王木群

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 長沙 410200)

在山區(qū)高速公路上，連拱隧道很常見，目前國內(nèi)外對連拱隧道科研、設(shè)計、施工主要集中在雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)斷面施工[1-2]。通常情況下，連拱隧道洞口主洞采用超前大管棚、中導(dǎo)洞采用超前小導(dǎo)管的加強(qiáng)支護(hù)型式[3]，開挖方式一般采用中導(dǎo)洞加兩側(cè)導(dǎo)洞(簡稱三導(dǎo)洞開挖)[4]，但當(dāng)連拱隧道斷面大、超淺埋、地質(zhì)極差且下穿或近接居民小區(qū)建筑時，確保隧道安全施工和周邊建筑物的安全是首要任務(wù)[5]，常規(guī)的連拱隧道設(shè)計施工方式不適用，既有的工程案例報道也很少[6]。本文以長沙市月亮島路普瑞隧道為依托，探討緊鄰建筑物大斷面超淺埋土質(zhì)連拱隧道設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，研究中導(dǎo)洞設(shè)置管棚、隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)、隧道主洞采用三臺階預(yù)留核心土開挖等綜合措施[7-8]，以確保安全施工之目的，供同類隧道施工參考。

1 工程概況及風(fēng)險分析

長沙月亮島路普瑞隧道西起雷鋒大道，下穿普瑞斯堡小區(qū)，東至吳家沖路，為雙向6車道城市大斷面連拱隧道，設(shè)計速度為60 km/h，長660 m，樁號為K7+365～K8+025，圍巖以全風(fēng)化泥質(zhì)板巖為主，穩(wěn)定性極差，遇水容易軟化成泥而完全喪失承載力。隧道雙洞開挖斷面寬度為30.52 m，如圖1所示。

隧道K7+860～K8+025段，埋深僅2 m～5 m，周邊密布高檔別墅區(qū)和高層居民樓，二者平面關(guān)系如圖2所示。隧道施工一定會對小區(qū)居民的生活造成干擾[9]，若施工不當(dāng)，緊鄰建筑物會出現(xiàn)開裂、變形，甚至是垮塌[10]。另外，該小區(qū)物業(yè)隸屬湖南省新聞出版集團(tuán)，社會監(jiān)督嚴(yán)苛，對隧道施工要求極高。由于明挖法產(chǎn)生的噪音讓小區(qū)居民難以接受，且明挖隧道基坑距離房子過近對房子的穩(wěn)定性極不利，同時在房子周邊深挖一大基坑會引起居民恐慌，協(xié)調(diào)難度巨大，項目推進(jìn)很困難。因此，綜合考慮隧道施工安全和既有建筑物的安全，采用暗挖法施工，且應(yīng)快速通過，以免長時間對小區(qū)造成干擾?；诒舅淼朗┕ひ蟾摺f(xié)調(diào)難度大、設(shè)計斷面大、超淺埋、地質(zhì)條件差、周圍環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，須采取重要的安全保障措施來保證暗挖隧道順利實(shí)施及周邊建筑的絕對安全。

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2 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 洞口管棚

目前，連拱隧道洞口一般采用超前小導(dǎo)管+管棚的常規(guī)方案，即主洞設(shè)置管棚及套拱、中導(dǎo)洞設(shè)置Φ42超前小導(dǎo)管，如圖3所示，此方案一般用于石質(zhì)隧道中導(dǎo)洞[11-12]。由于本隧道埋深淺、地質(zhì)極差、周邊房子密集，中導(dǎo)洞先開挖，采用Φ42小導(dǎo)管懸挑的剛度難以保證中導(dǎo)洞施工的安全及周邊建筑物的安全[13]。為此，提出在中導(dǎo)洞拱部120°范圍內(nèi)全部設(shè)置Φ108長管棚，增設(shè)中導(dǎo)洞管棚套拱并落腳，如圖4所示。中導(dǎo)洞管棚與主洞管棚一起施作，長度均為40 m。其余段落采用Ф42注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。

圖3 超前小導(dǎo)管+管棚方案

圖4 擴(kuò)大管棚方案

2.2 隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)

