小關大跨度連拱隧道的設計與施工

1、小關大跨度連拱隧道的設計與施工劉勝利彭立敏余曉琳胡自林【提要】：小關隧道屬貴陽市中心環(huán)北線項目關鍵工程之一，大跨連拱、型式新穎受力復雜并穿越斷層地帶。本文就洞口和襯砌等結構的設計作一探討， 并對施工階段的相互影響進行了數(shù)值模擬，最后就施工事項進行了簡要介紹?！娟P鍵詞】：大跨連拱隧道斷層中隔墻Abstract: The projectunderquestion,Largespanprojectat Xiaoguan,isone of thekey projectsforRingLine North . Long span, with multi-arch , brand newconfigura

2、tion , complicated in force bearing, and theproject is situated in fault zone. This paper makes abriefdescriptionofconstructionat portal,and liningjobs.Keywords:longspan tunnel ， faultyzone， middlebulkhead.1 工程概況小關隧道全長 273m，是貴陽市中心環(huán)北線項目的關鍵工程之一。 隧道最大埋深為 75m，局部地形陡峻； 進、出口端均淺埋于 類圍巖中， 地表為第四系殘積粘土層， 厚 0 2m，

3、局部為斷層破碎物質(zhì)，下伏基巖為三疊系中疏松泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r，因此地質(zhì)條件很差。其中進出口端的斷層陡傾，節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀變化大，巖體破碎，且軟硬質(zhì)巖石相間，當?shù)乇硭赜操|(zhì)巖滲透到軟硬巖交匯處時，會迅速降低巖石的物理力學和化學性能，在掘進過程中易引起坍方掉塊。隧道穿越城市山嶺，受地理因素所限，上、下行線路無法分離，故設計成雙跨連拱隧道形式。有關尺寸參見公路隧道設計規(guī)范的高速公路山嶺地區(qū)隧道建筑限界， 中直墻厚 2m，上縱坡度為 3 。2 結構設計2.1洞口設計小關隧道進出口端均位于類圍巖地段， 進口段地形等高線與線路中線成45 斜交，洞口上方左低右高的地形易產(chǎn)生偏壓。 設計的連拱形式毛洞寬24m，洞

4、頂兩側地表高差7 8m，為抵抗偏壓修建了明洞，長7m；洞門采用柱式結構，能起到抵擋仰坡下滑和增強端墻穩(wěn)定性的作用，同時作建筑藝術 的效果處理，右側高邊坡處設置 10m長的擋墻， 以降低邊坡高度。 出口也相應修建 5m明洞 , 同樣采用柱式洞門結構，在邊坡高度已滿足隧規(guī)要求的情況下省略擋墻布置，并在兩端運用管棚進洞的輔助措施。2.2襯砌結構設計隧道襯砌結構設計為雙跨連拱結構形式， 中隔墻為直線形，兩側邊墻為曲線，邊墻與拱圈內(nèi)輪廓為單一的圓弧。依據(jù)新奧法原理指導設計與施工，襯砌結構采用復合形式，支護結構形式見圖 1。圖 1 連拱隧道村砌結構圖 類圍巖區(qū)域圍巖松軟， 施工中周邊圍巖松動及位移不可避免

5、，故在設計中采用 I18 型鋼鋼架支撐，并用熱軋無縫鋼管 42mm的超前小導管進行預支護。 襯砌初期支護采用錨網(wǎng)噴形式，二襯定為鋼筋砼結構。 類圍巖段設置鋼花拱，可防止拱部產(chǎn)生較大的坍塌，同時也能保持側壁的穩(wěn)定，二次模注襯砌與 類厚度等同。主要支護參數(shù)見表1。表 1主要支護參數(shù)預加固附加措施初期支護模柱襯砌中墻頂部拱、墻中墻、仰拱 類圍巖超前小導管I18號型鋼錨噴，厚25cm25號鋼筋砼25號素砼鋼筋砼支墩 類圍巖超前錨桿鋼花拱網(wǎng)噴，厚25cm明洞/ /25號鋼筋砼3數(shù)值模擬3.1計算原理與模型采用空間彈塑性有限元 方法 對施工的不同階段進行模擬計算。 巖土類材料屈服條件表示為 f( ) K(

6、k) ，計算時采用 Drucker-Prager 屈服準則， 建立其本構方程， 然后由求得的各高斯點的強度發(fā)揮系數(shù)確定隧道圍巖塑性區(qū)范圍。 類圍巖淺埋隧道段向上計算范圍取至地表， 計算時不同巖體視為均勻介質(zhì)，隧道圍巖、初期支護用平面等參數(shù)單元模擬，二次襯砌錨桿分別用梁單元和軸力桿單元近似模擬。圖 2、圖 3 即為相應的襯砌內(nèi)力示意圖。（ a） 軸力圖 ( 單位：kN) （b）彎矩圖（單位：kN）3.2結果分析計算結果見表 2 和表 3。表 2 類圍巖不同施工階段洞室收斂位移及洞室周邊圍巖最大主應力計算結果施工階段最大位移（ ）收斂比 （）圍巖中最大主應力（ KPa）豎直水平拱頂隧底中墻邊墻水平

