劉 輝,余 誠(chéng)

(中鐵四局集團(tuán)有限公司第七工程分公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)入了新的階段[1]，向長(zhǎng)度更長(zhǎng)、斷面更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的方向發(fā)展[2]。其中，在長(zhǎng)大隧道施工中，橫洞、斜井、豎井等輔助坑道的設(shè)置，有效提升了施工速度和效率，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。斜井等輔助坑道轉(zhuǎn)正洞施工時(shí)，斜井和正洞組成了復(fù)雜的洞群體系，部分區(qū)段應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，施工工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜、臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)施作困難，拆除過程中又存在較大的安全隱患，斜井轉(zhuǎn)正洞過程是施工的難點(diǎn)[3,4]。當(dāng)前斜井轉(zhuǎn)正洞施工主要有大包法和小導(dǎo)洞法等施工技術(shù)[5]，大包法主要適用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖較差地段，小導(dǎo)洞法適Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖較好地段。但由于大包法和小導(dǎo)洞法自身體系存在轉(zhuǎn)換頻繁、臨時(shí)支撐體系復(fù)雜、超挖嚴(yán)重、施工進(jìn)度慢、投入成本高等特點(diǎn)，使其適用范圍具有一定的局限性[6]，特別是在石質(zhì)圍巖較好、主洞斷面超大扁平[7,8]的情況下，這2個(gè)方法的在安全性及經(jīng)濟(jì)性方面存在明顯的劣勢(shì)，因此需要開展此類工況下斜井轉(zhuǎn)正洞開挖施工技術(shù)探討研究，具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 依托工程

京滬高速濟(jì)南連接線漿水泉隧道全長(zhǎng)3 101 m，主要以水平分層石灰?guī)r為主，洞內(nèi)最大開挖斷面為219.8 m2，扁平率僅0.675，屬于超大扁平斷面隧道。為保證隧道按照工期要求完工，隧道增設(shè)施工斜井一處，長(zhǎng)565.18 m，與正洞正交于ZK3+000處，如圖1所示，斜井與正洞交匯處為Ⅲ級(jí)圍巖段，地下水不發(fā)育，圍巖整體性較好。

斜井轉(zhuǎn)正洞處，設(shè)計(jì)要求采用導(dǎo)洞法，導(dǎo)洞中設(shè)置鋼架、噴射混凝土及錨桿等臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)工程量較大，超挖量也較大，開挖方法不合理，后期回填量大，處理費(fèi)用高；導(dǎo)洞的臨時(shí)支護(hù)與正洞支護(hù)不匹配，施工工序轉(zhuǎn)換難度大，臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)存在較大的安全隱患。因此斜井轉(zhuǎn)正洞的開挖支護(hù)方法直接影響到工程施工安全、進(jìn)度和最終經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 斜井與正洞關(guān)系圖

2 施工原理及要點(diǎn)

2.1 施工流程圖

具體施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

2.2 主要原理

該技術(shù)充分利用Ⅲ級(jí)圍巖的自穩(wěn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過在易于出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)，確保開挖支護(hù)穩(wěn)定。通過斜井上挑段拱部圓弧半徑調(diào)整，使得導(dǎo)洞拱頂沿著主洞輪廓線環(huán)向開挖，導(dǎo)洞采用噴混凝土及拱部錨桿進(jìn)行加固，再在導(dǎo)洞拱頂設(shè)置2榀主洞異形拱架作為導(dǎo)洞拱頂支護(hù)加強(qiáng)措施，支護(hù)完成后再依次向兩側(cè)開挖，并及時(shí)采用異形拱架支護(hù)，直至完成通道范圍內(nèi)的正洞開挖支護(hù)，共8榀拱架作為后期主洞初期支護(hù)。進(jìn)入主洞的導(dǎo)洞未設(shè)置豎向的臨時(shí)支護(hù)，減少了二次擴(kuò)挖拆撐的工序，避免了多次應(yīng)力轉(zhuǎn)換安全風(fēng)險(xiǎn)大問題，只在上坡位置有少量的超挖，減少了后期回填處理工序，控制了超挖量，加快了施工速度。

