遲作強，劉瑞輝，陳 瑤，王利寶

(1.山東省路橋集團有限公司，濟南 250021；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

進入21世紀后，由于中國經(jīng)濟快速發(fā)展，原有的雙洞四車道、雙洞六車道公路隧道不能滿足交通運輸?shù)男枨?，同時新建隧道選線、設(shè)計、修建等越來越困難。為緩解交通運輸壓力和增強對路線資源的充分利用，新建高速公路中跨度大于18 m的雙洞八車道超大跨度公路隧道工程日益增多[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2018年年底，中國已建和在建的單洞四車道公路隧道共有46座，其中有26座都是在近6年貫通的，并且僅山東省在2016—2018年3年間就新建了11座單洞四車道公路隧道。

超大跨度公路隧道與單洞兩車道、三車道公路隧道相比，在建設(shè)上具有開挖跨度大、高跨比小、施工工序復(fù)雜等問題。由于超大跨度公路隧道開挖斷面面積大、跨度大，因此如何采用合理的開挖方法是目前施工中的難點。同時，在超大跨度公路隧道建設(shè)過程中，常常需根據(jù)隧道不同圍巖地質(zhì)條件選擇不同開挖方法[3]，而不同開挖方法之間的轉(zhuǎn)換卻一直被忽視，且中國尚沒有關(guān)于超大跨度公路隧道設(shè)計、施工的規(guī)范和標準[4-5]。在實際施工中工法轉(zhuǎn)換無據(jù)可依、雜亂無章，常出現(xiàn)工法轉(zhuǎn)換過程保守、速度慢、風(fēng)險大等問題[6]，影響工程進度，增加了工程造價。所以有必要對超大跨度公路隧道的施工方法進行深入研究。

以濟南繞城高速公路老虎山超大跨度隧道工程為依托，通過現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬等手段，對超大跨度公路隧道洞口段Ⅴ級圍巖與Ⅳ級圍巖施工工法轉(zhuǎn)換方案展開系統(tǒng)的研究，研究成果不僅可以用來指導(dǎo)老虎山超大跨度隧道工程的施工，還可以為以后類似的工程提供有價值的見解，為中國超大跨度公路隧道設(shè)計規(guī)范和標準的制定提供參考依據(jù)。

1 工程概況

濟南繞城高速連接線工程老虎山隧道為雙向八車道隧道，隧道軸線起止樁號左線為ZK0+180～ZK8+820，長1 740 m，隧道最大開挖寬度為20.08 m，屬超大跨度公路隧道。

隧道進口段為Ⅴ級圍巖淺埋或Ⅴ級圍巖加強段，表層有坡積殘積土，節(jié)理裂隙發(fā)育，起止樁號為ZK0+180～ZK1+185，如圖1所示。Ⅳ級圍巖主要為中風(fēng)化灰?guī)r，結(jié)構(gòu)較發(fā)育，巖體較破碎，自穩(wěn)能力一般，起止樁號為ZK1+185～ZK3+360。根據(jù)地質(zhì)情況和《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)[5]，老虎山隧道Ⅴ級圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，穿越Ⅴ級圍巖與Ⅳ級圍巖交界處，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法向交叉中隔墻(cross diaphragm, CRD)法轉(zhuǎn)換施工，工法轉(zhuǎn)換完成后，Ⅳ級圍巖段再由CRD法變?yōu)樯吓_階中隔墻(center diaphragm)CD法施工。

圖1 隧址區(qū)地形地貌Fig.1 Topography and landform of tunnel site area

2 施工工法轉(zhuǎn)換

對進口段ZK1+184～ZK1+200段Ⅴ級圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工工法到相鄰的Ⅳ級圍巖段CRD法施工工法的轉(zhuǎn)化進行分析和研究。