隧道K7+860～K8+025段埋深極淺，有暗挖、明挖2種方案，但根據(jù)前文風(fēng)險分析，本段隧道應(yīng)采用暗挖法施工通過。隧道與建筑物最近的距離為3.2 m，左側(cè)為8棟別墅，右側(cè)為12層高樓，隧道開挖卸荷容易引起差異沉降，致使房子開裂，甚至坍塌。為確保周邊建筑的絕對安全，在隧道兩側(cè)從地表施作隔離樁(Φ0.8 m@1.0 m)，在隔離樁外側(cè)設(shè)置旋噴樁止水帷幕，最大限度避免地下水的流失引起地表下沉、建筑物開裂，并施作橫梁(縱向間距10 m)，通過冠梁連接成整體，形成門式框架結(jié)構(gòu)，埋深小于5 m的段落采用PVC管進(jìn)行注漿加固，如圖5所示。

2.3 開挖方式

連拱隧道通常采用三導(dǎo)洞開挖的方式，即開挖中導(dǎo)洞再開挖兩側(cè)的導(dǎo)洞[14]。傳統(tǒng)的三導(dǎo)洞施工進(jìn)度緩慢，考慮到隧道兩側(cè)從地表施作了隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)，且該隧道圍巖以土質(zhì)為主，無需爆破，只需采用機(jī)械開挖方法，再加上本段宜快速通過，避免長時間對小區(qū)居民生活造成干擾，因此提出中導(dǎo)洞加三臺階預(yù)留核心土的方案，如圖6所示。

2.4 襯砌支護(hù)參數(shù)

結(jié)合隧道設(shè)計規(guī)范，針對本隧道斷面情況、地質(zhì)情況，采用工程類比法對隧道襯砌支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖7所示。主洞支護(hù)參數(shù)：二襯采用60 cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)為28 cm厚C20噴射混凝土(內(nèi)置22工字鋼，間距0.5 m)，系統(tǒng)錨桿為D25中空注漿錨桿；中導(dǎo)洞支護(hù)參數(shù)：目前國內(nèi)連拱隧道中導(dǎo)洞凈寬大多設(shè)置為6 m左右，施工不夠便捷，后期實(shí)際施工中都進(jìn)行了加大，而本項目為了提高出渣效率、施工進(jìn)度及方便施工機(jī)械進(jìn)出，中導(dǎo)洞凈寬設(shè)置為7 m，采用22 cm厚C20噴射混凝土結(jié)構(gòu)(內(nèi)置16工字鋼，間距0.5 m)，底部設(shè)置20 cm厚C20混凝土整平層、10 cm厚碎石墊層；中隔墻參數(shù)：中隔墻采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中隔墻頂部、底部均采用Ф42注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固，間距為100 cm×100 cm。

(a) 平面布置

(b) 橫斷面布置

圖6 中導(dǎo)洞+三臺階預(yù)留核心土施工方案

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3 數(shù)值模擬分析

3.1 隧道模型的建立

選取K8+010斷面進(jìn)行建模計算，該斷面隧道埋深3.0 m，主洞及中導(dǎo)洞均采用Ф108管棚進(jìn)行超前支護(hù)，采用MIDAS-GTS數(shù)值計算軟件建模，模型寬102 m，高36 m，如圖8所示，邊界條件為左右固定、底部固定。圍巖及主洞初期支護(hù)采用實(shí)體單元，中隔墻初期支護(hù)、二襯、樁及橫撐均采用結(jié)構(gòu)單元。圍巖采用摩爾庫倫模型，初期支護(hù)、二襯、樁及橫撐等均采用彈性模型[15-16]。隧道以全風(fēng)化泥質(zhì)板巖為主，呈松散土狀，承載力極差，圍巖物理力學(xué)參數(shù)按照地質(zhì)專業(yè)提供的試驗(yàn)值進(jìn)行取值，其它材料參數(shù)按照隧道規(guī)范進(jìn)行取值，主要材料參數(shù)見表1。

