大断面公路隧道洞口段穿越堆积体设计

陈智慧

(中铁第四勘察设计院集团有限公司道路院,武汉 430063)

大断面公路隧道洞口段穿越堆积体设计

陈智慧

(中铁第四勘察设计院集团有限公司道路院,武汉 430063)

湄渝高速公路中仙至坂面段的珠峰隧道洞口地段需下穿堆积体,施工过程中存在较大风险,针对该隧道开挖断面大(163m2)、洞口埋深浅、围岩条件差、地下水较为发育的特点以及存在的问题,提出地表注浆、超前管棚支护、接长明洞、加强洞内支护,双侧壁导坑法短进尺开挖等多项综合处理措施,并利用数值模拟验证了设计方案的可行性。验算结果表明,设计方案能够满足边坡及隧道的安全性要求,对控制土体变形,减小沉降具有明显的效果,可达到预期的设计目的。

公路隧道;大断面隧道;堆积体;施工稳定性;地表注浆

堆积体通常是由于泥石流冲击残留、滑坡或者岩质陡峭边坡长期崩塌、倾倒破坏等因素所形成的[1-2],根据堆积体形成年代及所处环境的不同,堆积体会产生不同程度的胶结现象,但其往往具备颗粒大小混杂、排列不规则、透水性较强等特点[3],对岩土及隧道工程的修建造成了一定的难度。

目前,关于隧道穿越堆积体,已有了许多的研究成果,并在实际应用中取得了较好的治理效果,但这些隧道大多是断面积小于150 m2的隧道[4-6],同时这些堆积体自稳性相对较好。而关于大断面(断面积大于160 m2)隧道穿越自稳能力较差堆积体的研究相对较少[7]。以福建省福州地区的双向6车道高速公路隧道为依托,研究了大断面公路隧道穿越软弱堆积体的工程处理措施,并对处理措施的有效性进行数值模拟验证,为相关设计提供理论支撑。

1 工程概况

湄洲湾至重庆高速公路(简称湄渝高速)是国家高速公路主骨架网的重要组成部分,该线路设计车速100 km/h,按双向6车道高速公路标准修建,是通往三明、江西等内陆地区的最便捷通道,有利于发挥海峡西岸经济区对台优势,强化沿海与山区经济联系。

珠峰隧道位于福建省福州市永泰县珠峰村与三明市尤溪县中仙乡山头顶村之间,采用分离式双洞隧道(左右线净距约30 m),隧道开挖高度12 m,开挖跨度17.1 m,开挖断面达到了163 m2。隧道右线起点里程为K138+546.6(左线ZK138+541.6),出口里程为K139+960(ZK139+965),全长1423.4 m,其中隧道右线出口C27K138+899～+949(左线C27ZK138+940～+ 990)50 m地段,需穿越地表堆积体,堆积体与线路正交,相关区域地貌如图1所示。

图1 隧道出口堆积体地貌

该段隧道最大埋深为32 m,上部碎石土堆积体具有分布范围广、堆积厚度大的特点:其横向延展宽度约2.8 km,沿路线纵向长约400 m,分布高程600～820 m,堆积厚度达15.50～39.2 m。由于该堆积体分布范围过广,选线过程中难以避让,因此需对隧道穿越该堆积体的设计及处治方案展开研究。

该堆积体多具有架空结构,欠密实,主要由碎石土、含碎石黏土组成,其中碎石占50%～60%,一般粒径2～50 cm,次棱角状,其间为砾、砂及黏粉粒充填;堆积体底部为粉质黏土层,厚度0.8～1.2 m,该细粒土夹层相对软弱,工程开挖后可能成为滑移破坏的控制性层位;下伏基岩为全～强风化花岗闪长岩,局部为中风化花岗闪长岩,岩石裂隙发育,岩体破碎,呈散体～碎裂状,为极软岩～软岩,围岩稳定性差。右线隧道围岩及位置情况如图2所示。

图2 右线隧道出口纵断面示意

福州地区温和多雨、雨量充沛,隧区地表水及地下水均较为发育。由于本隧道两洞线间距较小,开挖断面大,施工期间,由于掌子面暴露减载,围岩多次扰动,地下水环境局部变化等作用,既有堆积体极易沿地层内软弱夹层产生蠕动变形,严重时将导致坡体出现大范围滑移失稳;特别是隧道洞口地段,穿越堆积体段岩体极为破碎,地下水呈淋雨状渗出,围岩无自稳能力,隧道易产生大范围坍塌,是堆积体最为薄弱的环节,必须采取可靠的工程措施保证堆积体的长期安全。

早期公路建设均较少遇到此类分布广,厚度大,地质条件差,难以绕避的堆积体,本隧道断面大、双洞间距小,建设难度大、风险高。如何采取合理的工程措施以保证堆积体的稳定性,防止隧道发生过度变形,以致发生塌陷、冒顶等事故,降低施工风险,是本隧道洞口段设计的关键。

