雙連拱隧道無導洞施工技術及變形特征研究

劉 曉,陳 躍,周 飛,華成龍,張奎紅

(1.中交基礎設施養護集團工程有限公司,北京 100102;2.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

0 引言

雙連拱隧道因其跨度較大、結構受力復雜、滲漏水突出等問題,在隧道工程中逐漸被分離式、小凈距等隧道形式替代,但在部分特殊地段,受地形和線路選擇的影響,雙連拱是隧道形式的最優選擇。

大部分雙連拱隧道施工采用導洞施工工藝,蔡來炳[1]通過對國內連拱隧道進行調研發現,采用中導洞和三導洞施工占比達81%。文獻[2-3]采用導洞法修建雙連拱隧道,發現連拱隧道在施工過程中工序對結構受力會產生影響。文獻[4-6]對連拱隧道的開挖順序進行研究,認為非對稱開挖對結構受力較為有利。劉新榮等[7]模擬三導洞法開挖黃土隧道,發現各階段導洞開挖會引起位移的突變。文獻[8-9]對連拱隧道開挖過程的受力變形進行分析,并提出合理的開挖順序。張春洪等[10]研究雙連拱隧道開挖階段初支和二襯受力,發現后行洞的施工會對先行洞的圍巖產生擾動,使先行洞圍巖發生多次應力重分布,造成先行洞受力比后行洞受力大且變化更為復雜。雙連拱隧道施工以中導洞法居多,在部分變形控制要求高的工程中主要采用三導洞法,但導洞法存在施工工序繁多、施工工期較長和工程造價較高等問題。

為避免以上問題,無導洞施工工藝逐漸成為工程師新的探索方向。文獻[11-12]把連拱隧道當作2個獨立的單洞,通過注漿、鋪設鋼筋網等方式對中墻處圍巖進行加固保護。文獻[13-15]將先行洞的開挖范圍擴大,中隔墻與先行洞的支護同時施作,該方法對中隔墻的型式要求較低,受力不對稱容易造成結構偏壓。文獻[16-18]將連拱隧道兩洞的支護結構搭接,形成一套支護體系,這種結構對搭接處的支護強度要求較高,并且容易造成應力集中的問題。盧小剛等[19]分析無導洞法施工時連拱隧道的力學行為,并對其施工參數進行優化。程曉輝等[20]針對無導洞法施工的連拱隧道病害進行研究,分析襯砌開裂原因。

無導洞法主要以擴大先洞開挖范圍或中墻位置不開挖等方式為主,存在結構受力不對稱、中墻承載力不足等問題。因此,本文以潘口連拱隧道為依托,結合現場施工技術與數值模擬方法,對無導洞施工隧道的變形特征進行研究。研究結果可為相關隧道施工提供技術支撐。

1 工程背景

1.1 工程概況

潘口隧道位于竹山縣潘口鄉,隧道起訖樁號為(K297+882)～(K298+120),隧道全長238 m,為雙洞連拱隧道,隧道埋深2.3～53.5 m,最大跨度24.6 m。潘口隧道以中風化炭質千枚巖為主,上覆有強風化炭質千枚巖和第四系全新統殘坡積層,圖1所示為隧道地質剖面圖。

圖1 隧道地質剖面圖Fig.1 Geological profile of tunnel

1.2 隧道施工方案

隧道在設計之初采用中導洞法施工,出口段用中導洞法開挖30 m后,根據隧道圍巖與現場施工情況采用無導洞法施工。無導洞施工具有以下優勢:

1)降低隧道的整體造價,節省項目建設成本。

2)減少施工工期,隧道工期由原方案12個月縮短至8個月。

3)減少后期二襯施工的質量隱患。

4)能夠有效緩解中墻頂部滲漏水問題,圖2～3為2種工法中墻頂部結構示意。

圖2 中導洞法支護結構示意Fig.2 Schematic diagram of support structure with middle guide hole method