2.3 施工要點(diǎn)

2.3.1 斜井上挑段施工

斜井上挑坡度主要受機(jī)械爬坡能力和導(dǎo)洞高度影響：坡度大，門架橫梁高度設(shè)置降低，導(dǎo)洞高度隨之降低，機(jī)械作業(yè)高度不足，影響作業(yè)機(jī)械運(yùn)輸工效。為滿足機(jī)械運(yùn)輸要求，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，斜井上挑段坡度宜選用1∶3的坡率。該工程斜井與正洞90°正交，與主洞K3+000處相交，其位置關(guān)系如圖3所示。為了控制斜井上挑段拱頂標(biāo)高和門架橫梁高度，需要將斜井拱部圓弧半徑進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)要考慮到弧形拱頂穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)，在滿足計(jì)算安全情況下，將拱部半徑在1 m范圍由原來的R340cm調(diào)整到R900cm，底部高程不變。具體半徑變化及上挑開挖支護(hù)參數(shù)如圖4、圖5所示。

圖3 斜井與正洞關(guān)系圖

圖4 上跳段半徑變化

圖5 上挑段開挖支護(hù)參數(shù)

2.3.2 門架施工

斜井與導(dǎo)洞交匯處為應(yīng)力集中部位，主洞的鋼架支護(hù)系統(tǒng)需落在門架橫梁上，因此門架必須加強(qiáng)以滿足受力要求。在斜井和主洞交匯處設(shè)置1榀雙H200×200型鋼門架與主洞平行，承重橫梁為雙H200×200型鋼焊接拼裝，拱部以上為單榀H200×200型鋼拱架，門架與正洞外弧邊緣相距10 cm，避免門架侵入正洞，在橫梁以下1.5米位置設(shè)置I18工字鋼斜撐，如圖6、圖7所示。

圖6 門架側(cè)面圖

圖7 門架正面圖

2.3.3 導(dǎo)洞施工

開挖至正洞時(shí)，為增加導(dǎo)洞整體安全性，導(dǎo)洞拱部采用半徑340 cm的弧段，并繼續(xù)以1∶3坡度上挑開挖導(dǎo)洞，為減少超挖量，導(dǎo)洞拱頂高度保持和斜井拱頂高度在一個(gè)同斜面上，每次開挖進(jìn)尺不宜超過2 m，及時(shí)噴混凝土封閉圍巖。導(dǎo)洞開挖完畢后，拱頂位置即為主洞輪廓線，此時(shí)按正洞支護(hù)參數(shù)進(jìn)行正洞支護(hù)，靠近斜井側(cè)采用半徑為1 560 cm的I18異形工字鋼，另一側(cè)采用正洞半徑I18工字鋼,如圖8所示，先期支護(hù)2榀，并在鋼架兩端采用錨管進(jìn)行鎖腳，同時(shí)在拱部打設(shè)系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù),如圖9所示，確保已開挖導(dǎo)洞及主洞拱部的穩(wěn)定。此方法施工可解決主洞支護(hù)及時(shí)性問題，同時(shí)也減少了大包法導(dǎo)洞拱部大包主洞產(chǎn)生的超挖量。如采用大包法，可根據(jù)計(jì)算超挖量為外包主洞以外導(dǎo)洞拱部體積約為482 m3，按照大包法導(dǎo)洞設(shè)置臨時(shí)支撐施工，需設(shè)置21榀，增加了轉(zhuǎn)換拆除量，延長(zhǎng)了施工工期。

