錨桿長度為6 m,上下臺階鎖腳錨桿長度為5 m。
鋼支撐可有效提高隧道初期襯砌的剛度,抵抗軟弱圍巖變形應(yīng)力。本項(xiàng)目淺埋洞口段采用Ⅰ20a工字鋼,布置間距60 cm。施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示,支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂下沉、周邊位移變形量均較大。優(yōu)化后采用Ⅰ22b代替Ⅰ20a工字鋼,布置間距為60 cm不變。
超前小導(dǎo)管可有效加固掌子面前方軟弱圍巖,減少超挖,降低圍巖變形,提高施工安全。本項(xiàng)目軟弱圍巖地段超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)采用φ42超前小導(dǎo)管,長度為4.5 m,環(huán)向間距為40 cm,外插角為8°。施工中出現(xiàn)了較大超挖,監(jiān)測后圍巖壓力較大,這是造成初期襯砌變形開裂的主要原因之一。對超前小導(dǎo)管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),仍采用φ42無縫鋼管,長度為5 m,環(huán)向間距為30 cm。
通過對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并采取措施進(jìn)行圍巖變形控制,大大提高了隧道圍巖的支護(hù)效果。為了檢驗(yàn)加固后的隧道圍巖控制效果,選取有代表性的斷面進(jìn)行拱頂下沉和周邊位移量測。選取橋上隧道LK34+210斷面作為監(jiān)測斷面,在拱頂設(shè)置下沉測點(diǎn),并分別在拱腰、邊墻和墻腳布置周邊位移測點(diǎn),通過跟蹤量測確定洞身變形情況如表2所示,洞身變形曲線如圖1。
表2 LK34+210斷面洞身變形監(jiān)測結(jié)果
圖1 LK34+210斷面隧道洞身變形分析曲線
分析表2數(shù)據(jù)和圖1曲線,拱頂下沉早期變形量相對較大,變形速率2~3 mm/d,觀測期間最大變形量為17 mm,且變形趨于穩(wěn)定。拱腰周邊位移早期變形速率為3~4 mm/d。邊墻開挖后變形量和變形速率增大,變形速率達(dá)到5 mm/d。仰拱開挖后墻腳周邊位移明顯增加,開挖當(dāng)天變形量達(dá)到4 mm,仰拱支護(hù)完成后洞身周邊位移變形速率不斷降低,變形趨于穩(wěn)定,說明初期支護(hù)后隧道洞身圍巖變形穩(wěn)定。
在LK34+210拱頂、拱腰和邊墻布置測點(diǎn),埋設(shè)壓力盒,監(jiān)測隧道圍巖壓力,繪制圍巖壓力時(shí)程曲線如圖2、圖3和圖4。
分析圖2曲線,隧道上臺階開挖后,圍巖壓力不斷增大,開挖后5 d內(nèi)圍巖壓力超過0.1 MPa后有所下降。邊墻開挖后圍巖壓力再次提高,出現(xiàn)了較大波動(dòng)。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用,圍巖壓力在邊墻支護(hù)后有所下降,而后雖然有所增加,但變化幅度很小,說明拱頂處圍巖壓力基本穩(wěn)定。
圖2 LK34+210斷面拱頂圍巖壓力時(shí)程曲線
圖3 LK34+210斷面拱腰圍巖壓力時(shí)程曲線
分析圖3曲線,隧道拱腰圍巖壓力在上臺階開挖支護(hù)后,在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下,圍巖壓力增加幅度較小。邊墻開挖后拱腰部位圍巖壓力不斷增加,且增加幅度較大,增速較快,最大增速達(dá)到0.03 MPa/d。當(dāng)隧道仰拱施工完成后,圍巖壓力增加速度不斷下降,且14 d后變形逐步趨于穩(wěn)定。
圖4 LK34+210斷面邊墻圍巖壓力時(shí)程曲線
分析圖3曲線,隧道邊墻圍巖壓力在開挖后迅速釋放出來,且增加速度較快,最大速率達(dá)到0.03 MPa/d。隧道仰拱開挖后圍巖壓力明顯增加,其中左側(cè)邊墻增幅較大,圍巖壓力接近0.1 MPa。仰拱支護(hù)后圍巖壓力有所降低,且后期圍巖壓力增速趨緩,并逐步趨于穩(wěn)定。
綜上所示,優(yōu)化隧道支護(hù)參數(shù)后,隧道圍巖壓力明顯下降。施工中所產(chǎn)生的擾動(dòng)是造成隧道圍巖壓力增大的主要因素,在拱部、邊墻、仰拱開挖后隧道圍巖壓力均產(chǎn)生了一定幅度的增加。但在進(jìn)行支護(hù)后,隧道圍巖壓力明顯下降,說明支護(hù)效果良好。在經(jīng)過一定時(shí)間的監(jiān)測后,隧道拱部、拱腰、邊墻的圍巖壓力已逐步趨于穩(wěn)定,說明圍巖結(jié)構(gòu)支護(hù)后處于穩(wěn)定狀態(tài)。
結(jié)合隧道軟巖支護(hù)原理,以207國道左權(quán)至黎城界公路工程橋上隧道工程為研究背景,對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過選取有代表性的監(jiān)測斷面,布置測點(diǎn)觀測隧道拱頂下沉、周邊位移和圍巖壓力,分析數(shù)據(jù)和變化曲線得出以下結(jié)論:
a)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:隧道拱頂下沉和周邊位移的早期變形速度較快,在邊墻開挖后變形速度較快,最大變形速率達(dá)到5 mm/d,仰拱開挖支護(hù)后變形逐漸趨于平緩,說明洞身變形趨于穩(wěn)定。
b)隧道圍巖壓力的監(jiān)測結(jié)果表明:隧道拱部、邊墻、仰拱開挖后圍巖壓力均產(chǎn)生了一定幅度的增加,且在支護(hù)后隧道圍巖壓力明顯下降。經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測,隧道各部位圍巖壓力逐步趨于穩(wěn)定,說明支護(hù)達(dá)到了預(yù)期效果。
c)通過對支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測分析,拱頂下沉、周邊位移和圍巖壓力均產(chǎn)生了大幅度的下降,且變形基本趨于穩(wěn)定,說明調(diào)整后有效提高了隧道的穩(wěn)定性,達(dá)到了預(yù)期的目的。