上官伟, 由洋旭, 王 刚, 李洪奇, 田晓雷
(1.中交一航局城市交通工程有限公司, 天津 300457; 2.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266590; 3.福建工程学院 土木工程学院, 福州 350118)
随中我国交通运输行业的快速发展,隧道工程建设量不断增加,隧道建设技术愈发成熟。近些年,高难度隧道工程建设如火如荼,地质复杂地区隧道的建设取得了重大的进展[1-3],新型技术的应用也为隧道建设提供了更多的科技支持[4-6]。但由于岩土地质条件存在特异性和不确定性,不同地区的隧道建设往往需要设计独特的施工方案。因此,关于隧道建设设计与施工的成熟理论体系依然尚未建立,隧道建设依然处于在实践中摸索经验的阶段。
在隧道的施工与建设过程中,隧道的支护体系是保障隧道安全施工、运营和维护的关键,因此隧道支护理论与方法渐渐成为学者们研究的重点。王睿等[7]运用松动圈理论研究确定隧道初期支护时机。剧仲林[8]采用直接弹性抗力法简化支护计算过程。李晓军等[9]采用有限元的手段研究了砂质泥岩地质条件下浅埋大断面小净距隧道双侧壁导坑法对隧道支护的影响规律。赵晨阳等[10]基于工程实例结合数值模拟手段探究了大变形隧道初期支护的力学特性。李德军等[11]运用数值模拟研究并优化了大跨度山岭隧道支护参数。刘小俊[12]结合工程实例试验并研究了高地应力千枚岩隧道支护体系。邵珠山等[13]利用监测数据结合数值模拟建立了高地应力下软岩隧道支护优化方案。皮圣[14]运用现场实验与数据统计探究了初期支护格栅钢架对控制黄土隧道沉降变形的作用。庄一舟等[15]通过室内试验总结了隧道钢拱架早期承载力学性能。
围岩等级的差异,需要采取的支撑方式也不尽相同。在隧道的建设过程中软岩的支护成为工程建设的重点之一。尤其是近年来基建的快速推进,隧道工程的应用越发广泛,部分施工难度较大的隧道对工期的影响越来越大。初期支护是保证隧道安全和成本的主要因素,因此,对其进行科学、合理的设计尤为必要。
目前在地质条件较差的软弱地层中,隧道工程的施工难度仍然较大。不同的地质情况要因地制宜采用不同的科学手段进行隧道建设。本文围绕着浦北高速贵岭隧道工程,分析其洞门及初期支护设计方案的合理性,以期为类似工程提供参考。
1.1 项目概况
贵岭隧道拟建隧址位于博白县黄凌镇的贵岭附近。隧址附近仅有硬化乡村道路,交通条件较为不便。隧道分左右两线,左右线分别为13段共计26段。隧道属于两洞分离式隧道,左洞长955 km,右洞长1 010 km。隧道公路等级为两向四车道高速公路,隧道设计时速为120 km/h,净宽11.5 m,净高5.0 m。隧道进口处左洞右洞、出口右洞处使用端墙式洞门形式,隧道出口左洞位置使用偏压式洞门形式,设两处人行横洞,一处车行横洞。隧道剖面图如图1所示。
图1 隧道剖面图
1.2 地质条件
1.2.1 地形地貌
隧道隧址区属于剥蚀侵蚀丘陵地貌,隧道进口位于黄凌镇贵子地附近,左进洞口位于冲沟里,左洞上方汇水面积大,冲沟里的水量大,右侧洞口位置位于山体斜坡上面,地面标高大多处于210～240 m位置,相对高差大约为30 m,自然边坡坡向处于240°,坡度为20°～27°;隧道出口位于黄凌镇杂岭塘附近,左出洞口位于冲沟里,右侧出口位于斜坡地带,地形上为斜坡,地面标高位置为190～220 m,相对高差在30 m左右,自然边坡坡向坡度为20°,坡度为9°～10°。
1.2.2 地层岩性
1.2.3 地表水及地下水
