雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工大斷面黃土隧道圍巖變形規(guī)律

　　關(guān)鍵詞：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,大斷面,黃土隧道,圍巖變形

　　1 引言

　　我國(guó)在高速公路黃土隧道建設(shè)領(lǐng)域起步較晚，施工過(guò)程中大部分是借鑒鐵路隧道的施工經(jīng)驗(yàn)成果，但是由于公路黃土隧道存在著跨徑大、斷面大、扁平率小等設(shè)計(jì)特點(diǎn)以外，還具有黃土圍巖強(qiáng)度低、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變、防排水設(shè)計(jì)要求等級(jí)高、開挖過(guò)程中變形大等施工難度，尤其是在開挖后受到變形控制等其他因素影響，施工難度很大[1-2]。目前國(guó)內(nèi)修建大斷面黃土隧道的理論水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)和施工尚處于總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)階段，無(wú)相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范[3]。已有文獻(xiàn)在鐵路隧道方面取得了一些成果[4-7]，大多數(shù)文獻(xiàn)從施工方案論述角度入手，缺乏深入的剖析。本文以神府高速公路墩梁隧道為研究對(duì)象，對(duì)大斷面黃土公路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的圍巖變形，從開挖到穩(wěn)定進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，分析施工工序與圍巖變形規(guī)律的相互關(guān)系。

　　2工程背景

　　2.1 工程概況

　　墩梁隧道為分離式雙向六車道公路隧道，左線長(zhǎng)1281.7m，右線長(zhǎng)1380.2m，開挖跨度17.3m，開挖高度12m，扁平率0.69，開挖面積170m2，是目前開挖跨度最大的黃土隧道。隧道處于具有代表性質(zhì)的黃土梁峁溝壑區(qū)，部分段落存在偏壓、淺埋和濕陷性黃土地段(II—IV濕陷性);施工過(guò)程中穿越粉砂性黃土、馬蘭組風(fēng)成黃土和中更新統(tǒng)離石組風(fēng)成黃土，地形、地質(zhì)構(gòu)造情況具有極強(qiáng)的代表性;施工過(guò)程中圍巖含水量在不同段落變化較大，且隧道節(jié)理發(fā)育也存在較大變化。

　　2.2 施工方案

　　雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法在軟弱圍巖隧道中有較為廣泛的應(yīng)用[8-10]，其具備圍巖單次開挖半徑小，臨空面積小，初期支護(hù)施設(shè)迅速，能及時(shí)形成閉合內(nèi)環(huán)，圍巖變形便于控制等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)也存在工序多，臨時(shí)支撐建拆復(fù)雜，施工進(jìn)度緩慢等缺點(diǎn)�？傮w上來(lái)說(shuō)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種偏安全的施工方法，在淺埋、偏壓等不利工況下，應(yīng)優(yōu)先采用。

　　施工方案將隧道斷面分為9個(gè)部分，如圖1所示。一側(cè)導(dǎo)坑先行，先行導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖，每次開挖1～2榀(每榀長(zhǎng)度0.75m)，并與中臺(tái)階拉開5m左右，開挖中臺(tái)階2～4榀，再開挖下臺(tái)階2～4榀，并與中臺(tái)階步距控制在5m左右距離;待先行側(cè)壁導(dǎo)坑掘進(jìn)35m時(shí)開始后行側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，在開挖過(guò)程中仍然遵循上中下臺(tái)階施工距離，以防止由于距離太小發(fā)生坍塌后沉降過(guò)大。最后進(jìn)行中導(dǎo)坑開挖，并滯后后行側(cè)壁導(dǎo)坑15m左右。最后拆除側(cè)壁臨時(shí)支撐并仰拱開挖，仰拱開挖長(zhǎng)度約7m。在淺埋段利用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工月平均進(jìn)尺30m~40m。

