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淺埋大跨徑雙連拱隧道的開挖與支護(hù)論文
摘 要：通過對(duì)雙連拱隧道設(shè)計(jì)方案、開挖方案、支護(hù)方案的比選論證，總結(jié)了連拱隧道的受力特點(diǎn)和開挖經(jīng)驗(yàn)，供同類項(xiàng)目參考借鑒。
關(guān)鍵詞：連拱隧道；三導(dǎo)洞法；優(yōu)化設(shè)計(jì)；開挖及支護(hù)方案
一、概述
宛坪高速公路是上海至西安國(guó)家重點(diǎn)干線公路的重要組成部分，公路總長(zhǎng)150.8km,批準(zhǔn)概算約72億元。宛坪高速公路全線設(shè)計(jì)有16座大跨徑、淺埋置的雙連拱隧道，總長(zhǎng)度3249米，均為短隧道。設(shè)計(jì)指標(biāo)建筑限界寬度14.0 m，內(nèi)輪廓采用三心圓，建筑限界高度5.0m,設(shè)計(jì)車速為100km/h。其中7座隧道圍巖巖性以風(fēng)化細(xì)砂巖為主，而另外9座隧道圍巖為變質(zhì)巖，巖性以風(fēng)化的二云石英巖為主。隧道大多為淺埋置(埋置厚度最淺的1m，最深的46m)、圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類（Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)）為主，強(qiáng)度低，地質(zhì)條件復(fù)雜。16座大跨徑、淺埋置、地質(zhì)條件差的連拱隧道同時(shí)出現(xiàn)在同一條高速公路上，在國(guó)內(nèi)、國(guó)際上都是首屈一指的，同時(shí)也成為宛坪高速重點(diǎn)控制工程。
二、設(shè)計(jì)方案論證
宛坪高速16座隧道隧址大都位于位于地形陡峻、脊谷相間的“雞爪”地帶，分離式路基很難滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)左右洞距的要求，不得不采用小凈距或連拱隧道方案。由于小間距隧道對(duì)中隔墻兩側(cè)巖體光面爆破技術(shù)要求極高，施工難度較大，且主洞的開挖及支護(hù)過程使中間巖柱受到多次擾動(dòng)，巖體力學(xué)指標(biāo)大大降低，其自身穩(wěn)定性受到很大影響，需要進(jìn)行加固處理，特別是對(duì)于軟巖隧道，將會(huì)大幅增加投資。國(guó)內(nèi)對(duì)小間距隧道目前還沒有形成完整的、成熟的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范，對(duì)于隧道在不同跨徑下中間巖柱最小尺寸、形狀、支護(hù)參數(shù)、施工工藝、開挖方法及控制爆破等關(guān)鍵技術(shù)還缺乏系統(tǒng)的研究，小間距隧道的適用范圍還不夠明確。因而，綜合考慮以上因素，16座隧道全部選用連拱隧道方案。
施工過程中圍巖應(yīng)力分布、襯砌受力變形狀況不明確，左右洞施工對(duì)中隔墻的影響難以把握，增加了隧道施工變形和穩(wěn)定控制的難度，稍有不慎，就會(huì)產(chǎn)生塌方。在設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)連拱隧道斷面及地質(zhì)情況的特殊性，采用三維有限元數(shù)值分析方法動(dòng)態(tài)模擬連拱隧道施工全過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)，了解連拱隧道的變形規(guī)律和工程特點(diǎn)，獲得不同施工時(shí)序隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變化特征，從而論證設(shè)計(jì)及施工方法的合理性和科學(xué)性。
三、施工方案
根據(jù)前期勘探及地質(zhì)調(diào)查資料表明，16座隧道全部處于Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)軟巖當(dāng)中，為確保不對(duì)圍巖進(jìn)行大的擾動(dòng)和施工過程中不產(chǎn)生坍塌，設(shè)計(jì)提出臺(tái)階法及三導(dǎo)洞先墻后拱法兩種方案對(duì)比論證。
采用臺(tái)階法開挖，即先行中導(dǎo)坑及中隔墻，其次主洞分上、中、下三個(gè)臺(tái)階依次開挖。這種開挖方法施工工序簡(jiǎn)單，操作方便，但主洞開挖支護(hù)后，中隔墻即開始承重，其頂部、底部圍巖出現(xiàn)高應(yīng)力承壓區(qū)，特別是頂部角隅處圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，施工時(shí)掌子面穩(wěn)定性較差，周邊變形量較大，存在一定的隱患。
采用三導(dǎo)洞先墻后拱法施工，施工要點(diǎn)：