圖8 導(dǎo)洞側(cè)面開挖支護(hù)示意圖

圖9 導(dǎo)洞斷面支護(hù)圖

2.3.4 導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工

為了減小爆破振動(dòng)影響，縮短開挖進(jìn)尺，主洞小里程開挖分兩次開挖，分別支護(hù)1榀和2榀拱架，并噴射混凝土封閉，如圖10所示。再向大里程以同樣方法開挖支護(hù)3榀拱架，如圖11所示，此方法能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)洞向主洞方向安全開挖，同時(shí)也為主洞施工創(chuàng)造作業(yè)面。

2.3.5 主洞開挖

當(dāng)導(dǎo)洞擴(kuò)挖支護(hù)完畢后，主洞按設(shè)計(jì)開挖支護(hù)，為了減小主洞開挖時(shí)對(duì)斜井拱架產(chǎn)生振動(dòng)干擾影響，主洞每側(cè)前10 m開挖進(jìn)尺宜控制在2 m以內(nèi)，后續(xù)施工可按照正常進(jìn)尺施工即可。

a.小里程開挖支護(hù)圖

3 效益分析

采用該方法在施工進(jìn)度和成本上相比大包法均有較大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)將該方法與大包法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，具體見表1。

表1 效益比選統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，采用該方法能夠縮短工期23天，節(jié)約機(jī)械、勞務(wù)、材料及管理費(fèi)用約56.66萬元，在進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益方面明顯優(yōu)于大包法施工，在成本控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4 安全性分析

4.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)該技術(shù)施工步驟，采用FLAC3D有限差分元通用程序模擬計(jì)算。實(shí)際約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計(jì)算中地層采用彈塑性實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)采用彈性實(shí)體單元模擬。模型的地層采用Ⅲ級(jí)圍巖地層，如圖11、圖12所示。

圖11 斜井轉(zhuǎn)正洞結(jié)構(gòu)模型

圖12 交叉段錨桿模型圖

圍巖及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)和混凝土材料物理參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，所確定的計(jì)算參數(shù)如表2、3所示。

表2 圍巖計(jì)算參數(shù)表

表3 混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 圍巖位移分析

通過分析整體地層的位移均偏小，圍巖條件穩(wěn)定，安全滿足施工要求(位移分析見圖13)。

圖13 計(jì)算后整體位移圖 單位：厘米

4.2.2 圍巖應(yīng)力分析

交叉段中心截面的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力總體上分布由于地形的原因而并無很明顯的規(guī)律，但是最大的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力都是在隧道的周邊分布，整體上數(shù)值都是較小的。(應(yīng)力分析見圖14、圖15)。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為有效驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性和確?，F(xiàn)場(chǎng)安全性，導(dǎo)洞內(nèi)采用加密布置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由一般布置斷面間距5m調(diào)整為3m，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，最大收斂速率為0.16mm/d，最大收斂值為7.4mm,最大沉降速率為0.11mm/d,最大沉降量為10.9mm，均小于控制值，說明現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和理論推斷是一致的，滿足安全性要求。

圖14 叉段中心截面的水平應(yīng)力圖 單位：MPa

圖15 交叉段中心截面的豎向應(yīng)力圖 單位：MPa

5 結(jié) 論

(1)通過導(dǎo)洞環(huán)切主洞輪廓線開挖，再向兩側(cè)開挖的方法能夠有效控制超挖量，相應(yīng)的減少混凝土回填量，節(jié)約成本顯著。

(2)通過斜井上挑段支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)，確保了爬升段的安全施工。通過導(dǎo)洞拱頂弧形開挖，并及時(shí)采用主洞支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)后向兩側(cè)小進(jìn)尺開挖，確保了導(dǎo)洞施工安全。

(3)通過導(dǎo)洞不設(shè)置臨時(shí)支撐，直接采用主洞支護(hù)代替臨時(shí)支護(hù)，減少了臨時(shí)支護(hù)量，相應(yīng)減少工序轉(zhuǎn)換工作量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的同時(shí)加快了施工進(jìn)度。

(4)充分利用圍巖穩(wěn)定性特點(diǎn)的前提是采用數(shù)值模擬計(jì)算安全性是否滿足要求，在確保安全的情況下方能按照該方法施工。