在隧道进出口均发育一条季节性冲沟,雨季冲沟接受大气降雨,形成地表径流,沟谷里均发育有一小溪,常年有水,雨季时流量大。地下水以第四纪的疏松孔隙水和基岩裂隙水为主。孔隙水以四叠地层为主,由空气降雨补充,水量中等左右,以疏松岩石作为渠道,以蒸发、垂直渗透进入基岩裂缝或补充地表水源。地下水主要分布于冲沟低洼地带,受大气降水及基岩裂隙水侧向补给,水量有限且较稳定,对隧道影响较小。
2.1 隧道平面及纵断面设计
隧道纵截面的规划要充分考虑隧道的长度、通风、采光、主施工的方向、入口的布置、排水、进出口的接线等。具体隧道布置参数见表1。
表1 隧道布置参数
2.2 隧道横断面设计
2.2.1 隧道建筑限界
贵岭隧道根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[16]及《公路隧道设计规范》(JTG D 70/1—2018)[17]的要求按250～350 m间隔设置行人横道,按750～1 000 m间距设置通车横道(车行横通道可同时作为人行横通道,中、短隧道可不设置)。为了满足隧道运营救援要求,长隧道、特长隧道在隧道洞外需设置洞外联系道,洞外联系道结合路基中央分隔带开口设置,由总体及路基路面专业协调完成。隧道建筑界限图如图2所示。
图2 隧道建筑限界图
2.2.2 隧道衬砌内轮廓线设计
隧道净断面应满足隧道的建筑物边界要求,同时考虑隧道照明、通风、运营管理设施、装饰等方面存在的问题;从工程的经济性和结构的力学特征出发,隧道主洞和紧急停车带均为三心圆、曲边墙;隧道断面不大的行车横通道、行人横洞采用直墙、割圆拱断面形式是最好的方案。隧道内轮廓图如图3所示。
图3 隧道内轮廓图
3.1 洞门衬砌设计
为了确保山腹的稳定性,减少对洞口天然条件的损害,本项目采取“先入后出”的原则,尽量减少隧道的开挖高度。根据该隧道出入口的具体条件,采取一种外嵌清条石端壁形式的入口。按照“动态设计,信息法施工”的设计思路,在施工过程中,采取从上到下的逆作法,在施工过程中,采取网、锚喷支护等措施。在洞口工程中,应尽量减小洞口附近的岩体干扰,及时做好洞口的防渗排水沟、洞口边倾边防护,以保证洞口的安全。
3.2 洞身衬砌设计
根据新奥法的基本原则,选择以锚杆、喷射混凝土、钢拱架等作主要支护方式,以锚杆、喷射混凝土、钢拱架等主要具体方式作用在早期支护,后期使用混凝土模板和混凝土,多个部分共同组成永久性承载结构的保护措施。
4.1 支护形式选择
隧道的围岩情况相对复杂,其中隧道右侧施工部分分段围岩级别长度:右幅Ⅴ级围岩段共长占36.1%,Ⅳ级围岩段约占38.1%,Ⅲ级围岩约占其中的25.8%;隧道左段施工部分分段围岩级别长度:Ⅴ级围岩约为28.3%,Ⅳ级围岩约占42.4%,Ⅲ级围岩大约为29.3%。
本工程为近距离、高级别的高速公路隧道,其洞口区为V级,洞段围岩为IV级或Ⅲ级。V型围岩体的边坡稳定性较低,成孔状况较好,自稳性较低,容易出现较大的崩塌;Ⅳ级围岩自身稳定性差,存在着小崩塌的危险。根据施工条件、断面形式和地质条件,并根据其本身承载能力,采用新型的新技术,采用复合式支护结构,即采用前期支护、中段支护和二次支护组成的支护形式,具体为:由于初期支护中间加入中间防水层以及二次衬砌组合而成的新型新衬砌手段,里面初次支护运用喷、锚、网支护,工字型钢拱架,这样可以最好地利用围岩自承载能力,采用新型支护技术的同时采用大管棚、超前小导管技术等超前支护技术。