①對(duì)Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制三個(gè)導(dǎo)洞開挖作業(yè)之間的距離，中導(dǎo)洞先行，系隧道開挖的關(guān)鍵；再開挖地質(zhì)條件較差或受力不利一側(cè)的導(dǎo)洞a，a導(dǎo)洞滯后中導(dǎo)洞8～10米；然后再開挖另一側(cè)導(dǎo)洞b，b導(dǎo)洞滯后a導(dǎo)洞8～10米，導(dǎo)洞均采用正臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度5～8米，開挖進(jìn)尺按兩榀鋼架間距進(jìn)行。
�、趯�(duì)Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制左、右主洞開挖作業(yè)面之間的距離，主洞開挖先進(jìn)行導(dǎo)洞a側(cè)主洞，導(dǎo)洞b側(cè)主洞滯后a側(cè)主洞8～10米，主洞開挖亦采用臺(tái)階法，Ⅱ類圍巖上臺(tái)階分部開挖留核心土，進(jìn)尺控制同導(dǎo)洞開挖，然后進(jìn)行初期支護(hù)施工，防排水施工。
�、劭刂普撮_挖作業(yè)面與二次襯砌作業(yè)面之間的距離，正洞隧道開挖作業(yè)面與襯砌作業(yè)面之間距離最小按15米考慮。
�、芏我r砌采用混凝土運(yùn)輸車、輸送泵和襯砌模板臺(tái)車的機(jī)械化配套施工方案，確�；炷临|(zhì)量達(dá)到內(nèi)實(shí)外光。
�、茛颉ⅱ箢悋鷰r在施工中要堅(jiān)持“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的原則。
�、奘┕み^程加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)處理分析數(shù)據(jù)，調(diào)整支護(hù)參數(shù)。
導(dǎo)洞超前掘進(jìn)，可起到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作用，保證施工的安全性和穩(wěn)定性，有效地降低地表沉陷，而且施工無須大型機(jī)械設(shè)備，操作性強(qiáng)，進(jìn)度穩(wěn)定，工期保障性強(qiáng)。宛坪高速公路16座隧道的施工實(shí)踐證明了三導(dǎo)洞法開挖的有效性、安全性。
四、施工工況力學(xué)分析
經(jīng)過對(duì)連拱隧道施工過程的受力變形及各部位穩(wěn)定性的分析，隧道圍巖應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)在各開挖面附近。在隧道邊墻和底板相交的轉(zhuǎn)角位置及中隔墻底部，最大主應(yīng)力集中比較明顯，且量值較大；在側(cè)導(dǎo)坑拱頂位置和全斷面底板部位有拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。但采取連拱隧道施工方法，在側(cè)導(dǎo)坑頂部的拉應(yīng)力并沒有涉及到隧道全斷面，所以側(cè)導(dǎo)坑的開挖不會(huì)對(duì)全斷面隧道頂部產(chǎn)生顯著的影響。在邊墻與底拱的轉(zhuǎn)角部位和中隔墻底部也有一定范圍的應(yīng)力集中，而核心土的開挖對(duì)圍巖應(yīng)力分布影響不大。左右邊墻處最大的水平收斂發(fā)生在主洞拱部開挖的時(shí)候，隨后收斂值逐步減小。
初期支護(hù)對(duì)地應(yīng)力的瞬間釋放率比較敏感，開挖瞬間地應(yīng)力釋放越多，初期支護(hù)承受的荷載就越小。中隔墻在施工過程中對(duì)地應(yīng)力的瞬間釋放率敏感程度較小，其最終應(yīng)力隨應(yīng)力釋放率的增加而略有降低。由于集中應(yīng)力的存在，圍巖的壓應(yīng)力變化不明顯，拉應(yīng)力反而呈上升趨勢(shì)，但其最終應(yīng)力則呈下降趨勢(shì)，底部圍巖的隆起和拱頂圍巖的沉降都隨應(yīng)力釋放率的增加而增大。考慮二次襯砌作用時(shí)，圍巖的底板隆起和拱頂沉降量減小，邊墻水平收斂增大，圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)，應(yīng)力值降低。
五、支護(hù)措施
隧道開挖形成新的空洞后，破壞了巖體原有的相對(duì)平衡狀態(tài)，使隧道周圍部分巖體應(yīng)力重新分布，引起圍巖的變形、破壞和坍塌。為了及時(shí)有效地控制圍巖變形，防止坍塌，必須采用工程措施進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)新奧法的設(shè)計(jì)原理，隧道采用噴、錨、網(wǎng)及鋼拱架對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，即盡可能保持圍巖的原始狀態(tài)，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力，把隧道圍巖和各種支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)共同作用的承載體系，控制圍巖變形的發(fā)展，避免巖體塌方、防止過大的松弛壓力出現(xiàn)。錨桿在初期支護(hù)中具有懸吊、組合梁、加固作用。噴混凝土具有充填裂隙加固圍巖、封閉圍巖表面防止風(fēng)化、與圍巖組成共同承載結(jié)。
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