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淺埋大跨徑雙連拱隧道的開挖與支護論文
摘 要：通過對雙連拱隧道設(shè)計方案、開挖方案、支護方案的比選論證，總結(jié)了連拱隧道的受力特點和開挖經(jīng)驗，供同類項目參考借鑒。
關(guān)鍵詞：連拱隧道；三導(dǎo)洞法；優(yōu)化設(shè)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(zhǔn)概算約72億元。宛坪高速公路全線設(shè)計有16座大跨徑、淺埋置的雙連拱隧道，總長度3249米，均為短隧道。設(shè)計指標(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)計車速為100km/h。其中7座隧道圍巖巖性以風(fēng)化細砂巖為主，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級和Ⅳ級）為主，強度低，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出現(xiàn)在同一條高速公路上，在國內(nèi)、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(shè)計方案論證
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)計規(guī)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(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過程使中間巖柱受到多次擾動，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，需要進行加固處理，特別是對于軟巖隧道，將會大幅增加投資。國內(nèi)對小間距隧道目前還沒有形成完整的、成熟的設(shè)計、施工技術(shù)規(guī)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(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，就會產(chǎn)生塌方。在設(shè)計過程中，針對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)值分析方法動態(tài)模擬連拱隧道施工全過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)，了解連拱隧道的變形規(guī)律和工程特點，獲得不同施工時序隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變化特征，從而論證設(shè)計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級和Ⅳ級軟巖當(dāng)中，為確保不對圍巖進行大的擾動和施工過程中不產(chǎn)生坍塌，設(shè)計提出臺階法及三導(dǎo)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(dǎo)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(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：
�、賹Β�、Ⅲ類圍巖段合理控制三個導(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)洞均采用正臺階法施工，臺階長度5～8米，開挖進尺按兩榀鋼架間距進行。
�、趯Β�、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，主洞開挖亦采用臺階法，Ⅱ類圍巖上臺階分部開挖留核心土，進尺控制同導(dǎo)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(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砌采用混凝土運輸車、輸送泵和襯砌模板臺車的機械化配套施工方案，確�；炷临|(zhì)量達到內(nèi)實外光。
�、茛�、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。
�、奘┕み^程加強監(jiān)控量測，及時處理分析數(shù)據(jù)，調(diào)整支護參數(shù)。
導(dǎo)洞超前掘進，可起到超前地質(zhì)預(yù)報作用，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械設(shè)備，操作性強，進度穩(wěn)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(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)坑的開挖不會對全斷面隧道頂部產(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候，隨后收斂值逐步減小。
初期支護對地應(yīng)力的瞬間釋放率比較敏感，開挖瞬間地應(yīng)力釋放越多，初期支護承受的荷載就越小。中隔墻在施工過程中對地應(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，但其最終應(yīng)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(yīng)力釋放率的增加而增大�？紤]二次襯砌作用時，圍巖的底板隆起和拱頂沉降量減小，邊墻水平收斂增大，圍巖穩(wěn)定性增強，應(yīng)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(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(jù)新奧法的設(shè)計原理，隧道采用噴、錨、網(wǎng)及鋼拱架對圍巖進行支護，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結(jié)構(gòu)作為一個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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