施工步驟如下：1) 采用PVC管進(jìn)行地表注漿；2) 施作隔離樁及橫撐；3) 開挖中導(dǎo)洞①并施作中隔墻②；4) 開挖右洞(先行洞)上臺階③并施作初期支護(hù)；5) 開挖核心土④；6) 開挖右洞中臺階⑤并施作支護(hù)；7) 開挖右洞下臺階⑥并施作支護(hù)；8) 施作右洞二襯⑦；9) 采用右洞同樣的方法開挖左洞，如圖9所示。

圖8 計算模型

表1 材料參數(shù)

圖9 開挖工序

3.2 計算結(jié)果分析

1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移分析

通過計算得出隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移，如圖10、圖11所示。

圖10顯示，隔離樁門框結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在隔離樁中部，主要是由隧道開挖卸荷所致，最大值為-2.42 mm，樁頂水平位移約1 mm，表明地表橫撐起到了很好的支撐作用；圖11顯示，隔離樁門框結(jié)構(gòu)的最大豎向位移發(fā)生在地表橫撐中部，最大值為-5.7 mm，隔離樁最大豎向位移不到-3.8 mm，位移均較小，樁頂豎向位移約-3.5 mm。位移結(jié)果表明，隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)體系效果良好，能夠達(dá)到很好的隔離作用，最大限度隔斷隧道開挖對周邊建筑物的影響。

圖10 水平位移

圖11 豎向位移

2) 圍巖地層位移分析

隧道采用三臺階預(yù)留核心土法施工后，圍巖變形情況如圖12、圖13所示。

由圖12可以看出，地層最大水平位移發(fā)生在隧道外側(cè)的拱腳處，其中右洞外側(cè)拱腳處的最大水平位移為-9.02 mm，左洞外側(cè)拱腳處的最大水平位移為7.6 mm，隧道兩側(cè)地表水平位移約為2 mm，地層水平位移均較?。挥蓤D13可以看出，地表最大豎向位移發(fā)生在隧道中隔墻頂部，最大豎向位移為-5.7 mm，其次是隧道底部，最大豎向位移為10 mm，兩側(cè)地表豎向位移約為-1.8 mm，即圍巖產(chǎn)生了一定的沉降和隆起變形，但圍巖豎向位移相對較小。從圍巖位移可見，隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)控制地層變形的效果顯著，主洞采用三臺階預(yù)留核心土法開挖也能有效減少對圍巖的擾動，地表位移(建筑物所在位置)較小，表明隧道開挖對周邊建筑的影響不大。

圖12 地層水平位移

圖13 地層豎向位移

3) 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

隧道實(shí)際施工過程中，選取K8+010斷面進(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖14所示，監(jiān)測內(nèi)容及結(jié)果見表2。

從表2可以看出，施工過程中的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果接近，驗(yàn)證了數(shù)值模擬建模和參數(shù)取值的合理性，進(jìn)一步表明了本文設(shè)計施工方案的合理有效。

4 結(jié)論

本文為了解決緊鄰建筑物大斷面土質(zhì)連拱隧道設(shè)計施工的問題，以長沙市月亮島路普瑞隧道為工程實(shí)例，采用了隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁門式框架結(jié)構(gòu)、中導(dǎo)洞設(shè)置管棚和套拱、隧道主洞采用三臺階預(yù)留核心土開挖等設(shè)計施工關(guān)鍵措施，結(jié)論如下：

1) 為了最大限度保護(hù)周邊建筑物的安全，隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁和旋噴止水帷幕，拱頂?shù)乇碓O(shè)置橫撐，總體上形成門式框架結(jié)構(gòu)；數(shù)值有限元仿真分析和施工中的動態(tài)監(jiān)控量測表明，該結(jié)構(gòu)對暗挖淺埋隧道施工非常有效。

2) 為了確保隧道施工安全，中導(dǎo)洞拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置管棚，并設(shè)置套拱，與主洞管棚及套拱一起施作，形成了整體聯(lián)合超前強(qiáng)支護(hù)，對快速通過大跨連拱、軟弱圍巖段是很有效的工程措施。

3) 根據(jù)現(xiàn)場圍巖地質(zhì)情況，選用中導(dǎo)洞+主洞三臺階預(yù)留核心法土代替三導(dǎo)洞的開挖方式，能高效快速安全通過緊鄰建筑物超淺埋大跨段，施工方式合理有效。