　　3監(jiān)測(cè)方案

　　由于導(dǎo)坑內(nèi)采用上中下臺(tái)階開挖，拱腳處下沉水準(zhǔn)尺很難進(jìn)行觀測(cè)，且導(dǎo)坑開挖隧道凈空高度大，人工掛鋼尺比較困難，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，與其他施工工序干擾大，掛鋼尺進(jìn)行測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，影響工程進(jìn)度和各工序之間緊密配合。鑒于以上原因，采用高精度全站儀和塑料反光膜片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反光棱鏡進(jìn)行隧道變形量測(cè)，主要按照全站儀對(duì)邊測(cè)量程序進(jìn)行，利用三維坐標(biāo)測(cè)量輔助判斷位移的方向，監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)工況及變形穩(wěn)定程度隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。圍巖壓力呈“馬鞍型”分布形狀[11]，因此需加強(qiáng)對(duì)圍巖中上部的測(cè)量監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案如圖2所示。

　　4 圍巖變形規(guī)律分析

　　選取典型斷面RK27+096.8和RK27+089.6進(jìn)行分析。兩斷面相差僅7.2m，均處于右線出口淺埋段，斷面的圍巖分層情況、隧洞上覆土厚度、施工進(jìn)度均基本相同，由兩個(gè)斷面得出的共同結(jié)論具有較強(qiáng)的代表性和可信度。

　　4.1 側(cè)導(dǎo)坑沉降變形分析

　　由圖3和圖4綜合分析可以得出兩圖有以下共同規(guī)律：

　　(1) 雖然兩側(cè)導(dǎo)坑的開挖起始時(shí)間不同，但左導(dǎo)坑仰拱初支閉合后，沉降變形均明顯趨于穩(wěn)定，變形速率明顯減小。這說(shuō)明左側(cè)導(dǎo)坑(即后行導(dǎo)坑)的仰拱初支閉合是控制變形的關(guān)鍵措施，因此應(yīng)及早進(jìn)行仰拱初支閉合。

　　(2) 兩側(cè)導(dǎo)坑相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化曲線幾乎平行，在導(dǎo)坑開挖后同一暴露時(shí)間下，其圍巖變形量是相同的。這說(shuō)明在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖法下，關(guān)于中線軸對(duì)稱分布的點(diǎn)位其應(yīng)力變化路徑是相同的，導(dǎo)坑圍巖的變形規(guī)律和變形值大小與導(dǎo)坑開挖先后順序無(wú)關(guān)。但由于先行開挖導(dǎo)坑的暴露時(shí)間長(zhǎng)，所以其最終累計(jì)的變形值大于后開挖的導(dǎo)坑。

　　(3) 在同一個(gè)導(dǎo)坑中，拱部和永久側(cè)平均下沉速率4mm/d，臨時(shí)支撐拱腰位置平均下沉速率6mm/d，臨時(shí)側(cè)沉降沉降量和沉降速率均明顯大于拱頂和永久側(cè)沉降，而拱頂和永久側(cè)沉降量幾乎相同，拱頂略大。這說(shuō)明在開挖過(guò)程中圍巖釋放的壓應(yīng)力絕大部分轉(zhuǎn)移到臨時(shí)支撐上，因此臨時(shí)支撐應(yīng)選擇合適的型鋼，其強(qiáng)度必須滿足壓應(yīng)力的要求。

　　(4) 導(dǎo)坑中部、下部及仰拱開挖均會(huì)對(duì)拱頂及臨時(shí)支撐下沉造成影響，當(dāng)左右側(cè)導(dǎo)坑挖至同一斷面時(shí)，先行導(dǎo)坑拱部最大下沉量為30mm，臨時(shí)支撐最大沉降為42mm，在仰拱拱閉合后另一導(dǎo)坑施工中對(duì)先行導(dǎo)坑的沉降影響減小，根據(jù)步距和施工速率不同，先行導(dǎo)坑沉降速率約為0.6mm~1.3mm;在另一導(dǎo)坑地拱閉合或沉降趨于穩(wěn)定，此時(shí)導(dǎo)坑拱部和臨時(shí)支撐側(cè)累計(jì)沉降達(dá)43mm和78mm。

