小关大跨度连拱隧道的设计与施工

小关大跨度连拱隧道的设计与施工 【提　要】：小关隧道属贵阳市中心环北线项目关键工程之一，大跨连拱、型式新颖受力复杂并穿越断层地带。本文就洞口和衬砌等结构的设计作一探讨，并对施工阶段的相互影响进行了数值模拟，最后就施工事项进行了简要介绍。【关键词】：大跨连拱隧道断层中隔墙Abstract: The project under question, Large span project at Xiaoguan, is one of the key projects for Ring Line North . Long span, with multi-arch , brand new configuration , complicated in force bearing, and the project is situated in fault zone. This paper makes a brief description of construction at portal, and lining jobs.Keywords: long span tunnel， faulty zone， middle bulkhead.　　1　工程概况 小关隧道全长273m，是贵阳市中心环北线项目的关键工程之一。隧道最大埋深为75m，局部地形陡峻；进、出口端均浅埋于Ⅱ类围岩中，地表为第四系残积粘土层，厚0～2m，局部为断层破碎物质，下伏基岩为三叠系中疏松泥质白云岩、灰岩，因此地质条件很差。其中进出口端的断层陡倾，节理发育，产状变化大，岩体破碎，且软硬质岩石相间，当地表水沿硬质岩渗透到软硬岩交汇处时，会迅速降低岩石的物理力学和化学性能，在掘进过程中易引起坍方掉块。 隧道穿越城市山岭，受地理因素所限，上、下行线路无法分离，故设计成双跨连拱隧道形式。有关尺寸参见公路隧道设计规范的高速公路山岭地区隧道建筑限界，中直墙厚2m，上纵坡度为3‰。 2　结构设计 2.1　洞口设计 小关隧道进出口端均位于Ⅱ类围岩地段，进口段地形等高线与线路中线成45°斜交，洞口上方左低右高的地形易产生偏压。设计的连拱形式毛洞宽24m，洞顶两侧地表高差7～8m，为抵抗偏压修建了明洞，长7m；洞门采用柱式结构，能起到抵挡仰坡下滑和增强端墙稳定性的作用，同时作建筑艺术的效果处理，右侧高边坡处设置10m长的挡墙，以降低边坡高度。出口也相应修建5m明洞,同样采用柱式洞门结构，在边坡高度已满足隧规要求的情况下省略挡墙布置，并在两端运用管棚进洞的辅助措施。 2.2　衬砌结构设计 隧道衬砌结构设计为双跨连拱结构形式，中隔墙为直线形，两侧边墙为曲线，边墙与拱圈内轮廓为单一的圆弧。依据新奥法原理指导设计与施工，衬砌结构采用复合形式，支护结构形式见图1。图1　连拱隧道村砌结构图 Ⅱ类围岩区域围岩松软，施工中周边围岩松动及位移不可避免，故在设计中采用I18型钢钢架支撑，并用热轧无缝钢管?42mm的超前小导管进行预支护。衬砌初期支护采用锚网喷形式，二衬定为钢筋砼结构。Ⅲ类围岩段设置钢花拱，可防止拱部产生较大的坍塌，同时也能保持侧壁的稳定，二次模注衬砌与Ⅱ类厚度等同。主要支护参数见表1。

表1　主要支护参数

	预加固	附加措施	初期支护	模柱衬砌		中墙顶部
				拱、墙	中墙、仰拱
Ⅱ类围岩	超前小导管	I18号型钢	锚喷，厚25cm	25号钢筋砼	25号素砼	钢筋砼支墩
Ⅲ类围岩	超前锚杆	钢花拱	网喷，厚25cm
明洞	/	/	/	25号钢筋砼

3　数值模拟 3.1　计算原理与模型 采用空间弹塑性有限元方法对施工的不同阶段进行模拟计算。岩土类材料屈服条件表示为f(σ)＝K(k)，计算时采用Drucker-Prager屈服准则，建立其本构方程，然后由求得的各高斯点的强度发挥系数确定隧道围岩塑性区范围。 Ⅱ类围岩浅埋隧道段向上计算范围取至地表，计算时不同岩体视为均匀介质，隧道围岩、初期支护用平面等参数单元模拟，二次衬砌锚杆分别用梁单元和轴力杆单元近似模拟。图2、图3即为相应的衬砌内力示意图。（a） 轴力图(单位：kN)（b）弯矩图（单位：kN） 3.2　结果分析 计算结果见表2和表3。表2　Ⅱ类围岩不同施工阶段洞室收敛位移及洞室周边围岩最大主应力计算结果

施工阶段	最大位移（㎜）				收敛比（％）		围岩中最大主应力（KPa）
	竖直		水平
	拱顶	隧底	中墙	边墙	水平	拱顶
左洞开挖后	-0.351	0.609	0.397	0.229	0.001	0.004	2080.2
左洞封闭式衬砌完	-0.204	1.342	0.407	0.235	0.002	0.003	2265.8
右洞开挖后	-0.454	2.274	1.434	0.406	0.004	0.005	1964.0
右洞封闭式衬砌完	-0.732	2.628	0.439	-0.399	0.007	0.009	2920.5

