双连拱公路隧道开挖支护研究

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　　摘要：本文通过对双连拱隧道开挖支护的研究，展开了施工方案拟定、实施监测、选定施工方案的科研攻关。
　　关键词：双连拱； 隧道；开挖支护； 施工
　　Abstract: this article through to double multiple-arch tunnel excavation supporting research, launched a construction plan drew up and implement monitoring, selected construction plan of scientific research.
　　Keywords: double multiple-arch; Tunnel; Excavation support; construction
　　
　　
　　中图分类号：U455文献标识码：A 文章编号：
　　1新房子隧道工程概况
　　毛坝至陕川界高速公路新房子为双连拱隧道，其长度为350m，起点为K307+182，终于K307+532。隧道纵坡为1%单向纵坡，隧道平面位于曲线上，隧道进口洞门为端墙式洞门，出口为偏压式洞门。
　　本工程地质历史漫长，地层、构造组成复杂，地层、构造组成复杂。区内发育震旦系几寒武系-志留系，围岩受地质构造影响较大 ，岩体不完整，层理发育，岩体结构呈块碎状镶嵌结构－角碎状松散结构，地下水作用较弱，隧道出口段为强风化～弱风化岩，风化强烈，裂隙发育，呈块碎状镶嵌结构－角碎状松散结构，节理发育，为弱透水层，隧道以Ⅳ级围岩为主。
　　隧道设计为。洞室净高2*10.25*5m。
　　2新房子隧道的施工技术难点
　　（1）单洞开挖断面大，采用合理的开挖形式及步序是保证施工安全、加快施工进度的关键
　　（2）施工过程中由单侧施工过渡到双侧施工，围岩应力释放不平衡，使中墙承受较大偏心荷载，可能导致中墙失稳，因此合理选择先行洞和后行洞开挖工作面间距，直接关系到隧道整体结构的稳定。
　　（3）因中墙顶围岩至少受三次爆破扰动，受力最为不利，且两侧正洞开挖，特别是上台阶开挖时，会对中墙顶部围岩扰动较大，因此进行爆破控制，是保证施工安全的关键。
　　3 研究的内容及方法
　　（1）结合本工程特点，新房子隧道施工技术研究主要是开挖与支护。研究方法为：技术方案编制→方案实施→现场监控量测和信息反馈指导施工→总结 →推广。通过采用工程类比法，收集有关双连拱隧道施工的工程实例。拟定隧道开挖施工方案，制定工艺操作细则。
　　（2）采用先进的仪器、仪表建立施工实施监控系统，建立全隧道信息化控制体系、对隧道围岩变形、中墙受力进行监控量测，随时掌握围岩或结构的应力应变状态，指导施工。
　　4开挖与支护施工技术研究
　　（1）洞口段开挖与支护方案。隧道进出口全有超前支护，超前防护为超前小导管、超前小钢管和长管棚，长管棚位于出口段。在进出口主洞施工前，对边、仰坡采取水平中空锚杆结合10cm厚网喷混凝土进行加固。然后进口沿开挖外轮廓线施工注浆小导管预加固。出口施作长管棚导向墙，施作长管棚。开挖采用正台阶分部法施工，预留核心土，单循环进尺1.0m（1榀钢架间距）。
　　（2）洞身开挖方案比选。连拱隧道开挖洞身支护是关键，直接影响到工期和后续工序及工艺流程的正常进行，施工方案讨论研究时，根据新房子隧道双跨连拱的特点，拟定了施工方案进行比选，采用中导洞正台阶法方案，并对该方案上台阶长度进行比选。
　　(3)施工方法及关键施工技术。开挖步序、两洞开挖面合理间距、爆破控制是保证开挖施工安全和结构稳定的关键，也是连拱隧道施工的重点、难点。
　　新房子隧道从进口进洞，导洞开挖临近出口管棚段时，停止开挖，从出口侧施工管棚。管棚施工后，进行导洞开挖。右洞洞口紧临河道，洞口山体接近直立，右洞进洞，需大量开挖山体或采用顶撑形成工作平台。