　　4.2 側(cè)導(dǎo)坑收斂變形分析

　　收斂值的計(jì)算方式為：臨時(shí)側(cè)水平位移值減去邊墻側(cè)水平位移值。在RK27+096.8斷面，右側(cè)導(dǎo)坑的監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于施工破壞，于9月10號(hào)重新布置量測(cè)，前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置有所偏差，所以在曲線初始階段出現(xiàn)上下波動(dòng)形態(tài)。通過(guò)對(duì)其他斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析整理，收斂值的變化規(guī)律基本與圖6所示相同，即：兩側(cè)導(dǎo)坑的水平收斂呈現(xiàn)出與沉降相似的規(guī)律，兩側(cè)導(dǎo)坑的收斂曲線近似平行，在同一暴露時(shí)長(zhǎng)下其變形值相同;左導(dǎo)仰拱閉合后水平收斂均趨于穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì);同一時(shí)刻，先行導(dǎo)坑的收斂值大于后行導(dǎo)坑。

　　在后行導(dǎo)坑仰拱閉合之后，中導(dǎo)坑開挖之前，開挖斷面內(nèi)存在臨時(shí)鋼架支撐、鋼筋網(wǎng)及噴錨混凝土初襯、側(cè)導(dǎo)坑仰拱等支護(hù)措施，加之中導(dǎo)坑未開挖的土體承擔(dān)了部分豎向壓應(yīng)力，同時(shí)可以抑制臨時(shí)鋼架支撐的側(cè)向變形，形成了較為完整的支護(hù)體系，因此在后行導(dǎo)坑仰拱閉合后，圍巖基本可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這種穩(wěn)定狀態(tài)越早形成，對(duì)控制圍巖變形越有利。為了進(jìn)一步證明該設(shè)想的正確性，將RK27+089.6和RK27+096.8兩斷面的收斂值與兩側(cè)導(dǎo)坑在開挖至后行導(dǎo)坑初支仰拱閉合這段時(shí)間(下文簡(jiǎn)稱暴露時(shí)間)里的相互關(guān)系整理如表1所示，可以看出，暴露時(shí)間與水平收斂值呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

　　4.2 中導(dǎo)坑拱頂沉降變形分析

　　中導(dǎo)坑的開挖暫時(shí)打破了前文所說(shuō)的穩(wěn)定狀態(tài)，削弱了臨時(shí)支護(hù)體系的作用，但是這種削弱效果是有限的。圖7和圖8顯示中導(dǎo)坑開挖后，拱頂沉降最大值在20mm左右，這表明在側(cè)導(dǎo)坑初支體系形成之后進(jìn)行中導(dǎo)坑開挖可以很好地控制拱頂沉降。在進(jìn)行中導(dǎo)坑開挖支護(hù)后，拱部平均下沉速率為5mm/d;中導(dǎo)坑仰拱開挖對(duì)拱頂沉降速率影響較大，開挖后最大下沉速率為8mm/d，在仰拱施工完畢后基本趨于穩(wěn)定。

　　5 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工墩梁特大斷面黃土隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，得出了較為有價(jià)值的結(jié)論如下：

　　(1) 后行導(dǎo)坑仰拱閉合是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的關(guān)鍵步序。后行導(dǎo)坑仰拱閉合之后，在開挖斷面內(nèi)形成較為完整的支護(hù)體系，側(cè)導(dǎo)坑的沉降和收斂值均趨于穩(wěn)定。

　　(2) 兩側(cè)導(dǎo)坑開挖過(guò)程中的應(yīng)力路徑遵循同一規(guī)律，在先行導(dǎo)坑仰拱閉合后，后行導(dǎo)坑對(duì)其的影響減小，由于先行導(dǎo)坑仰拱閉合較早，所以表現(xiàn)出兩側(cè)導(dǎo)坑應(yīng)力路徑的獨(dú)立性。

　　(3) 側(cè)導(dǎo)坑的臨時(shí)鋼架支撐承擔(dān)了大部分的圍巖釋放壓力。臨時(shí)鋼架支撐的變形遠(yuǎn)大于圍巖的變形。

　　(4) 側(cè)導(dǎo)坑水平收斂值與后行導(dǎo)坑仰拱閉合時(shí)間密切相關(guān)，兩者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

　　(5) 中導(dǎo)坑上、中臺(tái)階的開挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響不大，而中導(dǎo)坑仰拱部位開挖會(huì)加劇圍巖變形速率，在仰拱閉合后趨于穩(wěn)定。

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