圖3 無導洞法支護結構示意Fig.3 Schematic diagram of support structure without guide hole

從隧道出口單口掘進,以隧道左洞作為先行洞。當先行洞施工進展到100 m時,開始從出口向進口施作右洞。在右洞進尺達到40 m,開始施作仰拱;為減小右洞爆破對左洞二襯的影響,右洞進尺達到70 m時,左洞二次襯砌開始施作,左洞二次襯砌澆筑完成50 m開始施作右洞二次襯砌。隧道具體施工進尺如圖4所示。

圖4 無導洞法施工進尺示意Fig.4 Schematic diagram of construction footage without guide hole

在開挖左洞下臺階接近中隔墻位置時,進行鉆孔并穿Φ22 mm橫向對拉鋼筋,保證鋼筋間距為0.3 m,鋼筋在左洞拱架處彎折并與拱架焊接。當左洞進尺達到100 m,開始對右洞洞身進行開挖施工,右洞靠近中隔墻位置采用機械開挖,每次開挖進尺為2 m,同時施作雙層Φ22 mm豎向鋼筋及Φ22 mm縱向鋼筋,縱向鋼筋間距為0.3 m,形成縱向鋼筋、豎向鋼筋及橫向對拉鋼筋的整體支撐系統,圖5所示為中墻的配筋圖。

圖5 中墻鋼筋設計示意Fig.5 Design of middle wall steel bar

中墻混凝土在澆筑過程中,頂部間隔5 m斜向安裝注漿導管,進行注漿填充,拆模后及時掛鋼筋網并進行噴射混凝土支護,使右洞初支與中墻形成一個整體,圖6為現場中墻施作照片。

圖6 隧道現場中墻施作Fig.6 Construction of middle wall in tunnel site

2 隧道施工模擬

2.1 計算模型與參數

為分析無導洞法施工時隧道現場監測的變形特征,利用有限差分軟件FLAC3D模擬連拱隧道在不同工法下的變形特征,隧道最大埋深為53.5 m,考慮埋深與圍巖條件對隧道變形的影響,分別建立Ⅳ、Ⅴ圍巖條件下15,25,35,45,55 m埋深無導洞法與中導洞法施工工況,圖7為隧道埋深45 m的模型尺寸示意。

圖7 隧道模型尺寸示意Fig.7 Schematic diagram of tunnel model size

模型采用位移邊界條件,上表面為自由面用來模擬地面,對側面固定水平方向的變形,對模型底面固定豎向變形,隧道掘進方向沿Y軸正方向。表1所示為隧道圍巖與支護的物理力學參數。

表1 隧道圍巖及支護物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and support of tunnel

2.2 施工方案模擬

根據隧道現場施工方案,在FLAC3D軟件中模擬隧道施工過程。為研究不同施工方法對隧道變形規律的影響,建立中導洞和無導洞施工2種工況,隧道采用無導洞法和中導洞法施工工序如表2所示。對雙連拱隧道采用無導洞法開挖模擬方案如圖8所示,中導洞法模擬方案如圖9所示。

表2 隧道模擬開挖工序Table 2 Simulated excavation process of tunnel

圖8 施工模擬方案示意Fig.8 Schematic diagram of construction simulation scheme

圖9 中導洞施工模擬方案Fig.9 Simulation scheme of middle guide hole construction

3 隧道結構變形特征分析

3.1 拱頂沉降結果分析

通過分析不同工況計算結果,發現到隧道左洞與右洞的最終拱頂沉降值基本一致,如圖10所示。

圖10 拱頂沉降結果Fig.10 Vault settlement results

由圖10可知,隧道采用中導洞法施工時,拱頂沉降變形值小于無導洞法施工,且圍巖條件越差、埋深越大時,2種方法的拱頂沉降差值越大,說明無導洞法施工更適用于圍巖條件較好的地層。

