吴家庄大跨度连拱隧道Ⅳ级围岩地段施工方法的合理选择.pdf

第 2 7 卷第 5 期 2 0 0 7 年 1 0月 中 外 公路 9 9 文章 编号 ： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 7 ) 0 5 0 0 9 9 -0 3 1 前 言 吴家庄大跨度连拱隧道级围岩地段施工 方法的合理选择 李明杰 。 刘小兵。 。 杨旭东。 。林永强。 ( 1 南 阳市宛坪 高速公路有限公司 ， 河南 南 阳4 7 3 0 0 0 ； 2 中南大学 ； 3 宛坪高速公路 b 7项 目部) 摘 要 ： 该文采用数值计算方 法模拟 中导洞 法施工对 隧道 结构体系 的影 响 ， 模 拟按施工 步骤进行。通过计算分析 ， 得 出了在 级 围岩地段采 用该法能 够保证施工 安全的结论 ， 比原 拟采用的三导洞法 ， 大大加快 了施工进度 。实践证 明， 施 工方 法的选取是合理的 。 关键词： 连拱隧道； 中导洞法； 数值计算；i v 级围岩 吴家庄隧道全长 3 4 0 m， 单洞三车道 ， 双洞开挖总 跨度达 3 1 6 5 m， 为大跨度连拱 隧道。隧道穿越地段 为细砂 岩夹泥岩 ， 围岩 为 、 和 v级 。在 确定施 工 方 法 时 ， 围岩 级地 段采用 中导洞法 ， v级地段 采用 三 导 洞法 。在 级 围岩地段 为安 全 起见 ， 初 定 采用 三 导洞 法 ， 该法施工步骤较多 ， 进度慢 ， 若改用中导洞法 ， 进度 能够加快 ， 但安全能否保证?为给合理确定施工方法 提供科学依据 ， 本文采用 f l ac软件进行 了数值模拟 计算 ， 结果表明， 在级围岩这种稳定性条件较差的大 跨度连拱隧道施工中， 采用中导洞法是可行的。 中导洞法的主要施工工序为( 图 1 ) ： 中导洞开 挖 、 支护； 中隔墙浇筑 ； 左 洞上 台阶开挖、 支护 ； 右洞上 台阶开挖、 支护 ； 左洞下 台阶开挖、 支护； 右洞下 台阶开挖 、 支 护 ； 左洞施作仰拱 、 仰 拱 回 图 1 中导洞法施工工序 示意 图 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 7 -0 6 作者简 介 ： 李明杰 ， 男， 大学本科 ， 工程 师 填 ； 左洞模注二次衬砌 ； 右洞施作仰拱、 仰拱 回 填 ； 右洞模注二次衬砌 。 2 计算参数 围岩的计算参数 由隧道工程地质勘察报告提供。 中隔墙为钢筋混凝 土材料， 按照弹性材料处理 。地应 力 的释放率 依据 公 路隧道设 计规 范 ( j t g d7 0 2 0 0 4 ) 中的地应力荷载释放 比例确定。钢拱架的作用 按等效方法考虑， 即将钢拱架弹性模量折合成喷射混 凝土的弹性模量 。有关计算数据见表 1 。 表 1 数值分析计算 参数 材料类型 计 算参数 围岩 = ： 2 。 2 。 5 ， g ： p 。 a = m 2 p 0 ， k n ： m 3 。 , 锚杆 e=2 1 0 g p a ， =2 5 mm c 2 5钢筋 混凝土 e：3 0 g p a ， ) ， =2 5 k n m。 ， v -0 2 喷射混凝土 ( 折算后) e=2 9 gp a 注： e为弹性模量； y 为容重 ； u为泊松比； c为粘聚力； 为 内摩擦角 ； 为钢筋直径 此外 ， 岩体的体积模量 k一 ， 剪切模量 g e 2 ( 1 + u ) 。 