　　中导洞正台阶分部台阶法施工方案断面示意图见图1，
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　　（4）正洞洞口段上台阶施工时，预留核心土，以稳定开挖面，并作为预支护和初期支护的工作平台，核心土在施作拱部预支护及初期支护后挖除。
　　Ⅳ级围岩深埋段上台阶不留核心土，台阶高度3.5-4m，上台阶采用工作台架进行预支护及初期支护施工。下台阶开挖（8）（10）两步交替施工，以便上台阶出碴运输，但（10）步不应超前（8）步，（8）步开挖后及时施作边墙初期支护。
　　5两洞开挖面间距确定
　　中墙是连拱隧道的主要承载结构，不但要承受中墙上部围岩及两侧主洞衬砌传来的压力，而且在施工过程中受力十分复杂，因此连拱隧道两主洞开挖工作面的间距大小对中墙内力产生重要影响。
　　（1）中墙内力时态曲线分析。在K307+280深埋段Ⅳ级围岩中选取一个试验段，在中墙埋设φ22的钢弦式钢筋应力计。中墙是连拱隧道应力最为集中的部位，左右洞的拱形支护结构在承受围岩压力时，将剪力和弯矩转化为轴力传递于中墙，因此中墙将承担来自隧道上方的绝大部分的围岩压力，中墙的内力是以轴力为主。中墙轴力大部分时间处于较平稳变化中，在进行正洞施工后，中墙的轴力出现较大幅度的变化，各截面的轴力均增大，说明连拱隧道正洞掘进对中墙内力产生巨大的影响。
　　 在左右主洞开挖时中墙所承受弯矩变化也较为明显，在隧道左右洞施工期间，中墙各截面的弯矩时态曲线开始有剧烈变化，特别是中墙上方围岩经过三次扰动后，围岩应力释放率较大，从而影响了中墙的整体稳定性，使中墙出现了一定程度的偏压（弯矩为负值）。
　　 右洞开挖后，中墙各截面出现了从右洞向左行洞方向的弯距，右洞开挖后中导洞围岩应力释放方向发生变化产生了反向推力，中墙弯距值减小。但中墙受力在连拱隧道整体结构调整，在10天后中墙弯距值再次增大，随后逐渐收敛。
　　(2)中墙弯矩时空效应分析。中墙是连拱隧道的核心构件，其受力要在隧道整体结构中进行调整，围岩应力释放不均衡就可能造成较大的偏压现象，偏压可能导致隧道中墙和支护结构应力受损，进而可能影响连拱隧道的整体稳定性。右洞开挖面达到量测断面前6m，中墙弯矩开始发生变化，弯矩值增大，开挖面经过量测断面后10m，中墙弯矩开始趋于稳定。受右洞开挖影响中墙弯矩变化段时间为12天。
　　左洞开挖达到量测断面前8m，中墙弯矩开始减小，开挖面经过量测断面后16.5m，中墙弯矩趋于稳定。受左洞开挖影响，中墙弯矩变化段时间为17天。
　　 （3）两洞开挖面间距确定。双连拱隧道两洞开挖面的最小距离，应为右洞施工对中墙内力影响的后期与左洞施工对中墙内力影响的前期范围之和，即两洞开挖面间距不小于18m，所需时间不小于12天。根据以上分析并考虑主洞开挖时爆破的影响，两洞开挖工作面的间距应不小于30m。
　　6中导洞开挖与支护
　　(1)中导洞开挖。双连拱隧道中隔墙是左、右主洞的共同支护结构，中导洞开挖决定洞身开挖的方向，也是对洞身岩层的先行探察，应准确控制开挖中线并对围岩进行仔细观察。
　　中导洞开挖断面根据中墙顶半径及中墙高度确定，施工中导洞开挖宽度为4.8m，开挖高度为4.51m，中导洞采用全断面开挖，光面爆破，每循环进尺2.5m，因中导洞拱部半径较小，爆破不宜成型，经多次优化，确定拱部周边眼间距40cm，侧墙周边眼间距50cm。
　　(2)中导洞支护。中导洞拱部采用φ20早强药包锚杆，长2.5m，间距1.0×1.0m，梅花型布置，喷设10cm厚C20混凝土进行初期支护。

　　7主洞施工
　　 （1）超前注浆导管施工。超前注浆导管采用φ42普通钢管制成，按设计长度加工，顶端制成尖形，中间钻φ8mm的溢浆孔，间距20cm，梅花形布置，注浆浆液采用水泥净浆，超前导管采用风钻成孔，注浆钻孔一次钻至全深，注浆采用HFV-5D型专用注浆泵、小型双管止浆塞。沿隧道纵向开挖轮廓线向外10～30°的外插角钻孔，将小导管打入地层，每环搭接不小于1.0m，导管插入时管尾预留0.2～0.3m，以便接注浆管，注浆压力0.5～1.0MPa，注浆后至开挖前的时间间隔为4～8小时。