7、拱頂左洞開挖后-0.3510.6090.3970.2290.0010.0042080.2左洞封閉式襯砌完-0.204 1.342 0.407 0.235 0.0020.0032265.8右洞開挖后-0.4542.2741.4340.4060.0040.0051964.0右洞封閉式襯砌完-0.732 2.628 0.439-0.399 0.007 0.009 2920.5表 3 類圍巖不同施工階段洞室收斂位移計算結果施工階段最大位移（ ）收斂比 （）豎直 水平拱頂隧底 中墻邊墻 水平拱 頂左洞開挖后-1.914 1.335 1.138 0.619 0.001 0.021左洞封閉式襯砌完-3.17

8、8 6.162 1.896 1.461 0.003 0.041右 洞 開 挖 后-3.4136.3381.8981.4480.0160.044右洞封閉式襯砌完-4.1837.0521.005-1.394 0.019 0.054計算中進行了不同施工階段結構的內(nèi)力、位移以及周邊塑性區(qū)情況、錨桿受力的分析。計算結果表明：1) 計算所得的塑性區(qū)圖顯示在施工階段和施工完畢后，隧道周邊圍巖中的破壞域主要集中在直邊墻、中隔墻頂部和墻腳、拱腳部位。據(jù)此認為，在設計中采取了小導管注漿和錨桿加固的措施以確保施工過程中洞室的穩(wěn)定性和結構的安全性是必要的。2) 由于 “收斂比 ”這一參數(shù)能較全面地反映圍巖應變性態(tài)和穩(wěn)

9、定狀態(tài)，且根據(jù)表 1 所得的結果，不同施工階段洞室的收斂比遠小于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，可見隧道在施工過程中處于安全狀態(tài)。3) 計算錨桿受力時顯示其受力并不大，所受拉力都在12kPa 以下。在用不同施工階段的錨桿受力圖也顯示后挖洞對已成洞的影響不是很大，更不會危及結構穩(wěn)定性。4) 在開挖第一個洞時， 中隔墻部位出現(xiàn)了少許拉應力；兩洞全部完成后，拉應力主要出現(xiàn)在中隔墻頂部，通過計算隧道洞周及中隔墻部位在各計算點的強度安全系數(shù)，均達到了規(guī)范的要求，不影響結構安全。由求得的內(nèi)力圖知，后挖洞的施工會使建成洞的內(nèi)力增加，但在支護結構作用下沒有增加太大。4 隧道施工4.1施工方法及其重點施工方法采用三導洞先墻后拱

10、開挖方式， 主要施工步驟見圖 4，包括： 開挖中央導坑與臨時支護； 修筑中隔墻； 左旁側導坑開挖與臨時支護； 挖左洞及施作初期支護； 修筑左洞二次初期； 左洞下部及仰拱開挖； 修筑左洞仰拱； 右旁側導坑開挖與臨時支護； 挖右洞及施作初期支護； 修筑右洞二次初期；右洞下部及仰拱開挖；修筑右洞仰拱。掘進中按短進尺、弱爆破、強支護、模筑襯砌緊跟原則進行，先開挖的洞室在完成作業(yè)時，應及時作好初期支護和二次襯砌，并盡量減少對圍巖的擾動，發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，使噴錨支護和圍巖一起形成自穩(wěn)承載圈。在后挖隧道時，要盡量減少爆破對已建成結構的損傷， 并加強監(jiān)控。 在埋深淺、圍巖弱的情況下，應及時施作仰拱，以便襯砌與

11、仰拱能夠盡早形成一個閉合結構，整體受力。對隧道的防排水、照明和消防等步驟，在設計與施工時要給予重視，避免由人為疏忽所造成的損失。4.2施工監(jiān)測施工監(jiān)測是新奧法的基本要素之一，而且是檢驗設計、保證施工安全的重要手段，因此從中導坑開始施工起，應按本設計的量測設計要求進行施工監(jiān)測， 并及時進行信息反饋，指導設計與施工。5 結語小關隧道已于 2002 年底基本建成，這表明先開挖中導洞對于雙跨連拱隧道施工來說是一個十分合理的方案，并在工程實踐中得到廣泛 應用 。由于雙跨連拱結構對周邊圍巖存在著多次擾動， 特別是在中隔墻頂部存在著受力復雜的塑性區(qū)，因此，在設計、施工時應格外重視中隔墻的受力平衡及其穩(wěn)定，應把中隔墻與仰拱、正洞拱部的鋼筋焊接為一個整體，便于受力。為避免中隔墻上部的圍巖遭破壞，修筑好的中隔墻宜用支撐頂住兩旁的坑壁；并處理好中隔墻的基底和保證中隔墻頂部回填密實，待其達到強度后才能拆除中導洞底邊墻及部分拱部臨時支護。小關大跨連拱隧道穿越斷層等軟弱圍巖地段的成功實例可以為其他類似工程的設計與施工提供有益的 參考 和借鑒。當然，中隔墻頂部滲漏水在現(xiàn)有的隧道施工中一直未得到徹底根治，繼續(xù)探討尤為必要；其次，建造工序繁瑣，有必要 研究 如何在確保安全穩(wěn)定的同時減少工序和縮短工期，比如像單導洞開挖方案等等。參考文獻 1 JTJ0