维普资讯 1 o o 中 外公路 2 7卷 3 计算及分析 ( 1 )围岩塑性区分布 拱圈初期支护施作之后 ， 下台阶支护施作之前 ， 围 岩塑性区如图 2所示 。从围岩塑性区的形成过程及最 终分布来看 ， 中墙顶上方三角地带 的围岩多次受到施 工的扰动 ， 呈显著的塑性状态， 是施工中需要给予高度 重视的区域。其他塑性区主要分布在隧道边墙及基底 处， 且边墙塑性区较小； 在仰拱靠近边墙处及 中墙底的 塑性区较大。图中拱圈未见塑性区 ， 可见初期支护参 数是足够的， 能够满足中导洞法施工的安全要求。 图 2 围岩塑性区分布示意图 ( 2 )围岩位移场 计算反映出隧道拱顶下沉 ， 基底隆起 ， 边墙外移 ， 整个洞体发生收缩变形 ， 即整个开挖面呈压扁状的位 移趋势 。在施工过程 中， 左洞因右洞施工产生的沉降 量占到了总沉降量的 2 5 ， 可见 ， 中导洞 法施工时 ， 左、 右洞室施工的相互影响比较大 ， 这在施工过程中务 必做到心中有数， 即在左洞支护完毕 ， 而右洞展开施工 的过程中， 仍然必须对左洞进行严格的施工监测 。 ( 3 )围岩应力 场 围岩应力大于先施工洞室 ， 中墙顶部和底部的 围岩更 为明显 ， 承受着较大的压应力。最 大主应力总体表现 为由拱顶、 底板与边墙拐角交线的应力集 中带与临空 面的应力降低 区相问构成 。最小主应力与最大主应力 分布趋势基本类似。 ( 4 )喷射混凝土支护 喷射混凝 土层剪切力 的分布表 明， 墙脚和拱脚是 连拱隧道喷层支护最容易发生破坏 的部位。同时， 还 应注意到 ， 由于右洞的施工， 使得左洞喷层的剪切力产 生较大的增长， 在拱脚与边墙相交处增幅为 2 o 8 7 9 ， 6 。 ( 5 )二次衬砌受力分析 二次衬砌结构的弯矩和轴力见图 3 、 4 。采用破损 阶段法对衬砌截 面进行验算 ， 结果列 于表 2 。从表 2 中可以看出， 二次衬砌的最小安全系数 出现在左洞 中 墙顶和中墙脚 ， 说 明中墙顶与中墙脚是受力的薄弱点， 且先行施工的左洞比后施工的右洞不利。但所有截面 的安全系数均满足受力要求 ， 因此二次衬砌结构是安 全 的 。 图 3二次衬砌最终弯矩 图 围岩最终应力场基本呈对称分布， 后施工的洞室 图4 二次衬砌最终轴力图 表 2 二次衬砌 内力验算 分析部位 弯矩 轴力 k n 69 7 9 1 0 29 1 33 9 81 6 8 3 43 6 5 43 29 6 3 5 32 9 47 9 7 2 63 6 偏心矩 强度控制 c m 极限承载力 安全系数 n k n k 左 洞 右 洞 左墙脚 中墙脚 中墙顶 右拱脚 拱 顶 右墙脚 中墙脚 中墙顶 左拱脚 拱 顶 24 3 1 2 4 8 9 5 3 1 7 32 4 1 2 4 1 o2 7 3 l _ 3 抗拉 抗拉 抗压 抗压 抗压 抗拉 抗拉 抗拉 抗压 抗压 1 0 9 3 5 5 2 9 8 2 6 2 6 8 12 2 15 0 1 5 4 3 4 6 9 3 8 1 3 6 6 7 7 4 1 0 0 3 2 7 8 8 8 2 7 3 6 8 9 3 3 8 7 9 ： 一 0 0 一 m化 m弧 弧 维普资讯 5期 吴家庄大跨度连拱隧道级围岩地段施工方法的合理选择 1 0 