大斷面公路隧道洞口段穿越堆積體設計

陳智慧

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司道路院,武漢 430063)

大斷面公路隧道洞口段穿越堆積體設計

陳智慧

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司道路院,武漢 430063)

湄渝高速公路中仙至坂面段的珠峰隧道洞口地段需下穿堆積體,施工過程中存在較大風險,針對該隧道開挖斷面大(163m2)、洞口埋深淺、圍巖條件差、地下水較為發育的特點以及存在的問題,提出地表注漿、超前管棚支護、接長明洞、加強洞內支護,雙側壁導坑法短進尺開挖等多項綜合處理措施,并利用數值模擬驗證了設計方案的可行性。驗算結果表明,設計方案能夠滿足邊坡及隧道的安全性要求,對控制土體變形,減小沉降具有明顯的效果,可達到預期的設計目的。

公路隧道;大斷面隧道;堆積體;施工穩定性;地表注漿

堆積體通常是由于泥石流沖擊殘留、滑坡或者巖質陡峭邊坡長期崩塌、傾倒破壞等因素所形成的[1-2],根據堆積體形成年代及所處環境的不同,堆積體會產生不同程度的膠結現象,但其往往具備顆粒大小混雜、排列不規則、透水性較強等特點[3],對巖土及隧道工程的修建造成了一定的難度。

目前,關于隧道穿越堆積體,已有了許多的研究成果,并在實際應用中取得了較好的治理效果,但這些隧道大多是斷面積小于150 m2的隧道[4-6],同時這些堆積體自穩性相對較好。而關于大斷面(斷面積大于160 m2)隧道穿越自穩能力較差堆積體的研究相對較少[7]。以福建省福州地區的雙向6車道高速公路隧道為依托,研究了大斷面公路隧道穿越軟弱堆積體的工程處理措施,并對處理措施的有效性進行數值模擬驗證,為相關設計提供理論支撐。

1 工程概況

湄洲灣至重慶高速公路(簡稱湄渝高速)是國家高速公路主骨架網的重要組成部分,該線路設計車速100 km/h,按雙向6車道高速公路標準修建,是通往三明、江西等內陸地區的最便捷通道,有利于發揮海峽西岸經濟區對臺優勢,強化沿海與山區經濟聯系。

珠峰隧道位于福建省福州市永泰縣珠峰村與三明市尤溪縣中仙鄉山頭頂村之間,采用分離式雙洞隧道(左右線凈距約30 m),隧道開挖高度12 m,開挖跨度17.1 m,開挖斷面達到了163 m2。隧道右線起點里程為K138+546.6(左線ZK138+541.6),出口里程為K139+960(ZK139+965),全長1423.4 m,其中隧道右線出口C27K138+899～+949(左線C27ZK138+940～+ 990)50 m地段,需穿越地表堆積體,堆積體與線路正交,相關區域地貌如圖1所示。

圖1 隧道出口堆積體地貌

該段隧道最大埋深為32 m,上部碎石土堆積體具有分布范圍廣、堆積厚度大的特點:其橫向延展寬度約2.8 km,沿路線縱向長約400 m,分布高程600～820 m,堆積厚度達15.50～39.2 m。由于該堆積體分布范圍過廣,選線過程中難以避讓,因此需對隧道穿越該堆積體的設計及處治方案展開研究。

該堆積體多具有架空結構,欠密實,主要由碎石土、含碎石黏土組成,其中碎石占50%～60%,一般粒徑2～50 cm,次棱角狀,其間為礫、砂及黏粉粒充填;堆積體底部為粉質黏土層,厚度0.8～1.2 m,該細粒土夾層相對軟弱,工程開挖后可能成為滑移破壞的控制性層位;下伏基巖為全～強風化花崗閃長巖,局部為中風化花崗閃長巖,巖石裂隙發育,巖體破碎,呈散體～碎裂狀,為極軟巖～軟巖,圍巖穩定性差。右線隧道圍巖及位置情況如圖2所示。