2 处治方案研究

针对前文所阐述的堆积体稳定性及隧道施工风险,确定设计方案时研究了以下几个方面。

2.1 明洞接长

为稳定堆积体边坡坡脚,降低隧道洞口边坡开挖高度,隧道洞口采用接长明洞方案替代路堑方案,本设计明洞方案如下。

(1)在不扰动原地形地貌的条件下,尽可能在洞口前设置明洞,以降低洞口永久边坡开挖高度,恢复原洞口覆土,稳定既有堆积体边坡坡脚,同时也有利于保护环境。

(2)明洞段基底采用5.0 m长φ42 mm×3.5 mm小导管(间距1.5 m×1.5 m)基底注浆加固,以提高明洞基底承载力及明洞衬砌稳定性。

2.2 支护结构

(1)初期支护:支护参数适当加强。混凝土喷射厚度取28 cm,钢架采用早期支护效果好,刚度大的HW175型钢,纵向间距0.5 m。

(2)二次衬砌:采用60 cm厚C30钢筋混凝土衬砌。

开挖工序、支护等如图3所示。

2.3 预加固措施

碎石土堆积体较为松散,岩体参数较差,采用地表注浆的方式可有效地提高碎石土的黏聚力、内摩擦角等强度参数[9-10]。因此,隧道设计时,一方面在隧道洞口段采取地表预注浆等措施,降低地层渗透系数,改善洞顶土石层的物理力学性能,提高隧道开挖中的围岩稳定性[11-13],另一方面设置较强的超前预支护。

图3 开挖工序及超前支护示意

(1)地表预注浆:采用φ75 mm袖阀管地表注浆,间距2.0 m×2.0 m。钻孔工艺采用干钻法。注浆范围,横向至隧道结构外侧各10 m;纵向30 m,竖向深入基岩全风化层下部3 m。并在施工期间及时进行注浆效果检查。

(2)超前预支护:为提高预支护效果,洞口段隧道上半断面设置双层φ108 mm管棚预支护,管棚长度取60 m。同时,隧道边墙其他部位增设超前φ42 mm小导管补注浆,以防止局部坍塌引起整体失稳;

2.4 施工方法

针对开挖跨度大的问题,在隧道施工过程中宜减小隧道的单次开挖跨度。常用的处理方法为采用CRD工法、双侧壁导坑法施工,鉴于本隧道围岩较差,设计环节选用双侧壁导坑法施工[8],以使隧道变大跨为小跨,左右导洞分部开挖,步步成环,有效控制地表沉降,稳定掌子面。

2.5 其他辅助措施

隧道施工过程中需重视注意排水,加强边坡防护的工作。

(1)地表设置深井降水:在隧道开挖作业前,沿隧道结构两侧开挖地表钻孔深井,降低洞口段地下水位[14]。并在施工过程中对地下水位进行定期量测,以防地下水弱化堆积体岩体参数。

(2)加强明挖段边仰坡防护:明挖段临时边坡采用1∶0.75的坡率,并采用喷锚网防护。同时,边仰坡也设置多排φ100 mm排水孔,以降低地下水影响。

(3)增大预留变形量:隧道开挖期间洞口段易产生较大变形,设计中将出口段预留变形量调整至15～20 cm,并根据后期现场监控结果进行动态调整。

(4)加强监控量测:施工期间加强隧道地表及洞内变形监测,并及时反馈监测数据,以指导现场施工及后续设计。

3 设计方案可行性研究

3.1 模型计算参数

为验证处治方案可行性及可靠性,采用FLAC3D软件对加固后的边坡稳定性及隧道处治效果进行检算,计算时各地层岩、土体力学参数如表1所示。

3.2 边坡加固稳定性分析

施工期间,隧道洞口边、仰坡将先后存在较小规模的坡脚开挖,为提高既有边坡稳定性,采用地表注浆、加强临时边坡防护等措施,改善堆积体地层特征。计算中利用提高岩体参数的方式模拟边坡加固效果。堆积体模型采用实体单元,主要模拟右线隧道洞口开挖对堆积体稳定性的影响。为消除边界效应影响,计算边界沿线路轴线、横向及竖向的尺寸为120 m×100 m× 95 m,模型情况如图4所示。

土体的本构关系采用Mohr-Coulomb准则,并运用强度折减理论分别验算边坡加固前后自稳能力及开挖过程稳定性,最终堆积体安全系数如表2所示。

本堆积体规模较大,边坡稳定性对隧道影响极为重要,边坡重要等级判定为一级,按持久工况考虑,其最小安全系数应为1.30。

图4 堆积体坡体计算模型(局部)

表2 堆积体稳定性验算结果

计算结果表明:在自然状态下边坡安全系数为1.31,在不受外界扰动情况下可基本保持稳定;未采取加固措施的情况下,隧道边、仰坡实施开挖作业,边坡稳定系数降为1.20,边坡自稳能力可靠性降低,易出现局部失稳等风险,有必要采取工程措施提高边坡稳定性;在采取地表注浆,增强边仰坡开挖防护的前提下,坡脚开挖后边坡安全系数提高至1.34,表明当前加固措施具有良好的加固效果。