1 ( 6 )中墙应 力 左洞上台阶开挖支护后， 中墙受偏压荷载作用 ， 左 侧竖向压力比右侧大， 墙底 出现拉应力 ， 左侧底部墙身 拐角处出现应力集 中现象； 左洞施工完成后 ， 中墙受偏 压作用更加严重 ， 左侧竖向压力增大， 右侧竖向压力减 小， 左侧角隅出现的应力集中范围进一步扩大 ； 右洞上 台阶开挖支护后 ， 竖 向压力有所增 大， 左侧仍 比右侧 大， 但差值有所减小 ， 中墙的偏压现象有所缓解 ； 右洞 施工完成后 ， 中墙所受竖向压力基本对称 ， 应力集 中主 要体现在墙与仰拱的拐脚处。 4 结 论 ( 1 )在级围岩中， 单洞三车道大跨度连拱隧道 使用中导洞法 ， 可以保证安全。从施工工序看 ， 将三导 洞法改为中导洞法 ， 减少了两个侧导洞施工和对它们 进行临时支护的工序 ， 主洞上下 台阶的开挖工作 面也 相应加大 ， 使得进度显著加快 ， 同时也节约了成本 。 ( 2 )从 围岩应力、 拱顶沉降、 洞周位移及二衬受力 等方面看 ， 后 施工的右洞状态 均优于先施工 的左洞。 这是由于右洞施工是在左洞已扰动围岩的基础上开始 的。由此可以得出结论 ： 当两洞地质与地形有差异时， 应该先施工条件较差一侧的洞室 ， 否则将使其开挖更 加困难 。 ( 3 )喷射混凝土层的应力是先施工的左洞大于后 施工的右洞， 因为右洞围岩在开挖之前就已经受到了 左洞的扰动， 围岩应力已有所释放， 所 以才使得喷层应 力相对较小。但这并不说 明右洞喷层不那么重要 ， 相 反 ， 说明受先后开挖次序的限制 ， 右洞喷层对围岩的约 束力不能如左洞那样及时发挥作用 ， 因此后施工的洞 室要 更加注意借助钢支撑 、 系统锚 杆等支护来稳定 围岩 。 ( 4 )中墙应力是左洞施工 阶段大于右洞施工 阶 段 ， 尤其在左洞开挖完成 ， 而右洞还未开挖之时产生对 中墙的最大偏压 。但 中墙 的安全度还 是足够的， 计算 与量测的结果都证实 了这一点 。尽 管如此 ， 从安全 的 角度 出发 ， 仍 然建议在此 阶段应 加强对 中墙 的临时 支撑。 ( 5 )计算还表明， 已建左洞的支护结构应力随着 右洞施工的随后展开会继续增加 。因此对左洞仍不能 掉以轻心， 应始终保持 良好的监控状态 。 参 考文 献 ： 1 中交第一公路勘察设计研究院 河南省内乡( 豫陕界) 高 速公路第七合 同段施工图 r ， 2 0 0 4 2 曹云钦 ， 王小林 偏压连拱隧道衬砌 优化分析 l- j 中外公 路 ， 2 0 0 6 ( 2 ) 3 j tg d 7 o 一2 0 0 4 ， 公路隧道设计规范 l- s 润扬大桥多项措施保安全畅通 自2 0 0 7 年 8月 6日以来， 因江阴长江大桥维修施工 ， 大量分流货车绕行润扬大桥过江。 目前， 该桥 平均每天通行量在 2 5万辆次左右 ， 较 以往增长 了7 o o o辆次， 对此 ， 润扬大桥公司采取有力措施 ， 保障 过 江通道 安全 畅通。 2 0 0 7年 7月底， 在获悉江阴长江大桥实行货车强制分流消息后 ， 润扬大桥公 司紧急召开运营管理 专题例会， 制定 1 o条应对措施。该公司将主线收费站的 2 o个进 出道 口全部开足 ， 每班配置 2 6个收费 员。同时， 牵头召集润扬大桥交通管理联动协调会第三次会议 ， 协调镇江 、 扬州交警部 门等相关单位 ， 加大交通管理联动力