小关大跨度连拱隧道的设计与施工

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刘胜利　彭立敏　余晓琳　胡自林
【提　要】：小关隧道属贵阳市中心环北线项目关键工程之一，大跨连拱、型式新颖受力复杂并穿越断层地带。本文就洞口和衬砌等结构的设计作一探讨，并对施工阶段的相互影响进行了数值模拟，最后就施工事项进行了简要介绍。
【关键词】：大跨连拱隧道断层中隔墙

Abstract: The project under question, Large span project at Xiaoguan, is one of the key projects for Ring Line North . Long span, with multi-arch , brand new configuration , complicated in force bearing, and the project is situated in fault zone. This paper makes a brief description of construction at portal, and lining jobs.
Keywords: long span tunnel， faulty zone， middle bulkhead.

　　1　工程概况
      小关隧道全长273m，是贵阳市中心环北线项目的关键工程之一。隧道最大埋深为75m，局部地形陡峻；进、出口端均浅埋于Ⅱ类围岩中，地表为第四系残积粘土层，厚0～2m，局部为断层破碎物质，下伏基岩为三叠系中疏松泥质白云岩、灰岩，因此地质条件很差。其中进出口端的断层陡倾，节理发育，产状变化大，岩体破碎，且软硬质岩石相间，当地表水沿硬质岩渗透到软硬岩交汇处时，会迅速降低岩石的物理力学和化学性能，在掘进过程中易引起坍方掉块。
      隧道穿越城市山岭，受地理因素所限，上、下行线路无法分离，故设计成双跨连拱隧道形式。有关尺寸参见公路隧道设计规范的高速公路山岭地区隧道建筑限界，中直墙厚2m，上纵坡度为3‰。

      2　结构设计
      2.1　洞口设计
      小关隧道进出口端均位于Ⅱ类围岩地段，进口段地形等高线与线路中线成45°斜交，洞口上方左低右高的地形易产生偏压。设计的连拱形式毛洞宽24m，洞顶两侧地表高差7～8m，为抵抗偏压修建了明洞，长7m；洞门采用柱式结构，能起到抵挡仰坡下滑和增强端墙稳定性的作用，同时作建筑艺术的效果处理，右侧高边坡处设置10m长的挡墙，以降低边坡高度。出口也相应修建5m明洞,同样采用柱式洞门结构，在边坡高度已满足隧规要求的情况下省略挡墙布置，并在两端运用管棚进洞的辅助措施。
      2.2　衬砌结构设计
      隧道衬砌结构设计为双跨连拱结构形式，中隔墙为直线形，两侧边墙为曲线，边墙与拱圈内轮廓为单一的圆弧。依据新奥法原理指导设计与施工，衬砌结构采用复合形式，支护结构形式见图1。

图1　连拱隧道村砌结构图
      Ⅱ类围岩区域围岩松软，施工中周边围岩松动及位移不可避免，故在设计中采用I18型钢钢架支撑，并用热轧无缝钢管?42mm的超前小导管进行预支护。衬砌初期支护采用锚网喷形式，二衬定为钢筋砼结构。Ⅲ类围岩段设置钢花拱，可防止拱部产生较大的坍塌，同时也能保持侧壁的稳定，二次模注衬砌与Ⅱ类厚度等同。主要支护参数见表1。

表1　主要支护参数

	预加固	附加措施	初期支护	模柱衬砌		中墙顶部
				拱、墙	中墙、仰拱
Ⅱ类围岩	超前小导管	I18号型钢	锚喷，厚25cm	25号钢筋砼	25号素砼	钢筋砼支墩
Ⅲ类围岩	超前锚杆	钢花拱	网喷，厚25cm
明洞	/	/	/	25号钢筋砼

      3　数值模拟
      3.1　计算原理与模型
      采用空间弹塑性有限元方法对施工的不同阶段进行模拟计算。岩土类材料屈服条件表示为f(σ)＝K(k)，计算时采用Drucker-Prager屈服准则，建立其本构方程，然后由求得的各高斯点的强度发挥系数确定隧道围岩塑性区范围。
      Ⅱ类围岩浅埋隧道段向上计算范围取至地表，计算时不同岩体视为均匀介质，隧道围岩、初期支护用平面等参数单元模拟，二次衬砌锚杆分别用梁单元和轴力杆单元近似模拟。图2、图3即为相应的衬砌内力示意图。

　　　　　　　　　　　　　　　　（a） 轴力图(单位：kN)（b）弯矩图（单位：kN）

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