淺埋大跨徑雙連拱隧道的開挖與支護
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘 要：通過對雙連拱隧道設計方案、開挖方案、支護方案的比選論證，總結了連拱隧道的受力特點和開挖經驗，供同類項目參考借鑒。
關鍵詞：連拱隧道；三導洞法；優化設計；開挖及支護方案
一、概述
宛坪高速公路是上海至西安國家重點干線公路的重要組成部分，公路總長150.8km,批準概算約72億元。宛坪高速公路全線設計有16座跨徑、淺埋置的雙連拱隧道，總長度3249米，均為短隧道。設計指標建筑限界寬度14.0 m，內輪廓采用三心圓，建筑限界高度5.0m,設計車速為100km/h。其中7座隧道圍巖巖性以風化細砂巖為主，而另外9座隧道圍巖為變質巖，巖性以風化的二云石英巖為主。隧道多為淺埋置(埋置厚度最淺的1m，最深的46m)、圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類（Ⅴ級和Ⅳ級）為主，強度低，地質條件復雜。16座跨徑、淺埋置、地質條件差的連拱隧道同時出現在同一條高速公路上，在國內、國際上都是首屈一指的，同時也成為宛坪高速重點控制工程。
二、設計方案論證
宛坪高速16座隧道隧址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《公路隧道設計規范》對左右洞距的要求，不得不采用小凈距或連拱隧道方案。由于小間距隧道對中隔墻兩側巖體光面爆破技術要求極高，施工難度較，且主洞的開挖及支護過程使中間巖柱受到多次擾動，巖體力學指標降低，其自身穩定性受到很影響，需要進行加固處理，特別是對于軟巖隧道，將會幅增加投資。國內對小間距隧道目前還沒有形成完整的、成熟的設計、施工技術規范，對于隧道在不同跨徑下中間巖柱最小尺寸、形狀、支護參數、施工工藝、開挖方法及控制爆破等關鍵技術還缺乏系統的研究，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。
施工過程中圍巖應力分布、襯砌受力變形狀況不明確，左右洞施工對中隔墻的影響難以把握，增加了隧道施工變形和穩定控制的難度，稍有不慎，就會產生塌方。在設計過程中，針對連拱隧道斷面及地質情況的特殊性，采用三維有限元數值分析方法動態模擬連拱隧道施工全過程中圍巖和支護結構，了解連拱隧道的變形規律和工程特點，獲得不同施工時序隧道圍巖和支護結構的應力、位移變化特征，從而論證設計及施工方法的合理性和科學性。
三、施工方案
根據前期勘探及地質調查資料表明，16座隧道全部處于Ⅴ級和Ⅳ級軟巖當中，為確保不對圍巖進行的擾動和施工過程中不產生坍塌，設計提出臺階法及三導洞先墻后拱法兩種方案對比論證。
采用臺階法開挖，即先行中導坑及中隔墻，其次主洞分上、中、下三個臺階依次開挖。這種開挖方法施工工序簡單，操作方便，但主洞開挖支護后，中隔墻即開始承重，其頂部、底部圍巖出現高應力承壓區，特別是頂部角隅處圍巖產生應力集中，施工時掌子面穩定性較差，周邊變形量較，存在一定的隱患。
采用三導洞先墻后拱法施工，施工要點：
①對Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制三個導洞開挖作業之間的距離，中導洞先行，系隧道開挖的關鍵；再開挖地質條件較差或受力不利一側的導洞a，a導洞滯后中導洞8～10米；然后再開挖另一側導洞b，b導洞滯后a導洞8～10米，導洞均采用正臺階法施工，臺階長度5～8米，開挖進尺按兩榀鋼架間距進行。
②對Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制左、右主洞開挖作業面之間的距離，主洞開挖先進行導洞a側主洞，導洞b側主洞滯后a側主洞8～10米，主洞開挖亦采用臺階法，Ⅱ類圍巖上臺階分部開挖留核心土，進尺控制同導洞開挖，然后進行初期支護施工，防排水施工。
③控制正洞開挖作業面與二次襯砌作業面之間的距離，正洞隧道開挖作業面與襯砌作業面之間距離最小按15米考慮。
④二次襯砌采用混凝土運輸車、輸送泵和襯砌模板臺車的機械化配套施工方案，確保混凝土質量達到內實外光。