贵岭隧道内轮廓图中内轮廓线半径为6.65 m,V级围岩岩体预留变形12 cm,初次衬厚度27 cm,二次衬厚50 cm,隧道的开挖半径7.54 m。参考工程类比的方法进行复合式衬砌结构的具体设计,并对其进行理论分析进行稳定性验算。根据工程技术规程的规定、工程实际情况,合理地进行支护参数的修整。本工程选取的支护参数依据工程经验结合实际情况而定。支护参数见表2。
表2 支护参数
4.2 围岩初期支护设计计算
围岩初期支护的设计计算是隧道工程中的重要部分。初期支护对于隧道整体建设往往具有决定性作用,初期支护能起到承受早期围岩压力,控制围岩变形,防止围岩变形过大,保证施工期间隧道基本稳定的作用。现假定喷射混凝土、钢支撑、锚杆以及围岩所组成联合支护,隧道初期支护的总支护抗力P可视为各部分支护抗力之和,即
P=P1+P2+P3+P4
(1)
计算所得的P应该符合不等式
P≥Pmin
(2)
式中:P1为喷射隧道混凝土提供的支护抗力,MPa;P2为内部钢拱架支撑提供的支护抗力,MPa;P3为锚杆提供的支护抗力,MPa;P4为围岩本身提供的支护抗力,MPa;Pmin为开挖隧道后岩体中为避免产生剪切滑移造成隧道破坏需要拥有的极限支护阻力,MPa。
4.2.1 喷射混凝土提供的支护抗力P1
依据下列公式对支护抗力P1进行计算。
τs=0.43σs
(4)
b=2Rcosα
(7)
式中:ds为喷射层的厚度,m;τs为喷射层的抗剪强度;as为喷混凝土的剪切角,取30°;b为剪切区高度,m;ψ为剪切滑移面的平均倾角,(°);σs为混凝土的抗压强度标准值,取12.5MPa;l为锚杆有效长度,V、Ⅳ级取3.5m,Ⅲ级取2.5m;t为锚杆横向间距,取1.2m;R为隧道开挖半径长度,m;W为加固带厚度,m;α为计算参数,取60°
在V级围岩范围内,预设变形量12cm,初次衬厚度27cm,二次衬厚度50cm,隧道的开挖半径长度R取7.54m,即
R=6.65+0.12+0.27+0.5=7.54 m。
在Ⅳ级围岩范围,预留变形量8cm,初次衬厚度23cm,二次衬厚度40cm,隧道的开挖半径长度R取7.36m,即
R=6.65+0.08+0.23+0.4=7.36 m。
在Ⅲ级围岩范围,预设变形量5cm,初次衬厚度10cm,二次衬厚度35cm,隧道的开挖半径长度R取7.15m,即
R=6.65+0.05+0.10+0.35=7.15 m。
经计算可知,在V级围岩范围内P1=0.67MPa,在Ⅳ级围岩范围内P1=0.52MPa,在Ⅲ级围岩范围内P1=0.29MPa。
4.2.2 钢支撑提供的支护抗力P2
钢拱架支撑提供的支护抵抗力在运算时能够换算成相关的喷射混凝土支护抵抗力数值,即
τt=0.43τstp0
(10)
式中:FS为每米隧道钢材当量面积,m2;τst为喷射层内钢材的抗剪强度,取12.5MPa;τt为计算抗剪强度;p0为岩体初始应力,取15MPa;αt为喷射层内钢材的破坏剪切角,取45°。
计算可得在V级围岩范围内P2=0.23MPa;在Ⅳ级围岩范围内P1=0.11MPa;由于在本工程中钢支撑仅存于V级围岩与Ⅳ级围岩范围内,因此Ⅲ级围岩中无钢支撑提供的支护抗力。
4.2.3 锚杆提供的支护抗力P3
锚杆受力破坏有两种情况:①由于自身的力量不够,导致锚杆断裂;②锚杆黏结破坏,也等同于水泥砂浆锚杆与钻孔里面之间的黏聚力不足而发生黏结破坏。
第一种情形发生的话,锚杆提供的均布径向支护抗力
式中:F为锚杆的断面面积,m2;σ为锚杆的抗拉强度,MPa;e为锚杆的纵向间距,m;t为锚杆的横向间距,m。