圖2 右線隧道出口縱斷面示意

福州地區溫和多雨、雨量充沛,隧區地表水及地下水均較為發育。由于本隧道兩洞線間距較小,開挖斷面大,施工期間,由于掌子面暴露減載,圍巖多次擾動,地下水環境局部變化等作用,既有堆積體極易沿地層內軟弱夾層產生蠕動變形,嚴重時將導致坡體出現大范圍滑移失穩;特別是隧道洞口地段,穿越堆積體段巖體極為破碎,地下水呈淋雨狀滲出,圍巖無自穩能力,隧道易產生大范圍坍塌,是堆積體最為薄弱的環節,必須采取可靠的工程措施保證堆積體的長期安全。

早期公路建設均較少遇到此類分布廣,厚度大,地質條件差,難以繞避的堆積體,本隧道斷面大、雙洞間距小,建設難度大、風險高。如何采取合理的工程措施以保證堆積體的穩定性,防止隧道發生過度變形,以致發生塌陷、冒頂等事故,降低施工風險,是本隧道洞口段設計的關鍵。

2 處治方案研究

針對前文所闡述的堆積體穩定性及隧道施工風險,確定設計方案時研究了以下幾個方面。

2.1 明洞接長

為穩定堆積體邊坡坡腳,降低隧道洞口邊坡開挖高度,隧道洞口采用接長明洞方案替代路塹方案,本設計明洞方案如下。

(1)在不擾動原地形地貌的條件下,盡可能在洞口前設置明洞,以降低洞口永久邊坡開挖高度,恢復原洞口覆土,穩定既有堆積體邊坡坡腳,同時也有利于保護環境。

(2)明洞段基底采用5.0 m長φ42 mm×3.5 mm小導管(間距1.5 m×1.5 m)基底注漿加固,以提高明洞基底承載力及明洞襯砌穩定性。

2.2 支護結構

(1)初期支護:支護參數適當加強。混凝土噴射厚度取28 cm,鋼架采用早期支護效果好,剛度大的HW175型鋼,縱向間距0.5 m。

(2)二次襯砌:采用60 cm厚C30鋼筋混凝土襯砌。

開挖工序、支護等如圖3所示。

2.3 預加固措施

碎石土堆積體較為松散,巖體參數較差,采用地表注漿的方式可有效地提高碎石土的黏聚力、內摩擦角等強度參數[9-10]。因此,隧道設計時,一方面在隧道洞口段采取地表預注漿等措施,降低地層滲透系數,改善洞頂土石層的物理力學性能,提高隧道開挖中的圍巖穩定性[11-13],另一方面設置較強的超前預支護。

圖3 開挖工序及超前支護示意

(1)地表預注漿:采用φ75 mm袖閥管地表注漿,間距2.0 m×2.0 m。鉆孔工藝采用干鉆法。注漿范圍,橫向至隧道結構外側各10 m;縱向30 m,豎向深入基巖全風化層下部3 m。并在施工期間及時進行注漿效果檢查。

(2)超前預支護:為提高預支護效果,洞口段隧道上半斷面設置雙層φ108 mm管棚預支護,管棚長度取60 m。同時,隧道邊墻其他部位增設超前φ42 mm小導管補注漿,以防止局部坍塌引起整體失穩;

2.4 施工方法

針對開挖跨度大的問題,在隧道施工過程中宜減小隧道的單次開挖跨度。常用的處理方法為采用CRD工法、雙側壁導坑法施工,鑒于本隧道圍巖較差,設計環節選用雙側壁導坑法施工[8],以使隧道變大跨為小跨,左右導洞分部開挖,步步成環,有效控制地表沉降,穩定掌子面。

2.5 其他輔助措施

隧道施工過程中需重視注意排水,加強邊坡防護的工作。

(1)地表設置深井降水:在隧道開挖作業前,沿隧道結構兩側開挖地表鉆孔深井,降低洞口段地下水位[14]。并在施工過程中對地下水位進行定期量測,以防地下水弱化堆積體巖體參數。

