超大跨隧道特大塌方體的開挖技術(shù)探討

周 祥，胡衛(wèi)軍，周東迎

(廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著城市化進程的發(fā)展，對大跨交通隧道的建設(shè)需求逐步增大。大跨隧道的力學(xué)反應(yīng)和穩(wěn)定性與雙車道有很大區(qū)別，施工不當極易誘發(fā)大規(guī)模的塌方。大跨隧道塌方后需要在塌方體中重新開挖，開挖過程中的安全性問題值得重視。目前雖然有不少同行對塌方的開挖方法進行了探討，但對超大跨隧道在大埋深的松散巖塊中進行開挖的技術(shù)探討較少。

1 工程概況

某市政雙向八車道機動車隧道，最大開挖寬度為21.5 m，最大開挖高度為15 m，長度為480 m，屬于短隧道。其機動車道一側(cè)設(shè)非機動車道隧道。該隧道施工過程中在出口一側(cè)出現(xiàn)多次坍塌，最大一次坍塌埋深最大約為70 m。該隧道出口端塌方體以塊石、碎石、角礫及黏性土為主，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)。該隧道塌方前采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法進行施工，但中導(dǎo)洞并未設(shè)置橫撐，塌方后松散體對施工控制的要求進一步提高。塌方體縱斷面如圖1所示。

圖1 塌方體縱斷面示意圖

2 風(fēng)險分析

由于隧道為超大跨隧道，塌方松散體厚度達到70 m，為碎塊狀，無粘結(jié)力，因而存在兩大安全風(fēng)險：

(1)塌方體形成了一個臨時平衡的狀態(tài)，在持續(xù)的變形及降雨等不利影響下，塌方體有繼續(xù)向掌子面突出的風(fēng)險。在施工挖出掌子面突出的松散體后，平衡進一步被打破，可能會進一步向臨空面突出，有造成人員傷亡的風(fēng)險。

(2)松散體厚達70 m，由于坍塌后周邊巖體對松散體的約束限制作用大幅度降低，開挖過程中支護結(jié)構(gòu)將承受巨大的山體壓力，尤其是初期支護并未能及時形成閉合結(jié)構(gòu)，其承載能力較低，開挖過程中對支護方式和開挖步驟要求較高，稍有不當就可能造成初期支護破壞，從而導(dǎo)致進一步坍塌。

3 開挖方法

為了解決掌子面松散體繼續(xù)突出及松散壓力造成初期支護破壞的問題，需要合理采用輔助工程措施，并采取適當?shù)拈_挖方法和支護結(jié)構(gòu)進行處治。考慮到本塌方體主要為松散的塊狀硅質(zhì)巖，具備注漿的條件，山體地形經(jīng)過多次塌方后，具備在地表進行操作的條件，因此采取在地表注漿的方式。同時為了增強安全性和可靠性，需要在洞內(nèi)采用雙層導(dǎo)管超前注漿。通過地表和洞內(nèi)注漿的措施，大幅提高松散體的粘聚力和整體性，從而為下一步施工的空間利用提供了保障。

針對塌方體所采取的施工方法要求能提供足夠的穩(wěn)定性，為此需要對原來的雙側(cè)壁施工工法進行優(yōu)化，形成一種新的施工工法。原設(shè)計施工工法見圖2。

為了解決病害向掌子面涌出和保障開挖后初期支護的足夠承載能力，需要進一步對該施工工法進行優(yōu)化。主要優(yōu)化方向有：(1)優(yōu)化豎向臨時支撐的曲率，減小豎向臨時支撐的偏心彎矩；(2)中臺階優(yōu)化臨時橫撐，減小豎桿的壓桿長度，增強穩(wěn)定性；(3)加強鎖腳，對豎向橫撐及初期支護采用Ⅰ14工字鋼進行連接，加強整體性；(4)隧道二襯仰拱整體澆筑，不設(shè)大邊墻，提高襯砌支護結(jié)構(gòu)的軸力比例；(5)減小開挖進尺，及時閉合初期支護仰拱；(6)提高型鋼的強度，采用Q345型鋼。結(jié)合輔助措施，經(jīng)過優(yōu)化后的施工工法使得開挖過程能夠充分利用空間，且初期支護具備足夠的承載能力，具體見圖3。

