龐杰忠

【關(guān)鍵詞】大斷面;隧道施工;穩(wěn)定性;模型

【中圖分類號】U452.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）09-0083-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及現(xiàn)代化各項(xiàng)事業(yè)的不斷進(jìn)步，公路隧道的施工技術(shù)取得了一系列成果，為我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域的建設(shè)和發(fā)展做了重要貢獻(xiàn)。20世紀(jì)80年代初，我國便開始著手公路隧道施工技術(shù)的研究，包括國外先進(jìn)隧道施工設(shè)備的引進(jìn)等。經(jīng)過近40年的不斷探索，當(dāng)前我國公路隧道的施工技術(shù)在國際上享有盛譽(yù)，一大批具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的公路隧道施工技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。以“中鐵”“中建”等標(biāo)桿公司為例，搭乘國家“一帶一路”建設(shè)的高速列車，每年在國外開工建設(shè)的隧道工程越來越多，足跡遍布亞洲、非洲、拉丁美洲等地區(qū)的國家，并不斷拓寬合作渠道與國際化發(fā)展、融合之路。

然而近年來，國內(nèi)時有關(guān)于隧道施工質(zhì)量問題的報道，例如近期央視曝光的甘肅考勒隧道，引起了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注，甘肅省省長親臨現(xiàn)場指導(dǎo)工作，并提出了50年內(nèi)無大修的質(zhì)量保證。可見，政府層面對于公路隧道施工質(zhì)量問題的重視程度。在各類公路隧道的施工技術(shù)中，山區(qū)環(huán)境下的施工一般具有較大難度，這其中包括極其常見的斷層、斷面等地質(zhì)構(gòu)造，為隧道的施工帶來了很大的挑戰(zhàn)?；诖?，本文著重對大斷面地質(zhì)條件下的公路隧道施工技術(shù)展開深入研究。

1 大斷面條件隧道施工核心技術(shù)

1.1 隧道開挖技術(shù)

常見的公路隧道施工方法包括全斷面法、分部開挖法及臺階法等，全斷面的開發(fā)方式在隧道圍巖結(jié)構(gòu)較理想的情況下具有明顯作用，但是需要在施工現(xiàn)場配備大功率的設(shè)備，而在隧道距離較長的情況下則經(jīng)濟(jì)性不夠。施工環(huán)節(jié)少、施工交集部分影響程度小是全斷面開挖的主要特點(diǎn)，對施工的組織、管理等較為有利，留給施工技術(shù)人員使用大型機(jī)械的空間較大且能做到一次成型，減少了對周邊圍巖的擾動，縮短了工期的同時也能夠保證施工作業(yè)的安全性。分部開挖法在具體的工程施工中有3種可行方案，即環(huán)形開挖、單側(cè)導(dǎo)坑及雙側(cè)導(dǎo)坑法，分部開挖方式對于施工技術(shù)人員的施工水平要求較高，施工技術(shù)人員需對隧道工程的整體狀況有所掌握，對工期各節(jié)點(diǎn)的銜接工作的要求更為嚴(yán)謹(jǐn)，在施工現(xiàn)場的具體環(huán)境和工況下，應(yīng)能對施工過程中所遇到的突發(fā)事件做到及時處置，對施工演練及事故預(yù)案的可行性要求較為嚴(yán)格。臺階法一般包括3種類型，分別是長、短臺階法和超短距離臺階法。對于長臺階法而言，一次開挖情況下的斷面小于全斷面方式，對于開挖面的穩(wěn)定性具有一定意義，而短臺階法可在很大程度上縮短支護(hù)架構(gòu)閉合時間，以改變初期支護(hù)的受力條件，對于整體上控制隧道結(jié)構(gòu)形變非常有利，因此在圍巖穩(wěn)定性較差的隧道施工中較為常見，但是其缺點(diǎn)是上、下臺階在施工過程中的互擾程度較大，并且無法實(shí)現(xiàn)全部平行施工[1-3]。臺階法工藝流程如圖1所示。

1.2 襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)

