大跨度隧道Ⅳ級(jí)圍巖取消仰拱施工實(shí)例分析

劉邦勝

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

仰拱是為改善上部支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)，是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一，其與二次襯砌構(gòu)成隧道整體，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。仰拱的作用：解決基礎(chǔ)承載力不夠，減少下沉；防止底鼓的隆起變形，調(diào)整襯砌應(yīng)力的作用；封閉圍巖，阻止圍巖變形過(guò)大，提高結(jié)構(gòu)的整體承載力；增加底部和墻部的支撐抵抗力，防止內(nèi)擠而產(chǎn)生剪切破壞。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)》建議三車(chē)道隧道圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)時(shí)設(shè)置仰拱。但是隧道地質(zhì)的模糊評(píng)判、隧道巖土材料的本構(gòu)關(guān)系、隧道圍巖的變形控制指標(biāo)、支護(hù)襯砌強(qiáng)度增長(zhǎng)和圍巖變形的關(guān)系多依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)積累、類(lèi)比分析而定，故《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)》同時(shí)也提出了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工的思想。本文以馬鞍山隧道為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖隧道底板進(jìn)行應(yīng)力、圍巖變形、初期支護(hù)和二次襯砌間的接觸受力、底板巖體受到的垂直壓力、關(guān)鍵部位的二次襯砌鋼筋受力、混凝土內(nèi)力及鎖腳錨桿內(nèi)力的監(jiān)測(cè)，分析整理應(yīng)力數(shù)值，認(rèn)為取消部分Ⅳ級(jí)圍巖的仰拱是可行的。

1 工程概況

馬鞍山隧道是青蘭高速邯涉段土建工程的控制性工程，其中右線(xiàn)全長(zhǎng)4 370 m，左線(xiàn)全長(zhǎng)4 320 m。隧道最大埋深約307 m，隧道采用標(biāo)準(zhǔn)分離式三車(chē)道設(shè)置，最大寬開(kāi)挖寬度約16.81 m，開(kāi)挖高度約11.75 m。隧道進(jìn)口平面線(xiàn)形為圓曲線(xiàn)，左線(xiàn)圓曲線(xiàn)半徑為R=3 500 m，不設(shè)超高，橫坡為2%，右線(xiàn)為R=2 490 m，超高為2%，隧道內(nèi)超高過(guò)渡方式采用線(xiàn)性過(guò)渡，出口位于直線(xiàn)上，橫坡為2%，左、右線(xiàn)縱斷面線(xiàn)形均設(shè)計(jì)為單向坡，坡度均為0.83%，隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)標(biāo)高分別為：左幅626.740 m，右幅626.066 m；出口設(shè)計(jì)標(biāo)高分別為：左幅663.347 m，右幅663.430 m。隧道進(jìn)出口洞門(mén)設(shè)計(jì)均采用端墻式。

2 針對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖設(shè)置仰拱段落進(jìn)行全斷面監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在馬鞍山隧道左線(xiàn)ZK157+094、ZK157+102，巖性為寒武系中統(tǒng)徐莊組到寒武系中統(tǒng)張廈組的過(guò)渡段，夾中厚層灰?guī)r，上部為灰色中層灰?guī)r夾頁(yè)巖，屬較硬巖～較軟巖。巖層走向與洞軸線(xiàn)夾角為38°。巖層間結(jié)合較差，主要發(fā)育二組節(jié)理。巖體較破碎～較完整，巖體穩(wěn)定性較差～差。隧道出水形式以潮濕及滴水為主，斷面埋深約206.3 m，該斷面采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，初期支護(hù)采用C20噴射混凝土，4φ22鋼格柵(間距100 cm)，錨桿采用φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)350 cm。二次襯砌采用C25混凝土。

2.1 隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)

隧道拱頂下沉、周邊收斂等位移的量測(cè)，每5～10 m設(shè)置一個(gè)斷面。收集整理量測(cè)結(jié)果，累計(jì)收斂值都≤2 cm。分析認(rèn)為隧道在初期支護(hù)后基本穩(wěn)定。

2.2 隧道各項(xiàng)受力情況的監(jiān)測(cè)

實(shí)施的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：

(1)采用鋼弦式量測(cè)系統(tǒng)，其由鋼弦式傳感器(壓力盒)和鋼弦頻率測(cè)定儀組成，監(jiān)測(cè)作用于仰拱底板圍巖受到的垂直壓力，了解圍巖壓力的量值和分布，判斷圍巖的穩(wěn)定性。把測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(2)采用鋼弦式量測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)作用于初期支護(hù)和二次襯砌間的接觸受力，分析支護(hù)和二次襯砌的穩(wěn)定性和安全度。把測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)，

(3)采用鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)鋼拱架的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可知鋼拱架的實(shí)際工作狀態(tài)，從鋼拱架的性能曲線(xiàn)上可以確定在此壓力作用下鋼拱架所具有的安全系數(shù)，根據(jù)鋼拱架的受力狀態(tài)，判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；了解鋼拱架的實(shí)際工作狀態(tài)，保證隧道施工安全。