经计算可知,在V级围岩范围内P′3=0.12MPa,在Ⅳ级围岩范围内P′3=0.11MPa,在Ⅲ级围岩范围内P′3=0.09MPa。
第二种情形发生的话,锚杆提供的均布径向支护抗力
S=πDlsτs
(13)
式中:S为锚杆抵抗拔力,也称作锚杆的锚固力;D为锚杆钻孔孔径,取100mm;τs为钻孔孔壁与水泥浆体之间极限粘连强度,取0.65MPa;ls为锚固段长度,为3.5m。
经计算可知,在V级围岩范围内P″3=0.50MPa,在Ⅳ级围岩范围内P″3=0.32MPa,在Ⅲ级围岩范围内P″3=0.22MPa。
计算可知,在V级围岩范围内P3=0.093MPa,在Ⅳ级围岩范围内P3=0.039MPa,在Ⅲ级围岩范围内P3=0.022MPa。
4.2.4 围岩本体提供的支护抗力P4
式中:S′为剪切滑移面长度,m;τn为沿剪切滑移面的剪应力,MPa;σn为垂直于滑移面的正应力,MPa。
经计算可知,在V级围岩范围内P4=1.26MPa,在Ⅳ级围岩范围内P4=1.98MPa,在Ⅲ级围岩范围内P4=2.78MPa。
4.2.5 初期支护各部分总支护抗力P
V级围岩:
P=P1+P2+P3+P4=2.240 MPa。
Ⅳ级围岩:
P=P1+P2+P3+P4=2.649 MPa。
Ⅲ级围岩:
P=P1+P2+P3+P4=3.092 MPa。
4.2.6 最小支护抗力值Pmin
按照正常的重力相互平衡条件方法求解最小支护抗力。在塑性区,伴随着岩石的塑性半径尺寸增大,岩石体内出现了疏松地带。松散区被自重的重力影响,产生了松散压力。为了保证隧道不会失稳,所以用支护力与它平衡,当位于受力极限平衡状态之时,所求得的支护抗力即为Pmin。在滑移体处于极限平衡条件下,所得到的支护抗力即为Pmin。
式中:γ为围岩重度,V级围岩取γ=17kN/m3,Ⅳ级围岩取γ=17kN/m3,Ⅲ级围岩取γ=23kN/m3;ξ为塑性系数;σc为岩石单轴抗压强度,V级围岩取0.314MPa,Ⅳ级围岩取1.47MPa,Ⅲ级围岩取4.83MPa。
经计算可知,在V级围岩范围内Pmin=0.106MPa,在Ⅳ级围岩范围内Pmin=0.930MPa,在Ⅲ级围岩范围内Pmin=0.065MPa。
4.3 检验
将计算结果汇总(表3),可以看出计算所得的P均符合不等式P≥Pmin,表明贵岭隧道初期支护满足要求,所设计支护类型符合标准,且在计算过程中发现围岩自承能力是初期支护体系的重要部分(表4)。由此可见,充分利用好围岩支护能力对隧道提升稳定性具有很大的作用。
表3 各围岩等级支护抗力计算结果
表4 各围岩等级围岩自承能力占初期支护抗力百分比
目前随着中国交通运输工程的大力发展,国家对隧道建设的需求与日俱增,特别是中国偏远地区的隧道建设工程剧增,隧道施工难度增大。在隧道建设的过程中,集约化、精细化、高效化越来越被施工人员所认可。隧道建设者们在工程建设总结交流施工过程中的经验对于隧道工程的发展大有裨益。本文依托广西贵岭隧道项目对隧道洞门和初期支护的设计与计算方面展开研究,得出以下结论:
1)当山岭地形陡峭且有可能存在自然落石落下的情况下,应该最优先选择的形式为端墙式洞门。
2)隧道初期支护应以充分利用起围岩自承能力,围岩本身提供的支护抗力能有效提升隧道的稳定性,在初期支护中围岩是提供主要支护抗力的部分。
3)在日后的隧道工程建设中,建设者应着重考虑如何提升围岩支护的利用率,更有效利用围岩自身承载力。
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