簡華華
(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550008)
在山地和丘陵區(qū)域的公路建設(shè)中,以往所采用的通過依山繞行修建交通道路的方式已無法符合當(dāng)前的交通發(fā)展需求。出于對線形、土地資源、經(jīng)濟(jì)效益等方面的考慮,作為地下通道的隧道有其他結(jié)構(gòu)難以代替的作用。在隧道施工中,如何確保其安全性是重難點(diǎn),而其中的圍巖穩(wěn)定性問題則是關(guān)鍵。圍巖穩(wěn)定性指隧道洞室在施工后無支護(hù)條件時的自穩(wěn)性能[1]。隧道施工會導(dǎo)致其出現(xiàn)應(yīng)力釋放的情況使其應(yīng)力重新分布和調(diào)整,此時圍巖將會發(fā)生變形。關(guān)于圍巖穩(wěn)定性,當(dāng)前已有較多學(xué)者從不同地質(zhì)因素的角度開展了研究[2-6]?;趪鴥?nèi)地形特點(diǎn),山嶺隧道施工時常需要經(jīng)過各種不良地質(zhì)。沖溝作為不良地質(zhì)中的一種,當(dāng)其出現(xiàn)時會導(dǎo)致圍巖破碎等病害,影響圍巖穩(wěn)定以及施工安全。因此,還需進(jìn)一步開展隧道穿越不良地質(zhì)段的研究。
某隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計時速100km/h 的雙向4 車道高速公路,以公路-I 級為汽車荷載等級,以BZZ-100作為路面標(biāo)準(zhǔn)軸載,建筑界限凈寬0.75+0.75+2×3.75+1+1=11(m),建筑限界凈高5.0m。呈近南-北向展布,左幅洞長4 943m,右幅洞長4 995m,進(jìn)口端左右線洞口縱斷面分別位于R=17000,R=18000 凸型豎曲線上,出口端左右線縱斷面均位于R=17000 凸形豎曲線上。左、右線洞身直坡段縱坡分別為-2.1142%, -2.1000%。隧道最大埋深為345m。
從現(xiàn)場勘測結(jié)果可知,其不良地質(zhì)段圍巖等級為V級。在模擬分析隧道沖溝段時,為盡可能避免邊界條件帶來的影響,以5倍及以上隧道半徑作為隧道左右邊界和中心線的距離,以100m 作為隧道水平寬度,以3倍及以上的隧道高度作為模型拱底到仰拱的距離,以40m作為模型底部,以隧道埋深到地表的距離作為模型的高度。實(shí)際上,沖溝高30m、寬40m、軸向長40m,最終建模模型尺寸為100m 長、90m 高、40m 寬。對模型X、Y、Z方向進(jìn)行約束。隧道計算模型如圖1所示。
圖1 模型網(wǎng)格示意圖
結(jié)合該隧道的施工工況,開挖時以CRD 法進(jìn)行施工,研究分析隧道淺埋段存在沖溝時的變形情況,具體開挖步驟如圖2所示:
圖2 CRD法開挖橫向施工工序示意圖
(1)開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅰ;
(2)施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時支護(hù)①;
(3)開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅱ;
(4)施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時支護(hù)②;
(5)開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅲ;
(6)施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時支護(hù)③;
(7)開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅳ;
(8)施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時支護(hù)④;
(9)澆筑仰拱⑤;
(10)仰拱回填⑥;
(11)整體模筑二次襯砌⑦。
遵照工程實(shí)際進(jìn)行循環(huán)開挖和支護(hù)施工。按1m/d的循環(huán)作為一個施工進(jìn)度,對隧道圍巖所受沖溝的影響進(jìn)行分析。
隧道在有無沖溝施工時的應(yīng)力分布如圖3所示。
圖3 最小主應(yīng)力云圖
限于篇幅,本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。對比隧道圍巖在有無沖溝條件下的位移情況可知,隧道圍巖的穩(wěn)定性受沖溝的影響較大,圍巖位移在有沖溝時較大,需采取相應(yīng)措施確保施工安全。分析拱頂和周邊位移可看出,相比于周邊位移,拱頂位移較大,因此必須進(jìn)行加固以做好拱頂圍巖的變形控制。從拱頂和周邊位移的變化上看,其共有急劇、緩慢、穩(wěn)定3 個變形階段。從拱頂位移上看,隨著不斷進(jìn)行的施工,在前面1~7d 的隧道開挖時間內(nèi)有急劇變形出現(xiàn),此時拱頂沉降速率較大;緩慢變形階段出現(xiàn)在8~15d,在第16d 開挖時,位移變化逐漸變?yōu)榱?,表明此時為穩(wěn)定變形階段。在隧道施工時,因通過CRD 施工存在相互擾動的情況,故周邊收斂出現(xiàn)突變,說明在施工時要及時開展初期支護(hù)。