(4)采用鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)關(guān)鍵部位的二次襯砌鋼筋受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。把測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道斷面關(guān)鍵位置上，每個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(5)采用混凝土壓力傳感器對(duì)二次襯砌混凝土應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其目的是為了了解混凝土層的變形特性以及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的可靠性及安全程度，檢驗(yàn)二次襯砌設(shè)計(jì)的合理性。每個(gè)斷面在二次襯砌中布置5個(gè)混凝土壓力傳感器。

(6)鎖腳錨桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)。為了解錨桿實(shí)際工作狀態(tài)及軸向力的大小，結(jié)合圍巖內(nèi)部位移量測(cè)，判斷圍巖發(fā)展趨勢(shì)，分析圍巖內(nèi)強(qiáng)度下降區(qū)的界限，評(píng)價(jià)錨桿支護(hù)效果。采用鋼弦式電測(cè)錨桿，每個(gè)斷面布置3～5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

從測(cè)試數(shù)據(jù)上分析，各項(xiàng)測(cè)試數(shù)值較小，且呈變小趨勢(shì)，各項(xiàng)受力趨于穩(wěn)定，隧道整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

課堂教學(xué)主要分為兩部分：教師講解與學(xué)生自主完成實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，教師在課程的開(kāi)始綜合講解該項(xiàng)目所融合的知識(shí)點(diǎn)，然后按模塊劃分，對(duì)每一模塊的講解借鑒“對(duì)分”的模式，由于知識(shí)點(diǎn)為前期所學(xué)知識(shí)，對(duì)于學(xué)生而言并不是很困難，因此每節(jié)課分為三部分：首先教師對(duì)要講解的功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單概述；其次學(xué)生之間進(jìn)行討論，對(duì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行組內(nèi)解決，組內(nèi)無(wú)法解決的提交給老師，由教師匯總后統(tǒng)一解決共性問(wèn)題；最后學(xué)生對(duì)自己的實(shí)訓(xùn)課題進(jìn)行完成，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)或者軟件程序的編寫(xiě)。

3 Ⅳ級(jí)圍巖取消仰拱試驗(yàn)段的實(shí)施

3.1 取消仰拱段落的選定及支護(hù)參數(shù)的確定

YK157+044～YK157+008段掌子面巖性為薄層頁(yè)巖夾灰?guī)r，圍巖整體上與ZK157+094、ZK157+102段落基本一致。經(jīng)參建各單位人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確認(rèn)該段圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖，確定初期支護(hù)采用原設(shè)計(jì)Ⅳ型支護(hù)參數(shù)，局部參數(shù)由設(shè)計(jì)院計(jì)算校核后稍作調(diào)整，但取消仰拱設(shè)置。為確保施工過(guò)程中的安全，將原臺(tái)階法開(kāi)挖調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，并對(duì)超前支護(hù)做適當(dāng)加強(qiáng)。具體調(diào)整參數(shù)如下：

超前支護(hù)為φ25砂漿錨桿，環(huán)距為30 cm(原設(shè)計(jì)40 cm)，排距為3 m，L=4.5 m，每環(huán)63根，搭接長(zhǎng)度≥1 m。每榀格柵鋼架較原設(shè)計(jì)增加6根3 mφ22鎖定砂漿錨桿。襯砌構(gòu)造為：φ22砂漿錨桿(系統(tǒng)錨桿)，L=3.5 m，梅花型布置@100×100；噴C20混凝土厚20 cm，鋼格柵間距@=100 cm施作；掛鋼筋網(wǎng)φ6.5@20×20；二襯施作50 cm厚的C25混凝土，二襯邊墻底部作局部加大橫截面，并設(shè)置兩根φ25砂漿錨桿，L=3.5 m，縱向間距為50 cm，錨桿端頭伸入二襯混凝土50 cm；預(yù)留變形量視圍巖變形情況設(shè)置，預(yù)留8 cm(詳見(jiàn)圖1)。

圖1 正常橫坡度Ⅳ級(jí)圍巖無(wú)仰拱段隧道襯砌斷面圖

3.2 具體施工工藝

(1)施工準(zhǔn)備

做好人員、機(jī)械的準(zhǔn)備工作，保證施工的連續(xù)性與進(jìn)度要求。人工機(jī)械進(jìn)行場(chǎng)地平整及完善臨時(shí)排水設(shè)施，營(yíng)造良好的施工環(huán)境。隨后進(jìn)行測(cè)量放線(xiàn)，放出洞口中樁，把全站儀置于中樁，放出開(kāi)挖輪廓線(xiàn)。

(2)左側(cè)先行導(dǎo)坑上部開(kāi)挖及支護(hù)

爆破采用光面爆破或預(yù)裂爆破以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。爆破作業(yè)要對(duì)鉆孔深度、鉆孔直徑、鉆孔位置及裝藥量嚴(yán)格控制，爆破采用光面爆破或預(yù)裂爆破，周邊眼間距35～40 cm，采用間隔裝藥，掏槽眼采用直眼掏槽。采用人工進(jìn)行清刷開(kāi)挖面，使隧道周邊輪廓圓順，成拱度良好，形成良好受力拱。開(kāi)挖預(yù)留變形量為8 cm，放樣時(shí)注意控制。

