復雜地質(zhì)情況下淺埋大跨度連拱隧道施工工法計算分析

陳少兵

（創(chuàng)輝達設計股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

目前城市山嶺隧道遵循的規(guī)范有《城市地下道路工程設計規(guī)范》（CJJ 221-2015）、《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）及《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）。而針對隧道施工工法設計的規(guī)定最詳細的為《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010），細則也僅針對三車道及以下車道隧道的施工工法設計進行規(guī)定。雙洞六車道+兩側(cè)3m慢行道大跨度連拱隧道相比較于一般雙洞六車道連拱隧道，結(jié)構(gòu)更復雜，施工風險難度更大。為保證施工過程的人生及財產(chǎn)安全，選取經(jīng)濟合理、可行的是施工工法是大跨度連拱隧道建設發(fā)展的需要。

1 工程概況

畈中路一期（趕山路至臨湖路）項目設計標準為城市主干道，時速40km/h，其中來米坡隧道起訖樁號為K1+675～K1+950，隧道長275m。隧道單洞建筑限界15.75m=0.75m（左側(cè)檢修道寬度）+0.25m（左側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?3.5m（車行道寬度）×2+3.75m（車行道寬度）+0.25m（右側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?3.0m（人行道寬度），單洞內(nèi)輪廓寬度為16.41m。隧道規(guī)劃預留紅線寬度為50m，由于受一級保護山體影響，設計采用雙連拱布置形式，整體開挖寬度達38.34m，高度達12.57m，其中復合式中隔墻寬度3.2m[1]。

場內(nèi)地形地貌較簡單，地質(zhì)環(huán)境未受破壞，場內(nèi)發(fā)育F1、F2斷層及小型褶皺，但無新構(gòu)造運動的跡象；區(qū)內(nèi)巖性種類不多，主要為強風化炭質(zhì)硅質(zhì)板巖和冰磧礫泥巖。區(qū)內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象，水文地質(zhì)條件較簡單。隧道圍巖等級均為V級，埋深最大處為44m。

2 施工工法數(shù)值模擬

2.1 計算模型

計算模型范圍選取為：上部取至地表，下部取至隧道仰拱以下70m。左右各取50m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束。具體如圖1所示。

圖1

計算中，用8節(jié)點6面體實體單元模擬圍巖、二次襯砌、中墻，初期支護采用梁單元模擬。錨桿采用植入式行架模擬。噴射混凝土剛度采用按噴混+工字鋼界面劑等效剛度，強度校核時，軸力由鋼拱架和噴射混凝土共同承擔，彎矩僅有鋼拱架承擔。鋼筋網(wǎng)、超前支護及注漿等均作為冗余安全考慮，不計入模型參數(shù)。

表1 復合式襯砌參數(shù)表

本次計算根據(jù)《來米坡隧道工程地質(zhì)詳勘報告》及《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）對圍巖及不同標號混凝土的物理力學參數(shù)取值。詳見下表。

表2 有限元分析材料參數(shù)表

2.2 施工步序

《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）對大跨度（指三車道隧道）V級圍巖隧道施工推薦采用分部開挖法，如單側(cè)壁導坑法（CD法）、雙側(cè)壁導坑法（DCD法）及CRD法。其中DCD法適用于：隧道跨度相對較大、地表沉陷要求嚴格、圍巖條件特別差、CD法難以控制圍巖變形的地段；CRD法適用于：大跨度或特大跨度隧道斷面，特別是軟弱圍巖施工和受力不均的隧道。來米坡隧道圍巖均為V級，單洞開挖跨度達到18.43m，CD法已難達到結(jié)構(gòu)變形及施工安全的要求。DCD每個導坑在不施作臨時仰拱的情況下，臨時支撐工程量與CRD法相當，故本次主要針對造價接近的DCD法（不設臨時仰拱）與CRD法進行比較分析[2-3]。

（1）DCD法施工步序。

圖2 DCD法施工步序圖

具體步驟為：

①中導洞開挖支護及中隔墻澆筑→②左洞左導洞上、下臺階開挖支護→③右洞右導洞上、下臺階開挖支護→④左洞右導洞上、下臺階開挖支護→⑤右洞左導洞上、下臺階開挖支護→⑥左洞中部上、下臺階開挖支護→⑦左洞臨支拆除、澆筑仰拱二襯及模筑拱墻二襯→⑧右洞中部上、下臺階→⑨右洞臨支拆除、澆筑仰拱二襯及模筑拱墻二襯。

（2）CRD法施工步序。

圖3 CRD法施工步序圖

具體步驟為：

①中導洞開挖支護及中隔墻澆筑→②左洞左導洞上臺階開挖支護→③左洞左導洞下臺階開挖支護→④右洞右導洞上臺階開挖支護→⑤右洞右導洞下臺階開挖支護→⑥左洞右導洞上臺階開挖支護→⑦左洞右導洞下臺階開挖及支護→⑧右洞左導洞上臺階開挖支護→⑨右洞左導洞下臺階開挖支護→⑩臨支拆除，一次澆筑仰拱混凝土，模筑二襯混凝土。

2.3 計算結(jié)果分析

隧道的施工開挖方法設計時隧道支護結(jié)構(gòu)設計及施工過程中動態(tài)設計的重要不符。不同的施工方法及施工順序下，隧道結(jié)構(gòu)與圍巖的受力影響不盡相同，主要表現(xiàn)出隧道支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與圍巖應力大小以及位移大小的不同[4-5]。

（1）初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

圖4 DCD法單元彎矩圖

圖5 CRD法單元彎矩圖

從圖中可看出，在DCD法及CRD法工況下，初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力不盡相同，具體結(jié)果比較分析如下表。

表3 初期支護安全系數(shù)計算表

分別對初期支護拱頂、內(nèi)拱腰、外拱腰三個代表位置進行結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算，其結(jié)果表明：DCD法施工，結(jié)構(gòu)軸力值明顯小于CRD法施工；兩者彎矩差值較小；DCD法安全系數(shù)高于CRD法。

（2）圍巖應力。

圖6 DCD法最大主應力

圖7 CRD法最大主應力

從圖中可以看出：最大主應力值均出現(xiàn)在中隔墻底；采用DCD法施工隧道最大主應力1.7mpa；而采用CRD法施工隧道最大主應力3.0mpa。

（3）位移。

圖8 DCD法豎向位移

圖9 CRD法豎向位移

表4 位移結(jié)果比較表

從表中可以看出：不同施工工法下，CRD法豎向位移值基本達到DCD法豎向位移值的2倍；水平位移CRD法位移值也均高出DCD法的50%。

3 結(jié)語

通過對來米坡大斷面連拱隧道進行有限元分析計算，復雜地質(zhì)情況下淺埋大跨度連拱隧道主洞采用DCD法施工，DCD法將隧道分成更多更小的各個導坑，每個導坑開挖斷面縮小，初期支護能及時閉合。支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、圍巖應力及位移等各方面均優(yōu)于CRD法。適用于在復雜地質(zhì)情況下、特大斷面隧或?qū)Τ两狄髧栏竦乃淼朗┕ぁ?/p>