⑤Ⅱ、Ⅲ類圍巖在施工中要堅持“弱爆破、短開挖、強支護、早封閉”的原則。
⑥施工過程加強監控量測，及時處理分析數據，調整支護參數。
導洞超前掘進，可起到超前地質預報作用，保證施工的安全性和穩定性，有效地降低地表沉陷，而且施工無須型機械設備，操作性強，進度穩定，工期保障性強。宛坪高速公路16座隧道的施工實踐證明了三導洞法開挖的有效性、安全性。
四、施工工況力學分析
經過對連拱隧道施工過程的受力變形及各部位穩定性的分析，隧道圍巖應力集中部位主要出現在各開挖面附近。在隧道邊墻和底板相交的轉角位置及中隔墻底部，最主應力集中比較明顯，且量值較；在側導坑拱頂位置和全斷面底板部位有拉應力集中現象。但采取連拱隧道施工方法，在側導坑頂部的拉應力并沒有涉及到隧道全斷面，所以側導坑的開挖不會對全斷面隧道頂部產生顯著的影響。在邊墻與底拱的轉角部位和中隔墻底部也有一定范圍的應力集中，而核心土的開挖對圍巖應力分布影響不。左右邊墻處最的水平收斂發生在主洞拱部開挖的時候，隨后收斂值逐步減小。
初期支護對地應力的瞬間釋放率比較敏感，開挖瞬間地應力釋放越多，初期支護承受的荷載就越小。中隔墻在施工過程中對地應力的瞬間釋放率敏感程度較小，其最終應力隨應力釋放率的增加而略有降低。由于集中應力的存在，圍巖的壓應力變化不明顯，拉應力反而呈上升趨勢，但其最終應力則呈下降趨勢，底部圍巖的隆起和拱頂圍巖的沉降都隨應力釋放率的增加而增。考慮二次襯砌作用時，圍巖的底板隆起和拱頂沉降量減小，邊墻水平收斂增，圍巖穩定性增強，應力值降低。
五、支護措施
隧道開挖形成新的空洞后，破壞了巖體原有的相對平衡狀態，使隧道周圍部分巖體應力重新分布，引起圍巖的變形、破壞和坍塌。為了及時有效地控制圍巖變形，防止坍塌，必須采用工程措施進行支護。根據新奧法的設計原理，隧道采用噴、錨、網及鋼拱架對圍巖進行支護，即盡可能保持圍巖的原始狀態，最限度地發揮圍巖的自承能力，把隧道圍巖和各種支護結構作為一個共同作用的承載體系，控制圍巖變形的發展，避免巖體塌方、防止過的松弛壓力出現。錨桿在初期支護中具有懸吊、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化、與圍巖組成共同承載結。
關鍵詞：連拱隧道；三導洞法；優化設計；開挖及支護方案
一、概述
宛坪高速公路是上海至西安國家重點干線公路的重要組成部分，公路總長150.8km,批準概算約72億元。宛坪高速公路全線設計有16座跨徑、淺埋置的雙連拱隧道，總長度3249米，均為短隧道。設計指標建筑限界寬度14.0 m，內輪廓采用三心圓，建筑限界高度5.0m,設計車速為100km/h。其中7座隧道圍巖巖性以風化細砂巖為主，而另外9座隧道圍巖為變質巖，巖性以風化的二云石英巖為主。隧道多為淺埋置(埋置厚度最淺的1m，最深的46m)、圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類（Ⅴ級和Ⅳ級）為主，強度低，地質條件復雜。16座跨徑、淺埋置、地質條件差的連拱隧道同時出現在同一條高速公路上，在國內、國際上都是首屈一指的，同時也成為宛坪高速重點控制工程。
二、設計方案論證
宛坪高速16座隧道隧址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《公路隧道設計規范》對左右洞距的要求，不得不采用小凈距或連拱隧道方案。由于小間距隧道對中隔墻兩側巖體光面爆破技術要求極高，施工難度較，且主洞的開挖及支護過程使中間巖柱受到多次擾動，巖體力學指標降低，其自身穩定性受到很影響，需要進行加固處理，特別是對于軟巖隧道，將會幅增加投資。國內對小間距隧道目前還沒有形成完整的、成熟的設計、施工技術規范，對于隧道在不同跨徑下中間巖柱最小尺寸、形狀、支護參數、施工工藝、開挖方法及控制爆破等關鍵技術還缺乏系統的研究，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。