圖2 原設(shè)計施工工法示意圖

圖3 優(yōu)化后的施工工法示意圖

4 驗算分析

為了有效地驗證開挖穩(wěn)定性問題，采用地層結(jié)構(gòu)法對開挖過程進行分析，結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[1]，初期支護及圍巖承擔的釋放荷載取50%。地層結(jié)構(gòu)法的計算基本步驟為：(1)按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑的方法分步開挖土體及激活相應(yīng)的初期支護、臨時橫撐；(2)撤除臨時初支。相關(guān)模型見圖4。

圖4 數(shù)值計算模型云圖

4.1 計算結(jié)果

4.1.1 主洞初支

從圖5～7的主洞初期支護的受力形態(tài)來看，其主要彎矩由拱頂變?yōu)橹蔚膬蓚€角部位，達到了減跨的目的，但同時也在導(dǎo)洞豎向支撐的位置產(chǎn)生了較大的剪力，不過從幅值來看，其遠小于拱腳的剪力。總體來看，設(shè)置雙側(cè)壁導(dǎo)洞豎向支撐達到了總體減跨的目的，提高了隧道施工的安全性。

圖5 主洞初支軸力云圖

圖6 主洞初支彎矩云圖

圖7 主洞初支剪力云圖

4.1.2 導(dǎo)洞初支

從圖8～10的導(dǎo)洞豎向支撐的受力形態(tài)來看，豎向支撐在臨時橫撐處產(chǎn)生了負彎矩，正彎矩因負彎矩作用也相應(yīng)減小。從梁體的受力形態(tài)來看，設(shè)置橫撐對豎向支撐的減跨作用明顯，從而提高了豎向支撐的平面外穩(wěn)定性，進一步提高了開挖的安全性。

圖8 導(dǎo)洞豎向支撐軸力云圖

圖9 導(dǎo)洞豎向支撐彎矩云圖

圖10 導(dǎo)洞豎向支撐剪力云圖

4.1.3 橫撐

從圖11～13來看，整個橫撐的受力比較小，其中中導(dǎo)洞的兩個橫撐的軸力最大，這說明中導(dǎo)洞的橫撐受到了較大的豎向支撐側(cè)彎帶來的壓力，也說明中部橫撐起到了很好的作用。

圖11 導(dǎo)洞橫向支撐軸力云圖

圖12 導(dǎo)洞橫向支撐彎矩云圖

圖13 導(dǎo)洞橫向支撐剪力云圖

4.2 內(nèi)力驗算

本次初期支護采用雙層型鋼噴射混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻[2]進行驗算，考慮到臨時橫撐和側(cè)導(dǎo)洞未拆除前，型鋼宜處于彈性狀態(tài)，驗算時采用彈性抗彎慣性矩；考慮到拆除橫撐后范圍較小，可以通過控制拆除距離及時施作二襯解決安全問題，此時驗算可采用塑性抗彎慣性矩。

型鋼的驗算公式為：

(1)

噴射混凝土的驗算公式為：

(2)

經(jīng)過計算，各個階段噴射混凝土的最大壓應(yīng)力僅為10.8 MPa，是安全的。未拆除臨時支護時，初期支護型鋼的局部最大壓應(yīng)力為239.7 MPa(該壓應(yīng)力經(jīng)計算修正，其值為γ0γ1γhyQ,下同)，小于強度標準值345 MPa，基本處于彈性狀態(tài)。拆除臨時支護后，初期支護型鋼最大壓應(yīng)力為256.6 MPa，小于強度標準值345 MPa。導(dǎo)洞臨時支護型鋼的壓應(yīng)力為222.8 MPa，小于345 MPa。橫撐的最大拉應(yīng)力為60.6 MPa，壓應(yīng)力為57.7 MPa，遠小于345 MPa。考慮到型鋼腹板具有抗剪能力且一榀型鋼的抗剪能力為：125×2.5=312.5 kN/m，則主洞初期支護單型鋼腹板抗剪能力就達到1 250 kN，遠大于剪力設(shè)計值；臨時支護型鋼每延米抗剪能力達到625 kN，亦遠大于設(shè)計值，可見初期支護是安全、合理的。

5 結(jié)語

(1)超大跨隧道塌方體的開挖應(yīng)重視對開挖方法的選擇，優(yōu)化開挖斷面，嚴格按照超前加固、短進尺、強支護的措施進行。

(2)針對塌方體的開挖應(yīng)重視輔助措施，提高塌方體的整體性和穩(wěn)定性，并應(yīng)高度重視臨時支護的減跨作用。

(3)超大跨隧道施工期間應(yīng)加強變形控制，避免過大變形誘發(fā)山體松動，從而從源頭上預(yù)防塌方的產(chǎn)生。