開(kāi)挖之后，立即進(jìn)行支護(hù)。先噴一層厚2～3 cm的C20噴射混凝土，再進(jìn)行其他支護(hù)。導(dǎo)坑壁臨時(shí)支護(hù)采用φ22砂漿錨桿@120×100L=200 cm、噴C20混凝土厚12 cm、φ6.5鋼筋網(wǎng)@25×25、鋼格柵縱向間距100 cm。

先行導(dǎo)坑上部開(kāi)挖、支護(hù)一定距離后，即進(jìn)行導(dǎo)坑下部開(kāi)挖及支護(hù)。導(dǎo)坑下部關(guān)鍵是邊墻馬口跳槽的開(kāi)挖，邊墻馬口跳槽易采取長(zhǎng)短馬口結(jié)合，減少跳槽次數(shù)。首輪馬口長(zhǎng)度宜≤2 m，且首輪馬口的中心宜選在拱圈接縫處，并注意巖層傾斜和穩(wěn)定情況，防止順層坍滑。

(4)設(shè)置臨時(shí)壁墻支護(hù)

沿隧道先行導(dǎo)坑左側(cè)開(kāi)挖輪廓，設(shè)置臨時(shí)壁墻支護(hù)，主要采用鋼格柵以及錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴C20混凝土組成。

(5)后行導(dǎo)坑上部開(kāi)挖及支護(hù)

后行導(dǎo)坑上部開(kāi)挖及支護(hù)類(lèi)似先行導(dǎo)坑上部的開(kāi)挖及支護(hù)方法。但是由于先行導(dǎo)坑的開(kāi)挖使得在開(kāi)挖后行導(dǎo)坑時(shí)多出一個(gè)臨空面，加大了爆破開(kāi)挖的難度，故應(yīng)嚴(yán)格控制爆破開(kāi)挖，降低對(duì)先行導(dǎo)坑支護(hù)的影響，采用控制爆破減少對(duì)周邊圍巖以及先行導(dǎo)坑的擾動(dòng)。爆破后首先對(duì)先行導(dǎo)坑進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)圍巖松動(dòng)、噴的混凝土裂開(kāi)及脫離等不良的情況，立即采取有效措施加固處理。

(6)后行導(dǎo)坑下部開(kāi)挖及支護(hù)

后行導(dǎo)坑下部開(kāi)挖及支護(hù)類(lèi)似先行導(dǎo)坑下部開(kāi)挖及支護(hù)的方法。值得注意的是，先行、后行導(dǎo)坑開(kāi)挖必須保證安全距離。

(7)施作防水層及灌注二次襯砌混凝土

二襯的施作受時(shí)間因素影響很大，直接關(guān)系到襯砌結(jié)構(gòu)的安全，過(guò)早施作會(huì)使二次襯砌承受較大的圍巖壓力，過(guò)晚又不利于初期支護(hù)的穩(wěn)定，隧道二次襯砌質(zhì)量的好壞對(duì)隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定、使用功能的正常發(fā)揮以及外觀美均有很大影響，為了監(jiān)測(cè)隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，確定二次襯砌施作時(shí)間。

3.3 隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)與隧道各項(xiàng)受力情況的監(jiān)測(cè)

隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)與隧道各項(xiàng)受力情況的監(jiān)測(cè)按ZK157+094、ZK157+102段落方案進(jìn)行布設(shè)，并加大量取數(shù)據(jù)頻率，及時(shí)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

分析，取消仰拱段的凈空收斂及其他各項(xiàng)受力情況與正常設(shè)置仰拱段偏差不大，說(shuō)明隧道圍巖及結(jié)構(gòu)本身都處于安全穩(wěn)固狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上試驗(yàn)段實(shí)例分析可以得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于大跨扁平隧道，在屬于較硬巖～較軟巖的Ⅳ級(jí)圍巖及Ⅳ級(jí)圍巖以下的段落可以不設(shè)置仰拱。

(2)“新奧法”施工要求充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，按照“強(qiáng)度折減”的理念，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)》的建議支護(hù)參數(shù)仍有優(yōu)化的空間，值得進(jìn)一步研究。在確保安全的前提下，有效降低建設(shè)、管理成本。

(3)本案例的成功施做，對(duì)灰?guī)r地區(qū)兩車(chē)道隧道Ⅳ級(jí)圍巖取消仰拱的研究具有一定指導(dǎo)作用和參考價(jià)值，若能進(jìn)一步證明Ⅳ級(jí)圍巖隧道的安全穩(wěn)定性而大力推廣，將取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]羅 成，章繼樹(shù).特大斷面公路隧道仰拱受力機(jī)理分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(增)：225-228.

[3]宋 飛，成 銘.基于隧道荷載模式的仰拱力學(xué)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(增)：192-194.

[4]李 明，陳洪凱，葉四橋.公路隧道仰拱力學(xué)行為的數(shù)值模擬研究[C].2007年全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議，2007.