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1、公路隧道 2 0 1 0年第 4期 总第 7 2期 4车道公路 隧道软弱 围岩段施工方法探讨 齐 琳 闫亚丽 1北京国道通公路设计研究院北京1 0 0 0 5 3 2北京市首都公路发展集团有限公司北京1 0 0 0 7 8 摘 要本文结合洞桩法修筑暗挖地铁站经验 提出洞桩套拱法修建公路 4 车道软弱围岩段的设想 并通过有限 元分析与传统施工 4车道的眼镜法进行对比 得出洞桩套拱法具有以下优点 主体支护结构扣拱完成后 形成具 有一定刚度的支护体系 主体洞室的土方开挖较安全 同时可实行机械开挖 断面利用率较高 与眼镜法相比可 取消仰拱 减少大量的仰拱回填 拆除临时支护工作量相对较小 简化了施工工艺
2、 虽然还有洞内打桩施工空间 狭小等问题 但对于公路特大跨软弱围岩隧道还是有一定的应用前景 值得深人研究 关 键词4 车道公路隧道洞桩套拱法眼镜法有限元分析 0 一 I 刖 吾 随着我 国高速公路 的发展及交 通量的不断增 大 4车道高速公路的建设 已成 为必然趋 势 而作 为高速公路的重要组成构造 物 4车道公路隧道 特 别是超大跨软弱围岩段公路隧道国内外的理论研究 和工程实践尚不成熟 国内有关大跨度隧道 的设计 与施工还处在一个经验积累阶段 有必要对大跨度 隧道的力学行为进行研究 目前 4车道软弱 围岩 段设计中基本沿用 3车道的设计理念 这存在 以下 几个问题 随着开挖跨度的增加 为避免断
3、面扁平 受力不好 就增加拱 部及仰拱 高度 断 面利用率较 低 特别是增加仰拱深度还造成仰拱 回填量大量增 加 开挖方法一般采用双侧壁导坑法 在地质条件 差时 起减跨作用的导坑侧壁受力大 施做二衬前对 导坑侧壁 的拆除时机把握也更加重要 有 时甚至不 得不采用小模板分块 的方式施工二衬 这 给隧道 防 水造成一定隐患 笔者根据亲身设计并已成功实施 的采用洞桩法的北京地铁十号线工体北路站经验 探讨洞桩组合套拱法在特大跨软弱围岩公路 隧道的 应用 2 洞桩组合套拱法在特大跨公路隧道 的应用 2 1 洞桩组合套拱法 洞桩法 又称 P B A 法 即由边桩 顶 梁 顶拱 共 同构成初期受力体系 承受施
4、工过程的荷载 在顶 盖的保护下可以逐层向下开挖土体 施做内部结构 最终形成由初衬 内衬组合而成的永久承载体系 该工法最早出现在 9 0年代初 应用于北京地铁复一 八线的天安门西站 王府井站 东单站 后来在北京 地铁十号线工体北路站 呼家楼站应用 笔者根据 经验对洞桩法做 了适量改 良 拟应用于 4车道公路 隧道软弱围岩中 施工方法见 图 1 图 1 洞桩 组合套拱法施工示意 施工顺序 开挖左导洞及初喷支护 开挖右 导洞及初喷支护 洞内施做左桩及冠梁 洞内施 做左下初喷混凝土 左下组合套拱及左导洞背后 回 填混凝土 洞内施做右桩及冠梁 洞 内施做右下 初喷混凝土 右下组合套拱及右导洞背后 回填混
5、凝 土 开挖左上拱及初喷支护 开挖右上拱及初喷 支护 开挖左中拱及初喷支护 开挖右中拱及初 喷支护 施做左上 左中 右上 右中组合套拱 拆除竖撑 左右导洞侧壁及开挖上台阶 下台阶 底 部 可使用大型机械 同时开挖上下台阶及底部 施做拱 墙防水层 施做混凝 土底板 拱墙衬砌混 凝土 施做洞 内沟槽及路面 主要特点 小导洞超前 洞内施做桩 拱部分块 开挖 最终形成拱部组合套拱与两侧桩的联合受力 体系 在有效的安全保证下采用大型机械开挖 施做 防水层 衬砌混凝土等 2 2 隧 道结构 设计 参照国内较早实施的某高速公路隧道建筑限界 1 5 公路隧道 2 0 1 0年第 4期 总第 7 2期 拟定V级