2.1 施工工法選擇

老虎山隧道進口位于山腳，表層有坡積殘積土層，土厚0.4～10.7 m，自穩(wěn)能力差。由于隧道開挖斷面大，對圍巖穩(wěn)定性有嚴重的不利影響[7-8]。為減少隧道開挖對洞口段Ⅴ級圍巖穩(wěn)定性的影響，進口段采用了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，此法通過增加開挖步驟，減少一次開挖面積，保證圍巖的穩(wěn)定，如圖2和圖3所示。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序示意圖Fig.2 Drawing of construction procedure of double-side wall heading method

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法現(xiàn)場施工圖Fig.3 Site construction drawing of double-side wall heading method

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖施工順序如下:隧道施工時，先開挖左側(cè)導(dǎo)坑上臺階(1部)，施作初期支護Ⅰ、Ⅱ和鎖腳錨桿，架設(shè)臨時仰拱；開挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺階(2部)，施作初期支護Ⅲ、Ⅳ和鎖腳錨桿，架設(shè)臨時仰拱；開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺階(3部)，施作初期支護Ⅲ、Ⅳ和鎖腳錨桿，架設(shè)臨時仰拱；開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺階(4部)，施作初期支護Ⅲ、Ⅳ和鎖腳錨桿；接著開挖中部上臺階(5部)、中臺階(6部)、下臺階(7部)；最后施作仰拱Ⅶ、二次襯砌Ⅴ。

相鄰Ⅳ級圍巖段節(jié)理裂隙較發(fā)育，自穩(wěn)能力一般，但較Ⅴ級圍巖穩(wěn)定性強，采用了CRD法施工，減化了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時的復(fù)雜步驟，從而在保證施工安全的前提下，加快了施工進度，如圖4所示。

圖4 CRD法施工工序示意圖Fig.4 Drawing of construction procedure by CRD method

CRD法開挖施工順序如下: 隧道施工時，先開挖左側(cè)導(dǎo)坑上臺階(1部)，施作初期支護Ⅰ、Ⅱ和臨時仰拱；開挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺階(2部)，施作初期支護Ⅰ、Ⅱ下部和初期支護仰拱Ⅳ；接著開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺階3部，施作初期支護Ⅲ上部和臨時仰拱；開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺階4部，施作初期支護Ⅲ下部和初期支護仰拱Ⅳ；最后拆除中隔壁臨時支護，施作仰拱Ⅶ、二次襯砌Ⅴ。

2.2 工法轉(zhuǎn)換方案

老虎山隧道近口段為Ⅴ級圍巖，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，相鄰Ⅳ級圍巖主要為中分化灰?guī)r，節(jié)理較發(fā)育，自穩(wěn)能力較Ⅴ級圍巖加強，采用CRD法施工，兩種工法因分部開挖面積不同，為保證工序的順利銜接和避免大量窩工的出現(xiàn)，所以老虎山隧道進行工法轉(zhuǎn)換，其涉及的過渡段長度為6 m，起止樁號為ZK1+184～ZK1+200；涉及的工法主要是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CRD法之間的工法轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(實線)、CRD法(虛線)分部對比示意圖Fig.5 Contrast schematic diagram of double-side wall heading method (solid line) and CRD method (damaged line)

兩種工法轉(zhuǎn)換的重要前提是確保不同開挖工法起拱線高程保持一致，施工時通過控制臨時豎撐高度的方法加以控制，確保工法轉(zhuǎn)換時各分部豎向尺寸過渡的連續(xù)性，降低施工難度。在控制豎向尺寸一致的前提下，老虎山隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖分部橫向采用漸變方法過渡到加強CRD法。

在過渡段施工時，老虎山隧道工法轉(zhuǎn)換時采用20～25榀(每榀間距0.6 m)尺寸逐漸擴大的豎向鋼支撐由雙側(cè)壁導(dǎo)坑法過渡到加強CRD法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的先導(dǎo)、后導(dǎo)的豎向鋼支撐分別到CRD法的豎向鋼支撐橫向間距約2.8 m，過渡時雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左導(dǎo)洞上下臺階、右導(dǎo)洞上下臺階的臨時鋼支撐每榀拱架向隧道中線方向平移0.233～0.28 m，為確保過渡段曲線圓滑、順暢，與CRD法豎向鋼支撐線形相反的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法豎撐在漸變過程中逐漸改變線形向其靠攏以方便后續(xù)施工，如圖6所示。

