趙鵬飛

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 工程概況

某隧洞位于長白山余脈及其支脈龍崗山底部，山體走向NE，地勢呈東北高西南低。地貌類型為侵蝕構(gòu)造地形和侵蝕堆積地形，以尖頂狀低山和中低山、鋸齒狀中低山和樹枝窄谷為主，多為侵蝕隆起與斷褶中低山丘陵地形。地面高程一般360～540m，最大高程710m，最小高程291.2m。線路全長130km，設(shè)計輸水流量75m3/s，多年平均輸水量18.63億m3。

隧洞主體工程采用以鉆爆法為主、TBM為輔的聯(lián)合施工方法。鉆爆法施工長度為99.5km，占主體隧洞總長的76.05%，采用馬蹄形斷面，成洞洞徑為7.28m×7.28m(寬×高)。

2 隧洞底板增加仰拱的由來

本工程初設(shè)階段通過隧洞過流能力和穩(wěn)定分析計算，確定鉆爆法施工段成洞斷面形狀為馬蹄形，成洞洞徑為7.28m×7.28m(寬×高)，典型斷面的結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

初設(shè)階段考慮采用先仰拱、后邊頂拱的二襯施工順序，主要是因為在邊頂拱襯砌完成之前仰拱要承擔運輸交通的任務(wù)，會導(dǎo)致仰拱混凝土面由于交通運輸車輛的碾壓而損壞，洞內(nèi)灌漿、邊頂拱襯砌施工等工作也對仰拱會造成污染，因此仰拱保護和修復(fù)會增加大量工作。故本工程鉆爆法施工洞段的襯砌方式采用先邊頂拱后仰拱的施工順序。

實施階段考慮采用先邊頂拱后仰拱的施工順序，從隧洞開挖完畢到仰拱襯砌開始時施工周期較長，仰拱部位長期暴露在空氣和水中，導(dǎo)致部分凝灰?guī)r、粉砂巖等火山碎屑巖與沉積巖及斷裂破碎帶、蝕變帶與涌水部位受到風(fēng)化擾動較大，為了保證初期支護和邊頂拱襯砌的穩(wěn)定，需要增設(shè)仰拱墊層以達到及時封閉仰拱的作用。故在隧洞底板上增設(shè)C30混凝土仰拱，仰拱厚15～20cm。

3 相關(guān)規(guī)范的規(guī)定

針對本工程馬蹄形斷面是否設(shè)置仰拱，設(shè)計人員首先查閱了相關(guān)規(guī)范，規(guī)范規(guī)定具體如下：

(1)SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中對此未做具體的要求。

(2)GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》第7.3.1條規(guī)定，在開挖跨度5m

(3)JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》第8.4.2條規(guī)定雙車道隧道Ⅳ類圍巖的隧洞設(shè)置35cm厚的仰拱，Ⅴ類圍巖隧洞設(shè)置45cm厚的仰拱。雙車道隧道最小開挖跨度約7.5m。

(4)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》第8.2.3條規(guī)定，對Ⅲ類軟質(zhì)巖以上的隧洞設(shè)置仰拱，Ⅲ類軟質(zhì)巖隧洞設(shè)置30～40cm厚的仰拱，Ⅳ類圍巖的隧洞設(shè)置40～50cm厚的仰拱，Ⅴ類圍巖隧洞設(shè)置45～60cm厚的仰拱。

第8.2.5條說明里面明確提出隧洞設(shè)置仰拱的目的是從根本上保證隧道基底置于基巖上，消除施工引起基底病害的潛在隱患；及時封閉仰拱或底板是保持洞室穩(wěn)定的關(guān)鍵，在Ⅳ～Ⅴ級圍巖中，仰拱尤其要超前施作。

由此可知，鐵路和公路隧道設(shè)置仰拱的目的主要還是考慮結(jié)構(gòu)受力和保護基底的要求。故針對本工程還需從隧洞初期支護的變形方面綜合確定仰拱設(shè)置的必要性。

4 洞室初期支護后穩(wěn)定分析

采用邁達斯GTS穩(wěn)定分析軟件，對本工程鉆爆法施工的Ⅱ—Ⅴ類圍巖洞室分別建立初期支護模型，然后分析仰拱對其初期支護后變形的影響。

4.1 模型的建立

為了能全面、準確地反映洞室開挖對洞周圍巖的影響，綜合考慮隧洞開挖幾何尺寸、地層巖土體強度參數(shù)等因素并減少邊界效應(yīng)的影響，模型的尺寸根據(jù)有限元分析原理和一般處理經(jīng)驗，洞周圍巖的影響范圍：水平向的影響范圍為隧洞開挖邊界外3～5倍開挖直徑，而豎向的影響范圍則為開挖底部向下2～4倍開挖直徑。模型尺寸將根據(jù)具體分析進行選取。

4.2 巖土體與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)提供的巖土體與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標建議值，結(jié)合工程實際情況及與其他工程類比，對計算中所用到的巖土體與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)進行取值，見表1—2。