6、围岩浅埋段隧道断面 如图 2 图 2结 构 设计 图 主要支护参数 1 小导洞 拱部 D 4 2 3 2 5超前小导管支护 喷 C 2 5混凝土 2 5 c m 内设钢架 5 0 c m 2 洞内桩 9 1 2 m 1 5 m 桩顶冠梁 高 宽一 1 2 5 mX1 7 5 m 导洞内回填 C 2 0 混凝土 3 主洞拱部 9 4 2 3 2 5超前小导管支护 拱 部初喷 C 2 5混凝土 3 5 c m 内设钢架 5 0 c m 4 组合套拱 C 3 0 钢筋混凝土 7 5 c m 5 衬砌 C 3 O钢筋混凝土 3 5 c m C 3 0钢筋混凝 土底板 7 5 c m 6 拱墙组合套拱
7、桩与衬砌混凝土之间设防水 层 表 1 表 1 主要工程数量 每延米 序 项 目 单位 数量 号 小导管 D 4 2 3 2 5 环 向间距 0 4 m L 1 m 2 2 5 一 3 m 每两榀设一次 2 主洞 3 5 c m厚 C 2 5喷混凝土 r n 3 7 5 5 3 导洞 2 5 c m厚 C 2 5 喷混凝土 m3 7 6 4 4 主洞钢架 工 2 8 O 5 m 2 7 1 0 5 导洞钢架 工 1 8 O 5 m 1 4 7 3 6 组合套拱 7 5 c m厚 C 3 0钢筋混凝土 r n 3 2 2 7 衬砌钢筋混凝土 含底板 C 3 0钢筋 混 7 r n a 2 7 1
8、凝 土 8 洞内桩 p 1 2 m 1 5 m C 3 0钢筋混凝土 H 1 3 1 3 4 9 桩顶冠梁 C 3 0钢筋混凝 土 m3 4 4 1 0 防水层 m2 3 3 6 1 1 导洞 回填 C 2 O 混凝土 r n 3 5 5 导洞 C 2 5 喷混凝土 r n 3 3 7 1 2 拆除 导洞 工 1 8钢架 k g 3 5 5 1 3 开挖 m3 2 3 9 2 3 隧道结构计算 计算采用将衬砌和地层视为整体共同受力的统 1 6 一 体系 在满足变形协调条件的前提下 分别计算衬 砌与地层内力的地层结构法 计算选取 V级围岩浅 埋段 覆盖层厚度按 3 3 m 计算分析综合考虑 了实
9、 际勘察取得地质参数的难易性以及实际设计的应用 性 地层统一按各 向同性体考虑 根据公路隧道设 计规范 选取 V级 围岩 岩土材料 结构材料计算参 数 本次计算区域为横 向 1 6 2 m 竖向 9 4 m 即左右 两侧计算边界为 3倍隧道跨度 下部边界为 4 5 倍 隧道高度 上部边界距拱顶 3 3 m 地层按两层考虑 地表全风化层 取 8 m厚 下部强风化层 地下水 位按一 1 0 0 m考虑 即不考虑 地下水对结 构 的影 响 考虑与工程实际相结合 将喷混凝土分为两个阶段 早期喷混凝土和喷混凝土硬化阶段 根据有关材料 喷混凝土 软 弹性模量 E 取 5 0 0 0 0 0 0 KN m
10、泊 松 比 u 取 0 2 表 2 表 3 表 4 图 3 表 2 岩土材料特征值 号 1 2 名称 全风化 强风化 弹性模量 E k N r n 2 5 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 泊松 比 u 0 4 5 0 4 容重 Y k N m3 1 7 2 0 容重 饱和 k N m 3 1 7 2 0 粘聚力 C k N mz 5 0 8 0 摩擦角 2 0 2 2 抗拉强度 k N m2 O 0 Ko O 8 2 O 67 表 3 结构材料特征值 弹性模量 E 泊松比 重量密度 Y 材料号 名称 k N m2 u k N ma 3 喷混凝土 软 5 0 0 0 0 0 0
11、O 2 2 5 4 喷混凝 土 硬 2 3 0 0 0 0 0 0 O 2 2 5 5 组合套拱 3 1 0 0 0 0 0 0 O 2 2 5 6 衬砌混凝土 3 1 0 0 0 0 0 0 O 2 2 5 7 桩 3 1 0 0 0 0 0 0 O 2 2 5 导洞 回填 8 2 8 0 0 0 0 0 0 O 2 2 3 混凝 土 表 4 结构材料 的截面信息 特性号 类 型 名称 截面 几何尺寸 m H 1 0 2 5 l 梁 导洞喷混凝土 矩形 B l 1 r 蚕1 菩 阿 U 齐琳 等4车道公路 隧道软弱 围岩段施工方法探讨 H O 35 2 梁 主洞喷混凝土 矩形 B 1 临时竖
