小关大跨度连拱隧道的设计与施工

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1、小关大跨度连拱隧道的设计与施工刘胜利　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:Theprojectunderquestion,LargespanprojectatXiaoguan,isoneofthekeyprojectsforRingLineNorth.Longspan,withmulti-arc

2、h,brandnewconfiguration,complicatedinforcebearing,andtheprojectissituatedinfaultzone.Thispapermakesabriefdescriptionofconstructionatportal,andliningjobs.Keywords:longspantunnel，faultyzone，middlebulkhead.101　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

3、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102.1　洞口设计小关隧道进出口端均位于Ⅱ类围岩地段

4、，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

5、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42mm10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25cm25

6、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。10Ⅱ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。（

7、a）轴力图(单位：kN)（b）弯矩图（单位：kN）3.2　结果分析计算结果见表2和表3。表2　Ⅱ类围岩不同施工阶段洞室收敛位移及洞室周边围岩最大主应力计算结果施工阶段最大位移（㎜）收敛比（％）围岩中最大主应力（KPa）竖直水平拱顶隧底中墙边墙水平拱顶左洞开挖后-0.3510.6090.3970.2290.0010.0042080.2左洞封闭式衬砌完-0.2041.3420.4070.2350.0020.0032265.8右洞开挖后-0.4542.2741.4340.4060.0040.0051964.0右洞封闭式衬砌完-0.7322

8、.6280.439-0.3990.0070.0092920.5表3　Ⅲ类围岩不同施工阶段洞室收敛位移计算结果施工阶段最大位移（㎜）收敛比（％）竖直水平拱顶隧底中墙边墙水平拱顶左洞开挖后-1.9141.3351.1380.6190.00