在埋深45 m時隧道采用不同工法模擬施工得到的豎向位移云圖如圖11所示。

圖11 豎向位移云圖Fig.11 Cloud diagram of vertical displacement

由圖11可知,相比于中導洞法,無導洞法施工沉降變形較大,無導洞法豎向變形左右不對稱。

選取隧道埋深45 m時左右洞拱頂沉降變形結果,對隧道施工過程中的變形具體分析。隧道施工時拱頂沉降變形曲線如圖12所示。

圖12 無導洞施工拱頂沉降變形曲線Fig.12 Settlement deformation curve of vault in construction without guide hole

分析右洞開挖對左洞豎向變形的影響,令左洞受右洞擾動變形占比為η,計算公式為式(1),在無導洞開挖時,不同埋深及圍巖條件下的η結果如表3所示。

表3 擾動變形結果Table 3 Disturbance deformation results

(1)

式中:h1為左洞開挖時左洞的拱頂沉降值,mm;h2為左右洞開挖完成時左洞的拱頂沉降值,mm。

由表3可知,Ⅳ圍巖比Ⅴ圍巖擾動變形占比小,且隨埋深的增加,受擾動變形比越小,說明隧道圍巖條件越好、埋深越大,右洞對左洞的施工擾動影響越小。

對比無導洞法與中導洞法施工時隧道拱頂沉降結果,發現2種方法的隧道沉降相差較小,由于無導洞施工中墻采用后行洞開挖施作,無導洞法施工時右洞與左洞的相互擾動較為明顯,所以無導洞施工的關鍵是控制右洞和中墻的開挖擾動。

3.2 水平位移結果分析

對隧道開挖時在水平方向上的位移進行監測,得到Ⅴ圍巖45 m埋深時無導洞施工時水平位移的監測結果如圖13所示。

圖13 無導洞施工水平位移曲線Fig.13 Horizontal displacement curve of construction without guide hole

由圖13可知,在左洞施工階段,B測點有水平向右的位移,C測點有向左的位移。在右洞開挖后,右側圍巖壓力減小,2個測點的位移方向發生改變。隧道在水平方向上的演化過程如圖14所示。

治愈 各癥狀消失,體征無異常。顯效 癥狀明顯好轉,體征明顯改善。有效 癥狀及體征改善。無效 癥狀及體征改善不明顯[4]。

圖14 隧道水平收斂演化示意Fig.14 Schematic diagram of tunnel horizontal convergence evolution

分別監測左洞和右洞的水平位移變化情況,得到Ⅴ圍巖45 m埋深時中導洞法施工時水平位移的監測結果如圖15所示。

圖15 中導洞施工左洞水平位移曲線Fig.15 Horizontal displacement curve of left hole in construction with middle guide hole

中導洞法施工時,隧道左右洞的水平位移曲線較為對稱,C、E測點的位移較小,B測點有向右的位移,F點有向左的位移,隧道左洞的最終收斂值為25.4 mm,右洞的最終收斂值為29.2 mm。

對比無導洞法和中導洞法施工時隧道的水平位移特點,發現無導洞施工的水平收斂值比中導洞法小,但分析其位移時程曲線可以發現,在水平方向,隧道結構有不同方向的位移,對結構穩定性不利,可能是由于后行洞開挖造成先行洞一側卸荷,導致結構受力不對稱。

3.3 現場監測結果分析

選取現場進口段、洞身段和出口段各2個斷面的變形監測結果進行分析,其監測結果、圍巖分級及埋深如表4所示。

由表4可知,隧道在進口與出口段拱頂沉降值最大為84.1 mm,出口段右洞水平收斂值最大為110.6 mm,洞口段拱頂沉降值最大,是由于洞口段圍巖破碎、穩定性差造成的。

現場隧道監測結果如圖16所示。隧道左洞沉降變形與收斂變形均大于右洞,設左洞超出右洞變形為擾動變形,則隧道左洞受擾動沉降占總沉降變形的53.3%,圍巖條件越好、埋深越大,隧道沉降值越小。Ⅳ圍巖段右洞與左洞收斂變形差占總收斂的比值為57.7%,Ⅴ圍巖段右洞與左洞收斂變形差占總收斂的比值為23.8%,說明在水平方向上Ⅳ圍巖段左洞與右洞的相互影響更明顯。