4.3 支護參數(shù)設(shè)計

依據(jù)SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》、SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護技術(shù)規(guī)范》和GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進行隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計。初期支護參數(shù)及仰拱設(shè)計具體見表3。

表3 洞室初期支護設(shè)計參數(shù)對比表

4.4 仰拱最小厚度的計算

依據(jù)JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[3]第15.3.4條的規(guī)定，巖石路基的整平層混凝土的彎拉強度值應(yīng)與基層相同，厚度為10～15cm，本工程取為C30素混凝土厚度為15～20cm，并根據(jù)工程實際運輸情況對其承載強度進行復(fù)核。按照JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》附錄B的規(guī)定進行復(fù)核，計算公式如下。

表2 支護材料的物理力學(xué)參數(shù)表

r=1.21×(Dc/Et)1/3

σps=1.47×10-3×r0.7×hc-2×Ps0.94

σpm=1.47×10-3×r0.7×hc-2×Pm0.94

式中，Dc—混凝土面板彎曲剛度；hc—墊層厚度值，為0.15m；Vc—為混凝土泊松比，C30混凝土取為0.2；R—相對剛度半徑；Et—基層頂面回彈模量；σps—設(shè)計軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力；σpm—最重荷載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力；Ps、Pm—設(shè)計軸載及最重軸載，Ps值為標準出渣車軸載，該值取為100MPa，Pm值相應(yīng)取為150MPa。

經(jīng)計算σps為4.54MPa，σpm為4.14MPa，均小于規(guī)范允許值6MPa。

4.5 工況選擇

針對Ⅱ—Ⅴ類圍巖洞室分別對未支護、噴射混凝土支護、錨噴支護(或錨噴+拱架支護)和錨噴+仰拱洞室4種工況進行分析計算，以此確定其對限制洞室變形的影響程度，如圖2所示。

4.6 計算成果

開挖和初期支護施做完成后，各類圍巖斷面頂部沉降位移和兩側(cè)起拱線下邊墻位移最大。具體結(jié)果見下表4。

由表4可知，Ⅱ類、Ⅲ類圍巖洞段由于巖體自身的特性開挖后洞周變形值較小，初期支護和仰拱對其變形的束縛能力有限；Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段由于圍巖的凝聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量小，圍巖在自重的作用下產(chǎn)生較大的變形，支護后的隧洞洞周圍巖的變形較未支護的要小，而增加15～20cm厚的底板仰拱后，洞周圍巖的變形大幅度減小，減小幅度為未支護的52%～86%，尤其是對Ⅴ類圍巖洞段減少的更為明顯，可見及時封閉仰拱可給邊頂拱噴射混凝土提供穩(wěn)定的支撐，對減少洞室圍巖的變形極為有利。

表4 Ⅱ～Ⅴ類圍巖開挖及多種支護后斷面洞周最大位移統(tǒng)計表

Ⅳ類圍巖在各種支護類型下變形計算如圖2所示。

圖2 Ⅳ類圍巖在各種支護類型下變形計算圖

增加仰拱還有以下幾方面的優(yōu)點：

(1)有效控制溫度裂縫的產(chǎn)生，保證了襯砌的整體性和耐久性。

(2)及時封閉仰拱的作用可以阻止巖石的進一步風(fēng)化與遇水軟化，尤其是凝

灰?guī)r、粉砂巖等火山碎屑巖與沉積巖及斷裂破碎帶、蝕變帶洞段。

(3)有效改善洞內(nèi)的施工交通及文明施工環(huán)境。

(4)減少襯砌時的底板清渣量，加快施工進度。

(5)使邊頂拱臺車就位更加精準、快捷，工效顯著提高。

綜合考慮以上優(yōu)點，在本工程的實施過程中，對Ⅱ類～Ⅳ類圍巖洞室底板增

加一層15cm厚的C30素混凝土仰拱，對Ⅴ類圍巖洞室底板增加一層15cm厚厚的C30素混凝土仰拱。

5 結(jié)語

在水工隧洞中設(shè)置仰拱雖然由于增加了仰拱的開挖和襯砌工程量，導(dǎo)致投資增加，但通過邁達斯GTS軟件分析可知仰拱可以給邊頂拱初期支護的噴射混凝土提供一個穩(wěn)固的支撐，有效減小了洞周圍巖的變形，對隧洞的穩(wěn)定是極為有利的，尤其是針對Ⅳ類、Ⅴ類圍巖隧洞效果更加顯著。

結(jié)合考慮仰拱能有效的控制溫度裂縫的產(chǎn)生、減輕圍巖的風(fēng)化、改善了洞內(nèi)的施工環(huán)境、加快施工進度和利于邊頂拱臺車的就位等因素，在本工程的實施階段在隧洞底板下增加了一層15～20cm厚的C30素混凝土仰拱，經(jīng)理論和實踐證明是成功的，可為類似的水工隧洞設(shè)計提供參考。