圖6 老虎山隧道工法轉(zhuǎn)換橫斷面示意圖Fig.6 Cross-sectional sketch of construction method conversion of Laohu Tunnel

具體實施步驟如下：第1步，左側(cè)臨時中墻1和右側(cè)臨時中墻3均向隧道中線位置逐漸移動，左側(cè)導(dǎo)坑臨時仰拱和右側(cè)導(dǎo)坑臨時仰拱隨著左右兩側(cè)臨時中墻的移動逐步變寬，中間導(dǎo)坑的臨時仰拱則逐步縮窄；第2步，當(dāng)所述左側(cè)臨時中墻1和右側(cè)臨時中墻3相接觸時，停止移動；第3步，取消掉后施工的所述右側(cè)臨時中墻3，保留所述左側(cè)臨時中墻1，將所述左側(cè)臨時中墻1轉(zhuǎn)換為CRD法中的中間臨時中墻Ⅱ，完成工法轉(zhuǎn)換。

過渡后的加強段CRD法初期支護仍采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支護參數(shù)，如圖7所示。臨時支護采用加強后的支護參數(shù)，豎向臨時鋼支撐采用I22b型鋼拱架，臨時仰拱采用I20b型鋼拱架，拱架間距為0.6 m，具體參數(shù)如圖8所示。

圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支護及設(shè)計參數(shù)Fig.7 Temporary support and design parameters of double-side wall heading method

圖8 加強段CRD法臨時支護及設(shè)計參數(shù)Fig.8 Temporary support and design parameters of strengthened section CRD method

通過轉(zhuǎn)換施工方法的設(shè)計，在保證施工正常進行的條件下，老虎山隧道通過10～15 m的過渡段施工，完成了由Ⅴ級圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工向CRD法施工的轉(zhuǎn)換。進一步從現(xiàn)場施工進度分析，采用的轉(zhuǎn)換方法避免了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的先行導(dǎo)洞為了等后行導(dǎo)洞到達掌子面后在進行工法轉(zhuǎn)換時而造成的時間浪費和窩工的出現(xiàn)，從而保證了工期，節(jié)省了施工成本。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算參數(shù)選取

采用《公路隧道設(shè)計細則》(JTG/T D70—2010)[4]中的綜合安全系數(shù)法對超大跨公路隧道初期支護進行強度校核與評價。根據(jù)工程實際圍巖狀況、施工方法及埋深條件確定隧道計算圍巖參數(shù)[9-10]，并通過MIDAS數(shù)值模擬軟件建立雙側(cè)壁導(dǎo)坑法向CRD法轉(zhuǎn)換方案的開始階段、中間階段、完成階段3個區(qū)段的模型，從施作的鋼拱架的軸力、彎矩和圍巖的位移等方面進一步分析，從而驗證過渡段工法轉(zhuǎn)換的安全合理性。

建模采用的圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示，支護材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock

表2 支護材料力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of support materials

在計算鋼架和噴射混凝土承擔(dān)的軸力和彎矩時，將初期支護承擔(dān)的總軸力和總彎矩按式(1)～式(4)分擔(dān)給鋼架和噴射混凝土[11-12]。

(1)

Mh=0

(2)

(3)

Mg=M

(4)

式中：N、M為單位長度內(nèi)驗算截面的總軸力和總彎矩，kN,kN·m；Ah、Ag為噴射混凝土及鋼架計算截面的面積，m2；Eh、Eg為噴射混凝土及鋼架的彈性模量，kPa；Nh、Ng為噴射混凝土及鋼架分別承擔(dān)的軸力，kN；Mh、Mg為噴射混凝土及鋼架分別承擔(dān)的彎矩，kN·m。

噴射混凝土及鋼架強度采用綜合安全系數(shù)法進行校核時，其強度應(yīng)符合式(5)～式(7)規(guī)定，公式如下：

KhyNh≤αRhyAh

(5)