表3　Ⅲ类围岩不同施工阶段洞室收敛位移计算结果

施工阶段	最大位移（㎜）				收敛比（％）
	竖直		水平
	拱顶	隧底	中墙	边墙	水平	拱顶
左洞开挖后	-1.914	1.335	1.138	0.619	0.001	0.021
左洞封闭式衬砌完	-3.178	6.162	1.896	1.461	0.003	0.041
右洞开挖后	-3.413	6.338	1.898	1.448	0.016	0.044
右洞封闭式衬砌完	-4.183	7.052	1.005	-1.394	0.019	0.054

计算中进行了不同施工阶段结构的内力、位移以及周边塑性区情况、锚杆受力的分析。计算结果表明： 1) 计算所得的塑性区图显示在施工阶段和施工完毕后，隧道周边围岩中的破坏域主要集中在直边墙、中隔墙顶部和墙脚、拱脚部位。据此认为，在设计中采取了小导管注浆和锚杆加固的措施以确保施工过程中洞室的稳定性和结构的安全性是必要的。 2) 由于“收敛比”这一参数能较全面地反映围岩应变性态和稳定状态，且根据表1所得的结果，不同施工阶段洞室的收敛比远小于规范规定的数值，可见隧道在施工过程中处于安全状态。 3) 计算锚杆受力时显示其受力并不大，所受拉力都在12kPa以下。在用不同施工阶段的锚杆受力图也显示后挖洞对已成洞的影响不是很大，更不会危及结构稳定性。 4) 在开挖第一个洞时，中隔墙部位出现了少许拉应力；两洞全部完成后，拉应力主要出现在中隔墙顶部，通过计算隧道洞周及中隔墙部位在各计算点的强度安全系数，均达到了规范的要求，不影响结构安全。由求得的内力图知，后挖洞的施工会使建成洞的内力增加，但在支护结构作用下没有增加太大。 4　隧道施工 4.1　施工方法及其重点 施工方法采用三导洞先墙后拱开挖方式，主要施工步骤见图4，包括：①开挖中央导坑与临时支护；②修筑中隔墙；③左旁侧导坑开挖与临时支护；④挖左洞及施作初期支护；⑤修筑左洞二次初期；⑥左洞下部及仰拱开挖；⑦修筑左洞仰拱；⑧右旁侧导坑开挖与临时支护；⑨挖右洞及施作初期支护；⑩修筑右洞二次初期；右洞下部及仰拱开挖；修筑右洞仰拱。 掘进中按短进尺、弱爆破、强支护、模筑衬砌紧跟原则进行，先开挖的洞室在完成作业时，应及时作好初期支护和二次衬砌，并尽量减少对围岩的扰动，发挥围岩自稳能力，使喷锚支护和围岩一起形成自稳承载圈。在后挖隧道时，要尽量减少爆破对已建成结构的损伤，并加强监控。在埋深浅、围岩弱的情况下，应及时施作仰拱，以便衬砌与仰拱能够尽早形成一个闭合结构，整体受力。对隧道的防排水、照明和消防等步骤，在设计与施工时要给予重视，避免由人为疏忽所造成的损失。 4.2　施工监测 施工监测是新奥法的基本要素之一，而且是检验设计、保证施工安全的重要手段，因此从中导坑开始施工起，应按本设计的量测设计要求进行施工监测，并及时进行信息反馈，指导设计与施工。 5　结语 小关隧道已于2002年底基本建成，这表明先开挖中导洞对于双跨连拱隧道施工来说是一个十分合理的方案，并在工程实践中得到广泛应用。 由于双跨连拱结构对周边围岩存在着多次扰动，特别是在中隔墙顶部存在着受力复杂的塑性区，因此，在设计、施工时应格外重视中隔墙的受力平衡及其稳定，应把中隔墙与仰拱、正洞拱部的钢筋焊接为一个整体，便于受力。为避免中隔墙上部的围岩遭破坏，修筑好的中隔墙宜用支撑顶住两旁的坑壁；并处理好中隔墙的基底和保证中隔墙顶部回填密实，待其达到强度后才能拆除中导洞底边墙及部分拱部临时支护。 小关大跨连拱隧道穿越断层等软弱围岩地段的成功实例可以为其他类似工程的设计与施工提供有益的参考和借鉴。 当然，中隔墙顶部渗漏水在现有的隧道施工中一直未得到彻底根治，继续探讨尤为必要；其次，建造工序繁琐，有必要研究如何在确保安全稳定的同时减少工序和缩短工期，比如像单导洞开挖方案等等。 参考文献 ［1］ JTJ026-90，公路隧道设计规范 ［S］ ［2］ 潘昌实. 隧道力学数值方法 ［M］. 北京：中国铁道出版社，1995 ［3］ 王毅才. 隧道工程 ［M］. 北京：人民交通出版社，2000 ［4］ 孙钧. 地下工程设计理论与实践 ［M］. 上海：上海科学技术出版社，1996，12 ［5］ 刘洪洲，黄伦海. 连拱隧道设计施工技术研究现状［J］. 西部探矿工程，2001，1 ［6］ 余晓琳，黄小华，彭立敏. 软弱围岩条件下连拱隧道施工阶段的受力分析［J］. 西部探矿工程，2002，4