圍巖本身在隧道施工過程中具有一定的支護(hù)作用，屬于隧道結(jié)構(gòu)的主要受力載體，其他內(nèi)部及外部架構(gòu)與圍巖共同組成隧道的支護(hù)體系。隧道開挖過程中一般采用初始的三維結(jié)構(gòu)應(yīng)力策略，盡可能地減少對隧道圍巖的擾動，因此對開挖面加固防護(hù)層顯得尤為必要，可有效防止圍巖松動、塌方。與此同時，應(yīng)允許圍巖發(fā)生適度的形變，這對充分利用圍巖強(qiáng)度具有一定作用。但值得注意的是，這類形變應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則會因形變過度而造成圍巖破壞，進(jìn)而減弱其載荷能力并發(fā)生大范圍沉降。襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中一般分為兩個步驟，當(dāng)洞體開挖后應(yīng)立即進(jìn)行初期支護(hù)以防止圍巖早期形變的發(fā)生，當(dāng)圍巖穩(wěn)定之后方可進(jìn)行二次襯砌，在外層襯砌足夠充分后且確認(rèn)圍巖形變量趨于恒定后，可將內(nèi)襯視作額外的安全裕度。此外，初期支護(hù)應(yīng)注意柔度的把控，使得與圍巖接觸更為緊密，此時應(yīng)通過噴射混凝土的方式進(jìn)行，并結(jié)合錨桿、鋼筋網(wǎng)進(jìn)行綜合支護(hù)，以承載剪應(yīng)力為主[4-5]。

2 隧道形變評估模型

2.1 計算模型搭建

假設(shè)試驗(yàn)段隧道高度為h，結(jié)構(gòu)跨度為l，側(cè)方載荷系數(shù)為λ，縱向受力為q，水平方向壓力p=λq，在受力q的作用下，其截面拉應(yīng)力σ1=q/2t2，在水平方向壓力p的作用下，截面正向應(yīng)力σ2=-λq，因此得到支座處極限應(yīng)力值為σt=σ2+σ1=q/2t2-λq，由結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，支座縱向反作用力為YA=YB=0.1ql，對拱點(diǎn)進(jìn)行測距，得到如下穩(wěn)定性公式：

YA-2XAql2=0.2λq

隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型如圖2所示。

2.2 穩(wěn)定性及安全性評估

大斷面條件下的隧道施工技術(shù)種類很多，各種施工工藝在實(shí)際應(yīng)用前必須事先進(jìn)行具體的數(shù)值模擬量計算和分析，使隧道工程的施工具有相應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性。大斷面的隧道施工常通過化大為小的措施逐層、分塊開挖，分階段搭建隧道施工整體架構(gòu)，當(dāng)開挖輪廓具備后，應(yīng)嚴(yán)格按照所形成的全封閉或半封閉結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，之后開挖隧道的主體結(jié)構(gòu)和仰拱部分，分階段開挖時，各施工節(jié)點(diǎn)應(yīng)與具體的開挖順序相對應(yīng)，即圍巖處于一種暫態(tài)的承載方式。施工過程中洞體結(jié)構(gòu)載荷級別均在不斷發(fā)生變化且支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力也在時刻發(fā)生改變，因此為保證施工的穩(wěn)定性和安全性，應(yīng)對隧道整體架構(gòu)進(jìn)行充分的論證和評估[6-8]。

對于圍巖穩(wěn)定性較差、距離較長及開挖工序較為煩瑣的隧道施工而言，必須對圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)、精確的計算，并且隧道拱頂部位應(yīng)采用具有雙層防護(hù)的初期支護(hù)措施，針對超大斷面情況下的支護(hù)架構(gòu)所承受的過大應(yīng)力，應(yīng)通過實(shí)際的數(shù)值和模擬方式進(jìn)行論證，對受力點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，當(dāng)初期支護(hù)以及臨時支護(hù)順利進(jìn)行后，開挖過程也隨之在逐步深入，與圍巖相互作用產(chǎn)生綜合性受力形變。因此，在研究隧道施工過程中的穩(wěn)定性和安全性時，應(yīng)以施工力學(xué)關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)分析，同時結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)施工模型，當(dāng)完成初次襯砌并拆除現(xiàn)場的臨時支護(hù)后便可進(jìn)行二次襯砌[9-10]。