施工過程中圍巖應力分布、襯砌受力變形狀況不明確，左右洞施工對中隔墻的影響難以把握，增加了隧道施工變形和穩定控制的難度，稍有不慎，就會產生塌方。在設計過程中，針對連拱隧道斷面及地質情況的特殊性，采用三維有限元數值分析方法動態模擬連拱隧道施工全過程中圍巖和支護結構，了解連拱隧道的變形規律和工程特點，獲得不同施工時序隧道圍巖和支護結構的應力、位移變化特征，從而論證設計及施工方法的合理性和科學性。
三、施工方案
根據前期勘探及地質調查資料表明，16座隧道全部處于Ⅴ級和Ⅳ級軟巖當中，為確保不對圍巖進行的擾動和施工過程中不產生坍塌，設計提出臺階法及三導洞先墻后拱法兩種方案對比論證。
采用臺階法開挖，即先行中導坑及中隔墻，其次主洞分上、中、下三個臺階依次開挖。這種開挖方法施工工序簡單，操作方便，但主洞開挖支護后，中隔墻即開始承重，其頂部、底部圍巖出現高應力承壓區，特別是頂部角隅處圍巖產生應力集中，施工時掌子面穩定性較差，周邊變形量較，存在一定的隱患。
采用三導洞先墻后拱法施工，施工要點：
①對Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制三個導洞開挖作業之間的距離，中導洞先行，系隧道開挖的關鍵；再開挖地質條件較差或受力不利一側的導洞a，a導洞滯后中導洞8～10米；然后再開挖另一側導洞b，b導洞滯后a導洞8～10米，導洞均采用正臺階法施工，臺階長度5～8米，開挖進尺按兩榀鋼架間距進行。
②對Ⅱ、Ⅲ類圍巖段合理控制左、右主洞開挖作業面之間的距離，主洞開挖先進行導洞a側主洞，導洞b側主洞滯后a側主洞8～10米，主洞開挖亦采用臺階法，Ⅱ類圍巖上臺階分部開挖留核心土，進尺控制同導洞開挖，然后進行初期支護施工，防排水施工。
③控制正洞開挖作業面與二次襯砌作業面之間的距離，正洞隧道開挖作業面與襯砌作業面之間距離最小按15米考慮。
④二次襯砌采用混凝土運輸車、輸送泵和襯砌模板臺車的機械化配套施工方案，確保混凝土質量達到內實外光。
⑤Ⅱ、Ⅲ類圍巖在施工中要堅持“弱爆破、短開挖、強支護、早封閉”的原則。
⑥施工過程加強監控量測，及時處理分析數據，調整支護參數。
導洞超前掘進，可起到超前地質預報作用，保證施工的安全性和穩定性，有效地降低地表沉陷，而且施工無須型機械設備，操作性強，進度穩定，工期保障性強。宛坪高速公路16座隧道的施工實踐證明了三導洞法開挖的有效性、安全性。
四、施工工況力學分析
經過對連拱隧道施工過程的受力變形及各部位穩定性的分析，隧道圍巖應力集中部位主要出現在各開挖面附近。在隧道邊墻和底板相交的轉角位置及中隔墻底部，最主應力集中比較明顯，且量值較；在側導坑拱頂位置和全斷面底板部位有拉應力集中現象。但采取連拱隧道施工方法，在側導坑頂部的拉應力并沒有涉及到隧道全斷面，所以側導坑的開挖不會對全斷面隧道頂部產生顯著的影響。在邊墻與底拱的轉角部位和中隔墻底部也有一定范圍的應力集中，而核心土的開挖對圍巖應力分布影響不。左右邊墻處最的水平收斂發生在主洞拱部開挖的時候，隨后收斂值逐步減小。
初期支護對地應力的瞬間釋放率比較敏感，開挖瞬間地應力釋放越多，初期支護承受的荷載就越小。中隔墻在施工過程中對地應力的瞬間釋放率敏感程度較小，其最終應力隨應力釋放率的增加而略有降低。由于集中應力的存在，圍巖的壓應力變化不明顯，拉應力反而呈上升趨勢，但其最終應力則呈下降趨勢，底部圍巖的隆起和拱頂圍巖的沉降都隨應力釋放率的增加而增。考慮二次襯砌作用時，圍巖的底板隆起和拱頂沉降量減小，邊墻水平收斂增，圍巖穩定性增強，應力值降低。
五、支護措施
隧道開挖形成新的空洞后，破壞了巖體原有的相對平衡狀態，使隧道周圍部分巖體應力重新分布，引起圍巖的變形、破壞和坍塌。為了及時有效地控制圍巖變形，防止坍塌，必須采用工程措施進行支護。根據新奧法的設計原理，隧道采用噴、錨、網及鋼拱架對圍巖進行支護，即盡可能保持圍巖的原始狀態，最限度地發揮圍巖的自承能力，把隧道圍巖和各種支護結構作為一個共同作用的承載體系，控制圍巖變形的發展，避免巖體塌方、防止過的松弛壓力出現。錨桿在初期支護中具有懸吊、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化、與圍巖組成共同承載結。
