楊 剛

(徐州市公路事業(yè)發(fā)展中心，徐州 221018)

1 工程概況

大洞山隧道位于江蘇省徐州市賈汪區(qū)大洞山風(fēng)景區(qū)，為206國(guó)道徐州改線段建設(shè)工程的重要組成部分，以隧道方式由北向南穿越大洞山。由于受地形地質(zhì)條件、兩端接線道路、規(guī)劃用地以及大洞山森林生態(tài)系統(tǒng)自然保護(hù)區(qū)紅線等因素影響，隧道按洞口小凈距+洞身分離形式布置，隧道左線長(zhǎng)為660 m、右線長(zhǎng)為690 m，屬于中隧道，最大埋深約為75 m。按雙向六車(chē)道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，單洞建筑限界凈寬為14.25 m，凈高為5.0 m。隧道內(nèi)輪廓考慮結(jié)構(gòu)受力良好及便于施工，襯砌斷面內(nèi)輪廓采用三心圓拱曲邊墻結(jié)構(gòu)。隧道主洞內(nèi)輪廓參數(shù)為R1=815 cm，R2=565 cm，R3=180 cm，R4=2 500 cm，凈空面積為117.48 m2，內(nèi)輪廓總高為9.65 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高點(diǎn)至拱頂高度為7.80 m，內(nèi)輪廓總寬為15.13 m。大洞山隧道主洞內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)如圖1所示。

隧道最大開(kāi)挖跨度約為17.4 m，屬于大跨度隧道。地質(zhì)勘查表明隧址區(qū)地質(zhì)條件較差，不良地質(zhì)主要有危巖、不穩(wěn)定斜坡、巖溶以及構(gòu)造斷裂等，特殊性巖土主要為膨脹性軟巖。由于隧道圍巖以Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)軟弱圍巖為主，原方案采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或CRD(交叉中隔壁)法進(jìn)行施工[1-2]，這2種工法雖然偏安全但整體施工效率較低。大洞山隧道因受道路規(guī)劃變更等原因影響，開(kāi)工晚于預(yù)期。為滿(mǎn)足206國(guó)道徐州改線段整體通車(chē)時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求，并遵循動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及施工原則，擬在合理區(qū)段內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及有限元計(jì)算等結(jié)果，對(duì)原施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。隧道工法轉(zhuǎn)換存在風(fēng)險(xiǎn)，且可借鑒的研究并不充分，相關(guān)文獻(xiàn)僅集中于對(duì)單一工法的探討[3-7]，因此有必要深入分析大洞山隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工方法的合理性。

2 圍巖分級(jí)及隧道開(kāi)挖方案

2.1 大洞山隧道圍巖分級(jí)

根據(jù)鉆孔揭示的巖體堅(jiān)硬程度和孔內(nèi)聲波測(cè)試結(jié)果，按照巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度及巖體完整性，結(jié)合地下水、節(jié)理裂隙以及圍巖應(yīng)力狀態(tài)等對(duì)圍巖的影響，再根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》(JTG 3370.1—2018)[1]計(jì)算出隧道圍巖巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值、修正后的[BQ]值，并進(jìn)行隧道圍巖分級(jí)。進(jìn)出洞口段圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)，洞身地段圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)。隧道左線圍巖分級(jí)如表1所示，隧道右線圍巖分級(jí)如表2所示，各級(jí)圍巖長(zhǎng)度及所占比例如表3所示。

表1 隧道左線圍巖分級(jí)

表2 隧道右線圍巖分級(jí)

表3 各級(jí)圍巖長(zhǎng)度及所占比例

2.2 隧道開(kāi)挖方案

2.2.1 原開(kāi)挖方案

原開(kāi)挖方案根據(jù)圍巖分級(jí)情況及規(guī)范要求，Ⅴ級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或CRD法施工，Ⅳ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法施工。

2.2.2 動(dòng)態(tài)施工方案

動(dòng)態(tài)施工方案以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及有限元計(jì)算為依據(jù)，并根據(jù)地質(zhì)圍巖的實(shí)際情況對(duì)原施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，具體如下。

(1) 將出口左洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)至ZK10+727.4處，轉(zhuǎn)變工法為三臺(tái)階法，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及有限元計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)研判，適時(shí)將工法轉(zhuǎn)變?yōu)槎_(tái)階法。

(2) 將出口右洞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)至YK10+761.2處，轉(zhuǎn)變工法為三臺(tái)階法，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及有限元計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)研判，適時(shí)將工法轉(zhuǎn)變?yōu)槎_(tái)階法。