晚上是它最活躍的時候，當(dāng)我們?nèi)胨瘯r，就會聽到“嗞——嗞——”的聲音，我就悄悄地起來看個究竟，原來它在啃箱子，準備逃跑呢！更讓我吃驚的是，它用那小小的牙齒竟然把箱子四周啃出大大的窟窿，第二天早上起來，我們發(fā)現(xiàn)倉鼠不見了，于是全家人搬沙發(fā)、挪柜子，在墻角處四處尋找，跟倉鼠進行了一次大作戰(zhàn)，真是不能瞧不起這只小倉鼠!

(6)

(7)

式中：Rhy為噴射混凝土的抗壓極限強度，kPa；Rgy為鋼架鋼材的抗壓極限強度，kPa；Rgl為鋼架鋼材的抗拉極限強度，kPa；Khy為噴射混凝土的抗壓強度綜合安全系數(shù)；Kg為鋼架的抗壓、抗拉強度綜合安全系數(shù)；Wg為鋼架驗算截面抗彎剛度，m2。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 Ⅴ級圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分析

V級圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工模擬、變形云圖及初期支護軸力圖如圖9～圖11所示。

圖9 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工模擬Fig.9 Construction simulation of double-side wall heading method

圖10 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工變形云圖Fig.10 Deformation cloud chart of double-side wall heading method

圖11 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護軸力圖Fig.11 Axis force diagram of initial support of double-side wall heading method

由圖10可知，模擬的拱部的沉降值和拱腳收斂值與現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)比較，可以得出模擬值與實測值幾乎吻合，說明模擬的位移的合理性。從模擬數(shù)據(jù)分析看，隧道結(jié)構(gòu)整體變形較小，遠小于極限位移值200 mm。

提取初期支護承擔(dān)的總軸力和總彎矩按式(1)～式(4)分別計算鋼架和噴射混凝土承擔(dān)的軸力和彎矩，計算結(jié)果如表3所示。

表3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護內(nèi)力及材料安全系數(shù)Table 3 Internal force and material safety factor of initial support by double-side wall heading method

由表3可知，初期支護拱部受力略大于仰拱，噴射混凝土最大軸力出現(xiàn)在左拱腳處，其值為232 kN，安全系數(shù)為1.3。根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》，在QZH-Ⅱ基本可變組合下鋼架和噴射混凝土安全系數(shù)分別為2.0(抗壓)、3.6(抗拉)和2.4(抗壓)，Ⅴ級淺埋初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定值，表明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工滿足《公路隧道設(shè)計細則》，結(jié)構(gòu)安全。

Ⅳ級圍巖過渡段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工模擬、施工變形云圖及初期支護軸力圖如圖12～圖14所示。

由圖13可知，在Ⅳ級圍巖過渡段模擬的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中，拱部的沉降值和拱腳收斂值與現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)比較，可以得出模擬值與實測值幾乎吻合，說明模擬的位移結(jié)果的合理性。從數(shù)據(jù)分析看，隧道結(jié)構(gòu)整體變形較小，遠小于極限位移值200 mm。

圖12 過渡段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工模擬Fig.12 Construction simulation of double-side wall heading method in transition section

圖13 過渡段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工變形云圖Fig.13 Deformation cloud chart of double-side wall heading method in transition section

圖14 過渡段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護軸力圖Fig.14 Axis force diagram of initial support of double-side wall heading method in transition section

提取初期支護承擔(dān)的總軸力和總彎矩按式(1)～式(4)分別計算鋼架和噴射混凝土承擔(dān)的軸力和彎矩，計算結(jié)果如表4所示。

表4 CRD法初期支護內(nèi)力及材料安全系數(shù)Table 4 Internal force and material safety factor of initial support by CRD method