在隧道入口處選擇分層開挖方式，開挖順序通常是自上而下，以不影響原址為目的。施工人員在施工過程中應(yīng)盡量避免采用噴砂技術(shù)，開口處必須平整壓實(shí)，所用機(jī)械包括裝載機(jī)和推土機(jī);施工過程中，若有硬質(zhì)巖層，施工負(fù)責(zé)人必須挖爆，然后用自卸車將挖土運(yùn)到指定地點(diǎn)。洞室開挖必須滿足洞室施工要求為前提，必須有足夠的水源、電力、建筑材料和機(jī)器供應(yīng)。施工需要根據(jù)設(shè)計要求對邊坡進(jìn)行保護(hù)和開挖，確保雨水不對邊坡造成過大的影響，而且施工人員需要保護(hù)邊坡;采用吊網(wǎng)噴錨技術(shù)可以推遲周圍巖石風(fēng)化的時間。建造隧道前，施工人員必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和入口的美觀要求，做好排水和其他工作。完成上述工作后，施工人員可進(jìn)入隧道施工。開放隧道的拱形和內(nèi)襯墻需要同時建造。在隧道施工過程中，排水和截流施工要有效地結(jié)合，盡可能縮短工期。隧道內(nèi)和隧道外的排水設(shè)施必須結(jié)合起來，可有效地防止地表水對山坡造成侵蝕。不管是門坡還是邊坡，在洞室施工之前都需要完成施工。坡度有偏差，但需控制在5%以內(nèi)。應(yīng)采用受控噴砂工藝準(zhǔn)備洞口，但是不推薦采用集中充電式噴砂方法，因?yàn)檫@樣會對上坡和邊坡的穩(wěn)定性造成不利的影響。開敞式隧道施工邊墻基礎(chǔ)的選擇是開鑿隧道施工的重要內(nèi)容，因此施工人員必須慎重選擇。一般情況下，側(cè)墻基礎(chǔ)必須滿足穩(wěn)定性要求。例如，工程中遇到地下水，施工人員必須繞過邊墻基礎(chǔ)，避免地下水對地基穩(wěn)定性造成影響。對于底板和底板較深的，施工負(fù)責(zé)人要分析施工難度，在此基礎(chǔ)上，通過先挖出凹坑，再構(gòu)筑凹槽，從而對基坑的狀況進(jìn)行有效確認(rèn)。挖掘邊墻至設(shè)計立面后，確認(rèn)開挖支撐力符合設(shè)計要求。支撐力不足時，可考慮采用沉井基礎(chǔ)或鉆孔灌注樁基進(jìn)行基礎(chǔ)加固。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

本文以桂林市永?？h潮水隧道的施工為例，對所提出的基于大斷面條件下的公路隧道施工穩(wěn)定性模型進(jìn)行驗(yàn)證，主要對隧道拱頂位置的沉降進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)過程中采用不同開挖進(jìn)尺的方式，監(jiān)測開挖進(jìn)尺范圍對圍巖形變的影響程度，進(jìn)而判斷圍巖架構(gòu)的整體穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初始階段的開挖進(jìn)尺范圍對圍巖形變的影響程度不明顯，無施工規(guī)律可循，但隨著開挖范圍的深入，拱頂沉降程度變化明顯并趨于穩(wěn)定，并且不同的開挖范圍所引起的巖體位移有所不同，實(shí)際開挖進(jìn)尺范圍對拱頂沉降的影響程度見表1所示。通過表1可知，在隧道圍巖的施工過程中，應(yīng)采用增加臺階數(shù)量并縮短開挖進(jìn)尺范圍的方式對頂部圍巖進(jìn)行加固，以控制拱頂?shù)某两盗俊?/p>

4 結(jié)論

本文針對大斷面地質(zhì)特有的結(jié)構(gòu)，對該條件下的隧道施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)討論，著重分析了提高隧道圍巖施工穩(wěn)定性和安全性的具體措施，并提出了隧道圍巖形變計算與評估模型。通過工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，證明了本文提出的保證隧道施工穩(wěn)定性和安全性模型的正確性與可行性。本文對于大斷面地質(zhì)條件下的公路隧道施工技術(shù)的理論研究具有通用性，工程應(yīng)用前景廣闊。

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