(2)加強明挖段邊仰坡防護:明挖段臨時邊坡采用1∶0.75的坡率,并采用噴錨網防護。同時,邊仰坡也設置多排φ100 mm排水孔,以降低地下水影響。

(3)增大預留變形量:隧道開挖期間洞口段易產生較大變形,設計中將出口段預留變形量調整至15～20 cm,并根據后期現場監控結果進行動態調整。

(4)加強監控量測:施工期間加強隧道地表及洞內變形監測,并及時反饋監測數據,以指導現場施工及后續設計。

3 設計方案可行性研究

3.1 模型計算參數

為驗證處治方案可行性及可靠性,采用FLAC3D軟件對加固后的邊坡穩定性及隧道處治效果進行檢算,計算時各地層巖、土體力學參數如表1所示。

3.2 邊坡加固穩定性分析

施工期間,隧道洞口邊、仰坡將先后存在較小規模的坡腳開挖,為提高既有邊坡穩定性,采用地表注漿、加強臨時邊坡防護等措施,改善堆積體地層特征。計算中利用提高巖體參數的方式模擬邊坡加固效果。堆積體模型采用實體單元,主要模擬右線隧道洞口開挖對堆積體穩定性的影響。為消除邊界效應影響,計算邊界沿線路軸線、橫向及豎向的尺寸為120 m×100 m× 95 m,模型情況如圖4所示。

土體的本構關系采用Mohr-Coulomb準則,并運用強度折減理論分別驗算邊坡加固前后自穩能力及開挖過程穩定性,最終堆積體安全系數如表2所示。

本堆積體規模較大,邊坡穩定性對隧道影響極為重要,邊坡重要等級判定為一級,按持久工況考慮,其最小安全系數應為1.30。

圖4 堆積體坡體計算模型(局部)

表2 堆積體穩定性驗算結果

計算結果表明:在自然狀態下邊坡安全系數為1.31,在不受外界擾動情況下可基本保持穩定;未采取加固措施的情況下,隧道邊、仰坡實施開挖作業,邊坡穩定系數降為1.20,邊坡自穩能力可靠性降低,易出現局部失穩等風險,有必要采取工程措施提高邊坡穩定性;在采取地表注漿,增強邊仰坡開挖防護的前提下,坡腳開挖后邊坡安全系數提高至1.34,表明當前加固措施具有良好的加固效果。

3.3 隧道開挖穩定性分析

隧道開挖計算中,模型沿軸向、橫向、豎向的地層為50 m×80 m×70 m,模型網格及分組情況如圖5所示。

圖5 隧道及地層模型網格

3.3.1 豎向位移分析

模型計算過程嚴格按照隧道施工工序執行,即隧道開挖前對隧道周邊地層預注漿,其次施作洞口長管棚支護,最后按照雙側壁導坑法工序開挖隧道,并及時施作支護結構。圖6即為模擬施工過程中地表、拱頂及仰拱部位的豎向位移情況。

圖6 隧道開挖全過程地表沉降曲線

由圖6可知,在隧道模擬開挖過程中,洞頂地表沉降具有如下特點。

(1)隧道施工期間,洞室開挖導致地表、拱頂及仰拱最大變形量分別為5.1、7.5 cm及5.4 cm,變形值均較小且在設計允許范圍內。

(2)在初期支護閉合之前及臨時支撐拆除期間的隧道變形量相對較大:以地表沉降為例,此兩階段的累計變形量分別為3.8 cm和0.8 cm;二襯施作后地表沉降的變形速度得到了有效地控制,此后的變形量為0.5 cm,相對于開挖階段的變形量較小。