由表4可知，初期支護拱部受力略大于仰拱，噴射混凝土最大軸力出現(xiàn)在左拱腰60°處，其值為583 kN，安全系數(shù)為17.0。根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》，在QZH-Ⅱ基本可變組合下鋼架和噴射混凝土安全系數(shù)分別為2.0(抗壓)、3.6(抗拉)和2.4(抗壓)，Ⅳ級淺埋初期支護支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定值，表明施工滿足結(jié)構(gòu)安全。因此在Ⅳ級圍巖采用過渡段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工法，滿足結(jié)構(gòu)安全度要求和《公路隧道設(shè)計細則》規(guī)范安全系數(shù)要求。

3.2.3 Ⅳ級圍巖CRD法施工模擬

Ⅳ級圍巖CRD法施工模擬、周邊收斂及初期支護軸力圖如圖15～圖17所示。

由圖16可知，模擬的拱部的沉降值平和左右拱腳收斂與現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)比較，可以看出模擬值與實測值幾乎吻合，從而說明模擬的結(jié)果的合理性。從數(shù)據(jù)分析看，隧道結(jié)構(gòu)整體變形較小，遠小于極限位移值140 mm。

圖15 CRD法施工模擬Fig.15 Construction simulation of CRD method

圖16 CRD法周邊收斂Fig.16 Peripheral convergence of CRD method

圖17 CRD法初期支護軸力圖Fig.17 Axis force diagram of Initial support by CRD method

提取初期支護承擔(dān)的總軸力和總彎矩按式(1)～式(4)分別計算鋼架和噴射混凝土承擔(dān)的軸力和彎矩，計算結(jié)果如表5所示。

表5 CRD法初期支護內(nèi)力及材料安全系數(shù)Table 5 Internal force and material safety factor of initial support by CRD method

由表5可知，初期支護拱部受力略大于仰拱，噴射混凝土最大軸力出現(xiàn)在左拱腰60°處，其值為415 kN，安全系數(shù)為9.6。根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》，在QZH-Ⅱ基本可變組合下鋼架和噴射混凝土安全系數(shù)分別為2.0(抗壓)、3.6(抗拉)和2.4(抗壓)，Ⅳ級淺埋初期支護支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定值，表明CRD法施工滿足結(jié)構(gòu)安全，滿足《公路隧道設(shè)計細則》結(jié)構(gòu)安全度要求。

綜上所述，由表3、表4和表5的初期支護內(nèi)力及材料安全系數(shù)和3種施工工法數(shù)值模擬結(jié)果分析：①過渡段的CRD法施工的沉降值和收斂值比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和Ⅳ級圍巖的CRD法數(shù)值小，沉降和收斂數(shù)值大約為4～5 mm，整體結(jié)構(gòu)變形小，遠小于極限位移值，滿足規(guī)范要求。②3種施工工法的初期支護鋼架和噴射混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)都滿足《公路隧道設(shè)計細則》的規(guī)定值，且3種工法的安全系數(shù)都比規(guī)定值大，遠大于要求，因此工法轉(zhuǎn)換時采用過渡段的CRD法施工時滿足規(guī)范規(guī)定。

4 結(jié)論

(1)通過對現(xiàn)場實際施工記錄和數(shù)值模擬結(jié)果分析，老虎山隧道進口段的工法轉(zhuǎn)換不僅保證施工進度，也使隧道拱頂下沉、周邊收斂和初期支護的結(jié)構(gòu)受力都滿足《公路隧道設(shè)計細則》安全系數(shù)的要求，因此在老虎山進口段采用的工法轉(zhuǎn)換方案安全可行。

(2)由雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩側(cè)導(dǎo)洞橫向逐漸變寬最終過渡到CRD法的轉(zhuǎn)換方案，施工順暢，避免了不必要的時間浪費，減少了后期雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支撐拆除對圍巖的擾動，節(jié)省工期，避免窩工，提高了隧道建設(shè)的經(jīng)濟效益。

(3)本文的工法轉(zhuǎn)換方案滿足工程施工要求，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會價值。同時，為今后類似以中風(fēng)化灰?guī)r為主的超大跨度隧道施工方案的設(shè)計提供參考，也對今后中國超大跨度隧道設(shè)計施工技術(shù)規(guī)范的修訂具有一定的意義。