圖16 隧道變形監測結果Fig.16 Tunnel deformation monitoring results

在不同圍巖級別和不同埋深條件下,隧道拱頂沉降和收斂值呈現出不同特點,Ⅴ圍巖段隧道變形大于Ⅳ圍巖段,洞口段拱頂沉降值大于洞身段;洞身段總收斂值相差較小,但左洞與右洞的收斂值相差較大,說明隧道采用無導洞施工時中墻在水平方向上有向左的位移。

現場監測結果與數值模擬分析結果一致,在豎向連拱隧道先行洞受后行洞擾動明顯,在水平方向隧道左、右洞相互影響導致變形值相差較大。

4 無導洞施工工法優化

4.1 工法優化方案

根據以上研究,隧道在無導洞法施工時,左洞先開挖產生臨空面,開挖中墻和右導洞會對左洞產生較大影響。

根據隧道變形特征,對無導洞施工技術提出優化措施,如圖17所示。隧道施工先采用臺階法開挖左洞①、②部分,然后采用2種方案開挖右洞:

方案1:采用CD法先開挖右洞③,再開挖④和⑤中墻部分。

方案2:采用CD法先開挖④和⑤中墻部分,再開挖右洞③部分。

4.2 優化效果分析

以Ⅴ圍巖埋深45 m工況為例,通過數值模擬分析優化方案的隧道變形結果如圖18所示。

圖18 優化后隧道拱頂沉降Fig.18 Settlement of tunnel vault after optimization

從圖18可以看出,優化后隧道右洞的沉降小于左洞,方案1左洞受右洞擾動沉降占總沉降的27.5%,方案2左洞受右洞擾動沉降占總沉降的15.7%,說明右洞采用CD法先開挖靠近中墻部分對左洞的施工擾動程度更小。

從優化后隧道左洞的水平位移曲線可以看出,右洞開挖前,B、C測點的水平位移趨勢與臺階法一致,2種方案B測點在右洞開挖后向右的位移較小,方案1中C測點向右位移由臺階法施工時的22.9 mm減小為9.1 mm,方案2中C測點向右位移減小為2.5 mm。

將Ⅴ圍巖埋深45 m時隧道采用中導洞法、無導洞臺階法及優化后方法計算的變形結果整理見表5。

表5 不同工法隧道變形結果Table 5 Deformation results of tunnels by different construction methods

對比4種工法變形結果可知,方案1與中導洞法施工二者拱頂沉降值相近;采用無導洞臺階法施工時,左右洞水平收斂差值較大;采用方案1施工時,左、右洞水平收斂差值均減小;采用方案2施工時拱頂沉降明顯降低,右洞水平收斂值減小。由此可知,采用優化施工方案能夠縮短工期,同時有效控制隧道左、右洞擾動變形。

5 結論

1)現場監測數據顯示,隧道左洞拱頂沉降值在52.3～84.1 mm,右洞沉降值在15.5～67.9 mm,左洞沉降值明顯大于右洞,說明左洞變形受右洞施工影響較大。

2)無導洞臺階法施工時,左洞沉降受右洞開挖的擾動影響較大,現場實測左洞受擾動沉降占總沉降變形的53.3%,當圍巖條件越好、埋深越大時,擾動影響的程度越小。

3)無導洞法施工時,隧道左洞與右洞的水平位移結果相差較大,建議右洞掌子面開挖時,在左洞中墻側設臨時支撐加固。

4)采用左洞臺階法+右洞CD法,可以有效控制右洞對左洞的擾動,先開挖中墻側比先開挖右邊墻側對左洞擾動小,將擾動沉降占總沉降的比值控制在27.5%,可以將左洞向右洞的反向位移由22.9 mm減小至9.1 mm。