3.3 隧道开挖稳定性分析

隧道开挖计算中,模型沿轴向、横向、竖向的地层为50 m×80 m×70 m,模型网格及分组情况如图5所示。

图5 隧道及地层模型网格

3.3.1 竖向位移分析

模型计算过程严格按照隧道施工工序执行,即隧道开挖前对隧道周边地层预注浆,其次施作洞口长管棚支护,最后按照双侧壁导坑法工序开挖隧道,并及时施作支护结构。图6即为模拟施工过程中地表、拱顶及仰拱部位的竖向位移情况。

图6 隧道开挖全过程地表沉降曲线

由图6可知,在隧道模拟开挖过程中,洞顶地表沉降具有如下特点。

(1)隧道施工期间,洞室开挖导致地表、拱顶及仰拱最大变形量分别为5.1、7.5 cm及5.4 cm,变形值均较小且在设计允许范围内。

(2)在初期支护闭合之前及临时支撑拆除期间的隧道变形量相对较大:以地表沉降为例,此两阶段的累计变形量分别为3.8 cm和0.8 cm;二衬施作后地表沉降的变形速度得到了有效地控制,此后的变形量为0.5 cm,相对于开挖阶段的变形量较小。

3.3.2 水平位移分析

模拟开挖全过程中,隧道左、右边墙最大跨度处的水平位移如图7所示。

图7 隧道最大跨度处水平位移

由图7可知,边墙部位的水平位移具有如下特点。

(1)左右边墙的变形规律相同,其中左边墙的水平位移相对较大,最大水平位移为2.6 cm。总体而言,隧道周边的总体水平变形量较小。

(2)隧道施工过程中,典型部位的各施工阶段的沉降量在总沉降中所占的比例如表3所示。

表3 各施工阶段隧道沉降比例%

沉降情况统计结果表明:地层及结构的位移主要发生在初期支护封闭前及临时支撑拆卸环节。因此,应尽量缩短初期支护封闭时间、临时支撑的单次拆卸长度,及时施作二次衬砌。

3.3.3 初支内力分析

由于围岩条件较差,初期支护在受力体系中承担了较大的荷载,本文重点讨论初期支护的受力情况。通过计算可得初期支护的轴力及弯矩如图8所示,对应喷射混凝土层以及HW175型钢拱架的安全系数如图9所示。

图8 初期支护内力图

根据初支受力计算结果可见:各部位的喷射混凝土及型钢拱架的安全系数均能满足规范的要求,表明当前的设计方案是可行的,能够保证拟建隧道顺利穿过堆积体;同时,在轴力及弯矩均较大的部位,初支抗压安全系数较低,如在墙脚部位喷射混凝土和钢拱架的抗压综合安全系数分别为2.55和2.32。竖向临时支撑下部作用点处的弯矩较大,钢拱架的抗压安全系数仅为2.05,施工期间宜加强临时支撑的构造连接,避免初期支护出现局部应力集中。

图9 初期支护安全系数

4 结论

(1)断面大、埋深浅、穿越地表堆积层的隧道洞口地段,应坚持“地表加固,洞内加强,稳定坡脚,重视排水,支护先行,分部开挖”的综合设计原则。

(2)地表注浆、超前预支护可有效提高坡体稳定性,主动控制地表沉降、洞内收敛。数值模拟验算也进一步表明地表注浆、超前预支护是隧道穿越堆积层最关键、最有效的加固措施。

(3)结构变形及地表沉降,主要发生在初期支护未封闭前时间段以及临时支撑拆除的两过程中,此期间,地表沉降量占总沉降量的比例分别约为72%和16%。从而揭示应尽量缩短初期支护施作时间,并尽早封闭成环,拆除临时支撑后,二次衬砌应紧跟。

(4)洞口明洞的反压支撑以及长距离、刚度大的超前管棚预支护,产生的时空效应十分显著,可以起到稳定坡脚,控制位移的辅助作用,是重要的过程控制措施。

(5)3车道大断面衬砌,初期支护内一般以轴向压力为主,弯矩不是控制因素,结构内力可满足安全性的要求。但应重视接头处钢架的构造连接,避免出现应力集中等问题。

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The Design of Large Section Highway Tunnel Entrance Passing Through Colluvial Deposits

CHEN Zhi-hui
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

The Mei-Yu highway Zhufeng tunnel,located between Zhongxian and Banmian,has to pass through a wide range of colluvial deposits,which may face some risks during construction.Because of the difficult construction conditions such as large excavation cross section(163 m2),shallow burial,poor rock condition and rich underground water,corresponding measures as strata grouting,advance shed supporting,extended open-cut tunnel and reinforced internal support,and double-side-wall pilot hole are proposed to pass through colluvial deposits.The design schedule is verified with numerical simulation and proved to meet the requirements for the safety of the slope and the tunnel,and effective to control soil deformation and reduce settlement.

Highway tunnel;Large section tunnel;Colluvial deposits;Construction stability;Strata grouting

U459.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.025

1004-2954(2014)12-0104-05

2014-05-07

陈智慧(1969—),男,高级工程师,1993年毕业于石家庄铁道学院隧道及地下工程专业,工学学士。