進(jìn)一步對比兩種工況下的應(yīng)力情況可知,隧道在無沖溝存在時的主應(yīng)力要小于存在沖溝時的工況,并且在施工時,圍巖的最初平衡狀態(tài)因?yàn)樗淼赖氖┕ざ粩_動破壞,且逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樾缕胶鉅顟B(tài),隧道拱頂和拱腳位置在此時出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中的情況。因此可知,隧道圍巖在沖溝存在時較不穩(wěn)定,開挖隧道前應(yīng)采取相應(yīng)措施,避免開挖隧道時出現(xiàn)安全事故。
不同沖溝段埋深和隧道豎向位移間的關(guān)系如圖4所示。
圖4 豎向位移-埋深關(guān)系曲線
圍巖拱頂和仰拱處隨著隧道的不斷開挖表現(xiàn)出豎向位移不斷增加的規(guī)律,并且在拱頂位置位移不斷下沉,仰拱位置位移表現(xiàn)出拱底隆起。隨著隧道埋深的不斷減小,豎向位移不斷增大。隨著不斷加深的隧道水平進(jìn)尺,隧道沖溝段的埋深不斷從深變淺,經(jīng)過谷底時,又從淺變深,拱頂位移也有所改變,對隧道穩(wěn)定較為不利。
受到隧道開挖的影響,隧道淺埋段圍巖出現(xiàn)掉塊等情況,若處理不當(dāng)有可能發(fā)展至坍塌等,導(dǎo)致隧道安全性受到影響,應(yīng)采取一定措施避免隧道施工時出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。進(jìn)一步分析隧道應(yīng)力可知,隧道圍巖因隧道施工的擾動而使其應(yīng)力開始過渡到新平衡狀態(tài),此時出現(xiàn)較大的應(yīng)力分布變化,且部分位置還有應(yīng)力集中的情況出現(xiàn),較為明顯的是拱頂和拱腳位置。隧道應(yīng)力隨著埋深的減小而增大。谷底淺埋段在過沖溝時因?yàn)槭┕び绊憣?dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)重新分布,淺埋段的地表應(yīng)力相比于深埋段出現(xiàn)較大增長,不利于隧道穩(wěn)定,并且隧道圍巖在淺埋段較為破碎,自穩(wěn)性較差,對圍巖失穩(wěn)而言有較大風(fēng)險。因此隧道圍巖在存在沖溝時其應(yīng)力會因?yàn)椴煌穆裆钋闆r而使圍巖失穩(wěn)出現(xiàn)不同程度的加劇,不利于其穩(wěn)定性。為避免隧道施工引起安全事故,需提前加固圍巖以抑制其變形。
超前小導(dǎo)管采用外徑?42mm、壁厚4mm 的熱軋無縫鋼管加工而成,長400cm,鋼管前端加工成錐形,尾部焊接?6鋼筋加勁箍,管壁四周鉆?6mm注漿孔;超前小導(dǎo)管施工時,鋼管以45°外插角打入圍巖,鋼管環(huán)向間距為80cm,縱向排距為60cm;超前小導(dǎo)管注漿采用水泥液漿,可適當(dāng)摻入水玻璃調(diào)節(jié)凝結(jié)時間,注漿參數(shù)為:1∶1 的水泥漿水灰比、0.5~1.0MPa 的注漿壓力、42.5 的水泥標(biāo)號;超前小導(dǎo)管尾端應(yīng)固定在鋼拱架上,施工中必須確保注漿質(zhì)量。超前小導(dǎo)管布置如圖5所示。
圖5 超前小導(dǎo)管布置圖
管棚法類似于超前小導(dǎo)管,如圖6所示。同樣是采用向隧道前方圍巖插入鋼管注入水泥漿的方式對圍巖參數(shù)進(jìn)行改良,并且因?yàn)橛休^長的縱向長度,鋼管能與錨桿共同發(fā)揮承載作用,以此對圍巖變形起到抑制作用,避免圍巖坍塌。若隧道施工遭遇松軟地區(qū)、需經(jīng)過塌方地段、淺埋段、地表或遇到較差的地質(zhì)條件時,都可先采用管棚法施加預(yù)支護(hù)后再進(jìn)洞。
圖6 管棚法示意圖
施工管棚時,應(yīng)一起使用管棚和鋼拱架,首先開挖隧道工作面拱部位置,在地層中采用大型水平鉆施工一排孔眼,再在鉆孔中插入鋼管以成形管棚,前后兩排管棚的搭接長度應(yīng)在3m 以上。在鋼拱架上搭設(shè)并焊死管棚的尾部。拱架相鄰兩榀位置應(yīng)設(shè)置直徑為22mm、環(huán)向間距為1m 的鋼筋,并采用楔子按照2m 的間隔將其楔緊,確保其能有效承受圍巖壓力。
以某隧道項(xiàng)目為背景,探討其在因沖溝存在而出現(xiàn)的淺埋和破碎等不良地質(zhì)環(huán)境下的圍巖穩(wěn)定性,得出如下結(jié)論:
(1)通過有限元分析,探討了不良地質(zhì)條件下的隧道穩(wěn)定性,基于預(yù)留核心土臺階法對沖溝存在與否以及存在沖溝時埋深不同的影響進(jìn)行分析,研究圍巖變形情況。
(2)基于該隧道的變形特點(diǎn),提出超前小導(dǎo)管和管棚法兩種加固方案,并詳細(xì)闡述其布置方式。