(3) 隧道進(jìn)口圍巖條件較好，但覆土埋深較淺，左洞采用CRD法開(kāi)挖支護(hù)至ZK10+257.8轉(zhuǎn)變工法為二臺(tái)階法。

(4) 右洞采用CRD法開(kāi)挖支護(hù)至YK10+239處，轉(zhuǎn)變工法為二臺(tái)階法，工法轉(zhuǎn)換時(shí)先轉(zhuǎn)變成三臺(tái)階留核心土開(kāi)挖，再轉(zhuǎn)變成三臺(tái)階法開(kāi)挖，再適時(shí)轉(zhuǎn)換為二臺(tái)階法開(kāi)挖，具體根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況及地質(zhì)圍巖情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 工法轉(zhuǎn)換加固措施

3.1 超前小導(dǎo)管

從轉(zhuǎn)變工法掌子面里程樁號(hào)開(kāi)始，在隧道拱部120°范圍內(nèi)增設(shè)超前小導(dǎo)管，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行超前注漿支護(hù)，出口左線超前小導(dǎo)管增設(shè)樁號(hào)為ZK10+ 727.4～ZK10+716，出口右線超前小導(dǎo)管增設(shè)樁號(hào)為YK10+761.2～YK10+752。超前小導(dǎo)管采用Φ42×4 mm鋼管，小導(dǎo)管長(zhǎng)為3.5 m，間距為40 cm，縱向間距為2.4 m，上仰角為5°～12°，超前小導(dǎo)管示意如圖2所示。

3.2 鎖腳錨管

隧道施工會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生較大擾動(dòng)，為防止工法轉(zhuǎn)換過(guò)程中圍巖失穩(wěn)，擬在隧道拱頂與兩側(cè)加設(shè)鎖腳錨管進(jìn)行加固。鎖腳錨管直徑Φ=50 mm，長(zhǎng)度L=3.5 m，采用水灰比為1∶1的水泥漿注漿加固，注漿壓力不小于0.5 MPa。鎖腳錨管布設(shè)示意如圖3所示。

4 動(dòng)態(tài)施工過(guò)程

大洞山隧道采用動(dòng)態(tài)施工方法，包含多個(gè)工法轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于篇幅所限，本文只介紹左洞出口動(dòng)態(tài)施工及工法轉(zhuǎn)換過(guò)程。

4.1 左洞出口進(jìn)洞施工

左洞出口采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掘進(jìn)支護(hù)，右側(cè)上臺(tái)階掘進(jìn)27 m，下臺(tái)階掘進(jìn)15.4 m；左側(cè)上臺(tái)階掘進(jìn)19.8 m，下臺(tái)階掘進(jìn)13.2 m；拱部掘進(jìn)7.7 m。左洞掌子面圍巖左側(cè)中部及拱頂為強(qiáng)風(fēng)化泥頁(yè)巖，整體較破碎；下部為中風(fēng)化泥頁(yè)巖，層理較厚。掌子面右側(cè)圍巖情況類(lèi)似，左洞出口掌子面圍巖情況如圖4所示。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

開(kāi)挖過(guò)程中采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面前方25 m范圍內(nèi)圍巖進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。其中左側(cè)導(dǎo)坑在樁號(hào)ZK10+736處，左側(cè)導(dǎo)坑地質(zhì)雷達(dá)波形圖如圖5所示；右側(cè)導(dǎo)坑在樁號(hào)ZK10+729處，右側(cè)導(dǎo)坑地質(zhì)雷達(dá)波形圖如圖6所示。

預(yù)測(cè)圍巖性質(zhì)為：①ZK10+736掌子面前方 0～5 m以及10～16 m圍巖可能節(jié)理裂隙發(fā)育，局部可能較潮濕，其他區(qū)域圍巖可能裂隙弱發(fā)育。同時(shí)結(jié)合地勘及現(xiàn)場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)拱頂圍巖較破碎。②ZK10+729掌子面前方10～15 m，掌子面右側(cè)圍巖可能節(jié)理裂隙發(fā)育，局部可能較潮濕，其他區(qū)域圍巖可能裂隙弱發(fā)育。

地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果表明該處掌子面前方圍巖以裂隙弱發(fā)育為主，未出現(xiàn)嚴(yán)重的不良地質(zhì)情況，故在ZK10+727.4處將工法從雙側(cè)壁導(dǎo)坑法轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階法，地質(zhì)條件滿(mǎn)足要求。但工法轉(zhuǎn)換是否會(huì)對(duì)圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，還應(yīng)利用有限元方法進(jìn)行分析。