12、撑 H 0 2 5 3 梁 矩形 喷混凝土 B 1 组合套拱 H 0 7 5 4 梁 矩形 钢筋混凝 土 B 1 拱墙 衬砌 H 0 3 5 5 粱 矩形 钢筋混凝土 B 1 底板衬砌 H O 7 5 6 梁 矩形 钢筋混凝土 B 1 H 0 75 7 梁 桩钢筋混凝 土 矩形 B 1 备注 由于桩在纵向的不连续性 需要将其按照刚度等 效的原则换算为墙 然后以等效厚度的墙代替柱来进行平面 框架有限元分析计算 J l l i 一 H一 卅 I 1 0 I I 1 卜 1 I l l f 卅一 f l e i I r 仆 f 1 l J l f 睡 0 l 1 l l L 籍 l l l l I
13、i l l f f f I I 1 一 I I J 图 3 单元网格图 计算结果较多 限于篇 幅 选取以下 3 种不利工 况来说 明问题 1 初喷 含导洞 主洞 最不利工况 一 丁 l审 目 I 工 莲 婺 辫 瓣 8菝 菲 t 丰 二 艄 姑 一 r 一 L J 1 I L L H 1 1 rL 1 一 一 f 图 4 拱部初喷扣拱完成 对于初喷混凝土 经检查计算各 阶段 发现初喷 混凝土 含导洞 主洞 最不利工况发生在拱部初 喷 扣拱完成时 这时主洞弯矩最大值为 1 6 2 k N m 轴 力为 6 8 7 k N 在主拱 中部 左侧 导洞 弯矩最大值 为 2 9 k N m 轴力为 8
14、9 2 k N 在导洞与主拱相接处下部 图 4 图 5 图 6 经验算初 喷混凝土满足强度要 求 在初喷混凝土扣拱完成后 由于 7 5 c m厚组合 套拱的实施 组合套拱分担了大量后续施工 阶段增 单位 k N m 图 5 初喷弯矩 图 2 7 9 6 单 位 k N 图 6 初 喷轴力图 加的力 使得初喷混凝土应力没有再增加 主拱最 大应力发生在拱部左侧是因为拱部左侧先于右侧施 工 2 组合套拱 桩最不利工况 对于组合套拱 桩 经检查计算各 阶段 发现组 合套拱 桩最不利工况 不是发生在 同一 施工 阶段 组合套拱最不利工况发生在拱部组合套拱 完成时 桩最不利工况发生在两侧导洞拆除后 组合套
15、拱弯 矩最大值 为 4 6 2 k N i n 轴力 为 1 8 2 0 k N 在 主拱两 侧 桩弯矩最大值 为 3 6 5 k N m 轴力为 3 5 3 6 k N 在 桩与导洞相接处 经验算组合套拱 桩满足强度要 求 组合套拱随着主洞 内部开挖 主拱两侧支点下 移 使得两侧应力增加 主拱应力减小 桩随着主洞 内部开挖 由原来位于土体下逐渐显露出来 应力最 大处发生在桩的顶端 图 7 一图 1 2 ll f I I LLl L j 1 U r T k NVT 厂厂 l 卜 H l 至 耳 H H 1 一 十 r 二f 捌 捌 瓣 斗 u 二 鬻 H I i l 卜 I f I 卜 十 图
16、 7 拱部组合套拱完成 1 7 公路隧道 2 0 1 0年第 4 期 总第 7 2期 单位 k N m 图 8 组合套拱 桩弯 矩图 单位 k N 图 9 组合套拱 桩轴力图 图 1 0 两侧导洞拆除 单位 k N m 图1 1 合 享 拱 桩 弯 矩 囤 3 衬砌最不利工况 衬砌最不利工况发生在衬砌完成时 其底板弯 矩最大值 1 4 2 k N I T I 轴力为 2 9 8 k N 拱墙弯矩最大 1 8 2 6 6 3 59 1 3 1 7 单位 k N 图 1 2 组合套拱 桩轴力图 值为 4 k N 1 T I 轴力为 2 1 k N 经验算衬砌混凝土拱 墙 3 5 c m厚 底板 7 5 c m厚满足相关规范要求 图 1 3 一 图 1 5 一 单位 k N m 图 1 4 衬砌弯矩图 单位 k N 图 1 5 衬砌轴力图 3 双侧壁导坑法在特大跨公路隧道的 应用 3 1 双侧壁导坑法结构设计 双侧壁导坑法也称眼镜法 其实质是将大跨度 齐琳 等4车道公路 隧道软弱 围岩段施工方法探讨 分成 3 个小跨度进行作业 即双侧壁导洞和中部 其 双侧壁导洞尺寸以满足机械设备和施工条件为