　　（2）主洞洞身开挖方法。上、下台阶采用钻眼台架配风钻打眼，微震爆破，右洞洞口段每循环进尺0.8-1.0m，洞内深埋段每循环进尺2.0m。左洞洞口段每循环进尺0.5-0.8m，洞内深埋段每循环进尺1.5-2.0m。
　　(3)爆破控制。正洞开挖采用微震光面爆破技术，光爆选用炸药2#硝铵炸药，药卷直径32mm，爆破参数如下。最小抵抗线（W）：70～80cm，周边眼间距：51cm；周边眼装药集中度：0.2kg/m；周边眼装药方式：间隔装药；掏槽方式：楔形。
　　爆破连线时每段爆破时差控制在100毫秒左右，施工时采用的毫秒雷管段差在两段或以上，以避免各段爆破时震波叠加，上台阶采用斜眼掏槽，因最大震波一般出现在掏槽爆破时,掏槽眼布置在隧道中线远离中墙一侧,并严格控制掏槽眼单段总装药量。
　　因中墙顶围岩至少受三次爆破扰动，且受力最为不利，故中导洞拱部中线左右两侧60°范围及中墙中线两侧各4m范围周边眼间距加密一倍，隔孔装药，以减小爆破对中墙顶围岩的扰动。
　　采用上述参数爆破后，围岩稳定，无大的剥落和坍塌，平均线性超挖为7.6cm，最大超挖不大于15cm，炮眼利用率达90%，残眼率达85%，震波震速量测结果显示总装药量较大的起爆段震波没有叠加，效果比较理想。
　　(4)主洞洞身支护。初期支护作为稳定围岩，确保施工安全的重要措施，在开挖后立即进行，支护作业视围岩稳定程度及量测结果，按设计方案支护的同时调整支护参数，确保安全。
　　①锚杆施工。锚杆安装作业在初喷混凝土后及时进行，锚杆钻孔采用风钻打孔。
　　早强药包锚杆安装前，先锚固药包用水浸泡1～2min，待药包周围不出现气泡后，用专用工具推入锚杆孔内，防止中途破裂，至孔底后将其捣破，锚杆药包随用随泡，锚杆采用人工插入或锤击打入。中空注浆锚杆杆体插入锚杆孔后，安装止浆塞，并用注浆泵压注水泥净浆浆液，注浆压力控制在0.5-1MPa。
　　②钢筋网施工。钢筋网先加工成1.0m×2.0m网片，现场接焊，钢筋网搭头不小于1个网孔，且应随岩面起伏铺设，钢筋网与岩面距离控制在3cm左右并与锚杆连接牢固。
　　③喷射混凝土施工。 采用湿喷法，喷射作业分两次完成，第一次在开挖后随即初喷5cm，然后安锚杆、挂网、架立格栅，在喷射混凝土初凝后复喷混凝土至设计厚度。喷射作业采取分段、分片、分层，由下而上，依次进行，有较大凹洼时，先喷射填平，喷头垂直受喷面，与受喷面的距离根据风压，保持在0.6m－1.0m，工作风压0.12-0.15Mpa。
　　④格栅钢架支护。格栅钢架分5段在洞外焊接加工，拱部格栅分三节，总高度根据上台阶高度确定，格栅钢架制作时用1:1大样控制尺寸。钢架在工作面按设计位置安设，钢架面每隔1m用φ22纵向钢筋联接。钢架与岩面间必须用喷射混凝土充填密实，同时应将钢架覆盖，保护层的厚度不小于4cm。
　　8 结语
　　（1）两侧正洞开挖，特别是上台阶开挖时，会对中墙顶部围岩扰动较大，因此正洞上台阶爆破应严格按微震控制爆破施工。
　　（2）两主洞开挖面间距应不小于30m。
　　（3）正洞开挖有偏压时，开挖先后对中隔墙影响大，严格开挖先后。
　　参考文献：
　　[1] 张儒林.《隧道爆破现代技术》.中国铁道出版社
　　[2]《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）
　　
　　作者简介：
　　王世远，男，1971年出生，工程师，主要从事铁路、公路工程建设技术工作。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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