3.3.2 水平位移分析

模擬開挖全過程中,隧道左、右邊墻最大跨度處的水平位移如圖7所示。

圖7 隧道最大跨度處水平位移

由圖7可知,邊墻部位的水平位移具有如下特點。

(1)左右邊墻的變形規律相同,其中左邊墻的水平位移相對較大,最大水平位移為2.6 cm。總體而言,隧道周邊的總體水平變形量較小。

(2)隧道施工過程中,典型部位的各施工階段的沉降量在總沉降中所占的比例如表3所示。

表3 各施工階段隧道沉降比例%

沉降情況統計結果表明:地層及結構的位移主要發生在初期支護封閉前及臨時支撐拆卸環節。因此,應盡量縮短初期支護封閉時間、臨時支撐的單次拆卸長度,及時施作二次襯砌。

3.3.3 初支內力分析

由于圍巖條件較差,初期支護在受力體系中承擔了較大的荷載,本文重點討論初期支護的受力情況。通過計算可得初期支護的軸力及彎矩如圖8所示,對應噴射混凝土層以及HW175型鋼拱架的安全系數如圖9所示。

圖8 初期支護內力圖

根據初支受力計算結果可見:各部位的噴射混凝土及型鋼拱架的安全系數均能滿足規范的要求,表明當前的設計方案是可行的,能夠保證擬建隧道順利穿過堆積體;同時,在軸力及彎矩均較大的部位,初支抗壓安全系數較低,如在墻腳部位噴射混凝土和鋼拱架的抗壓綜合安全系數分別為2.55和2.32。豎向臨時支撐下部作用點處的彎矩較大,鋼拱架的抗壓安全系數僅為2.05,施工期間宜加強臨時支撐的構造連接,避免初期支護出現局部應力集中。

圖9 初期支護安全系數

4 結論

(1)斷面大、埋深淺、穿越地表堆積層的隧道洞口地段,應堅持“地表加固,洞內加強,穩定坡腳,重視排水,支護先行,分部開挖”的綜合設計原則。

(2)地表注漿、超前預支護可有效提高坡體穩定性,主動控制地表沉降、洞內收斂。數值模擬驗算也進一步表明地表注漿、超前預支護是隧道穿越堆積層最關鍵、最有效的加固措施。

(3)結構變形及地表沉降,主要發生在初期支護未封閉前時間段以及臨時支撐拆除的兩過程中,此期間,地表沉降量占總沉降量的比例分別約為72%和16%。從而揭示應盡量縮短初期支護施作時間,并盡早封閉成環,拆除臨時支撐后,二次襯砌應緊跟。

(4)洞口明洞的反壓支撐以及長距離、剛度大的超前管棚預支護,產生的時空效應十分顯著,可以起到穩定坡腳,控制位移的輔助作用,是重要的過程控制措施。

(5)3車道大斷面襯砌,初期支護內一般以軸向壓力為主,彎矩不是控制因素,結構內力可滿足安全性的要求。但應重視接頭處鋼架的構造連接,避免出現應力集中等問題。

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The Design of Large Section Highway Tunnel Entrance Passing Through Colluvial Deposits

CHEN Zhi-hui
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

The Mei-Yu highway Zhufeng tunnel,located between Zhongxian and Banmian,has to pass through a wide range of colluvial deposits,which may face some risks during construction.Because of the difficult construction conditions such as large excavation cross section(163 m2),shallow burial,poor rock condition and rich underground water,corresponding measures as strata grouting,advance shed supporting,extended open-cut tunnel and reinforced internal support,and double-side-wall pilot hole are proposed to pass through colluvial deposits.The design schedule is verified with numerical simulation and proved to meet the requirements for the safety of the slope and the tunnel,and effective to control soil deformation and reduce settlement.

Highway tunnel;Large section tunnel;Colluvial deposits;Construction stability;Strata grouting

U459.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.025

1004-2954(2014)12-0104-05

2014-05-07

陳智慧(1969—),男,高級工程師,1993年畢業于石家莊鐵道學院隧道及地下工程專業,工學學士。