4.3 有限元分析

4.3.1 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件ANSYS，建立工法轉(zhuǎn)換處隧道斷面二維分析模型[8]。計(jì)算模型及網(wǎng)格如圖7所示。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，并服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用理想彈性模型，計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 計(jì)算參數(shù)

4.3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖模擬共分8步，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖豎向位移分布如圖8所示。最終拱頂最大沉降量為9.20 mm，仰拱最大隆起量為13.27 mm。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖塑性應(yīng)變分布如圖9所示，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布如圖10 所示，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力分布如圖11所示。

4.3.3 三臺(tái)階法

三臺(tái)階法開(kāi)挖模擬共分為4步，三臺(tái)階法圍巖豎向位移分布如圖12所示。最終拱頂最大沉降量為11.38 mm，仰拱最大隆起量為14.01 mm。三臺(tái)階法圍巖塑性應(yīng)變分布如圖13所示，三臺(tái)階法支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布如圖14所示，三臺(tái)階法支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力分布如圖15所示。

4.3.4 結(jié)果比較

通過(guò)對(duì)2種工法的模擬可知，三臺(tái)階法相比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移有所增加，但增加幅度不大，僅在1～2 mm范圍內(nèi)。由圍巖塑性應(yīng)變比較可知，2種施工方法圍巖的擾動(dòng)均不大，三臺(tái)階法對(duì)仰拱中間區(qū)域影響大于兩側(cè)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法則相反。由支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較可知，2種施工方法支護(hù)結(jié)構(gòu)均處在安全穩(wěn)定的狀態(tài)中，三臺(tái)階法底部仰拱支護(hù)結(jié)構(gòu)中間部分會(huì)承受拉力。

綜合而言，三臺(tái)階法對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響略大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但仍處于安全范圍內(nèi)。另外若考慮工法轉(zhuǎn)換中的加固措施，能進(jìn)一步減小對(duì)圍巖的影響，因此在ZK10+727.4處開(kāi)展工法轉(zhuǎn)換合理可行。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

為進(jìn)一步保障工法轉(zhuǎn)換期間的施工安全，自2021年3月6日開(kāi)始對(duì)隧道出口地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隧道出口監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示，隧道出口左洞右側(cè)拱頂沉降趨勢(shì)如圖16所示，隧道出口右洞右側(cè)拱頂沉降趨勢(shì)如圖17所示，隧道出口左洞右側(cè)周邊收斂趨勢(shì)如圖18所示，隧道出口右洞右側(cè)周邊收斂趨勢(shì)如圖19所示。出口地表沉降累計(jì)最大值為14.2 mm，拱頂沉降累計(jì)最大值為10.2 mm，周邊收斂累計(jì)最大值為14.3 mm，各項(xiàng)累計(jì)值均較小。表明工法轉(zhuǎn)換施工措施得當(dāng)，未對(duì)圍巖產(chǎn)生較大影響。

表5 隧道出口監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

大洞山隧道施工面臨地質(zhì)條件差以及建設(shè)工期短等難題，故遵循動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工原則，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及有限元分析相結(jié)合的方法，對(duì)原先施工方案進(jìn)行合理優(yōu)化。在進(jìn)洞施工后，將雙側(cè)壁導(dǎo)坑法轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階法，從而縮短建設(shè)工期、節(jié)約工程造價(jià)并產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。

為驗(yàn)證軟弱圍巖條件下工法轉(zhuǎn)換的合理性，利用ANSYS有限元分析軟件及其單元生死功能，模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程。分析比較Ⅴ級(jí)圍巖條件下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階法對(duì)圍巖的影響差異，得到圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律、施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)情況等。由有限元計(jì)算結(jié)果可知，大洞山隧道在進(jìn)洞施工后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與三臺(tái)階法，其圍巖變形量基本相同，表明工法轉(zhuǎn)換對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較小?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與有限元結(jié)果較吻合，從而驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。另外在工法轉(zhuǎn)換的施工銜接過(guò)程中，還應(yīng)通過(guò)小導(dǎo)管超前支護(hù)、鎖腳錨管加固以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控預(yù)報(bào)等措施，保證施工安全并預(yù)防突發(fā)事故產(chǎn)生。

目前大洞山隧道已全線貫通，未出現(xiàn)由于工法轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的安全問(wèn)題。因此有必要在隧道建設(shè)中采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工方法，隧道動(dòng)態(tài)施工應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及有限元分析為依據(jù)。此次工程實(shí)踐可為今后隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工提供借鑒。