軟弱圍巖大斷面小凈距隧道施工技術

高興隆

隧道設計規范規定[1，2］:兩相鄰單線隧道間的最小凈距，應按圍巖地質條件、隧道斷面尺寸及施工方法等因素確定，一般情況，在Ⅴ類 ～Ⅳ類圍巖中為(2.0～2.5)B，在Ⅲ類圍巖中為(2.5～3.0)B，B為隧道開挖寬度。隨著我國城市的不斷發展，淺埋特大斷面小凈距隧道將愈來愈多，因此，研究軟弱圍巖淺埋特大斷面小凈距隧道施工方法具有重要的現實意義。

1 工程概況

西北某隧道場址區屬低山丘陵地貌，地形起伏大，線路沿北西向穿越低山丘陵區，地質復雜，施工難度大。隧道為上下行分離的雙向八車道高速公路隧道，全長860m。隧道最大埋深約為68m，洞口淺埋段埋深6m～15m，從外到內穿越Ⅴ，Ⅳ級圍巖，主要巖性為強風化花崗巖。隧道最大毛洞開挖跨度B為18m，高度11m，左右洞最小凈距W為10m，屬于淺埋特大斷面小凈距隧道[3，4］。

2 Ⅴ級圍巖小凈距隧道開挖支護方案優化

2.1 現場監測分析

隧道淺埋段采用雙側壁導坑法開挖，表1和表2分別為典型斷面隧道周邊位移和拱頂下沉監測結果。

表1 隧道周邊位移監測結果

表2 隧道拱頂下沉監測結果

由表1，表2可見，初期支護最大收斂值只有1.45mm，拱頂最大下沉值為5.87mm，都遠小于規范規定的允許限值。可見，雙側壁導坑法能充分保證隧道圍巖的穩定性，但由于設計雙側壁導坑開挖支護方法施工工序繁多，工效低，因此，為實現隧道早日貫通，在保證結構安全的前提下，可對隧道支護形式進行簡化與優化，以加快施工進度節省工期。下面利用數值模擬技術[5］對Ⅴ級圍巖段中典型斷面進行數值模擬，確定合理的優化方案。

2.2 支護優化數值分析

雙側壁導坑開挖法施工工序如下:1)開挖左側導坑上臺階;2)施工上臺階初期支護和臨時支護，施工上臺階鎖腳錨桿;3)開挖左側導坑下臺階;4)施工下臺階初期支護和臨時支護(必要時邊墻腳設置鎖腳錨桿);5)開挖右側導坑上臺階;6)施工上臺階初期支護和臨時支護，施工上臺階鎖腳錨桿;7)開挖右側導坑下臺階;8)施工下臺階初期支護和臨時支護，施工上臺階(必要時邊墻腳設置鎖腳錨桿);9)開挖中部上臺階上部分;10)施工拱部初期支護;11)開挖中部上臺階下部分;12)施工中部臨時仰拱;13)開挖中部下臺階;14)施工仰拱初期支護;15)施工仰拱第二層初支;16)施工仰拱二次模筑襯砌;17)拆除臨時支護(一次拆除縱向長度小于2m);18)施工邊墻及拱部第二層初期支護;19)分步施工防排水系統和邊墻、拱部二次模筑混凝土襯砌。如圖1所示，以下稱作方案1，優化變更方案則是在設計方案中取消第二層初支結構，將二襯結構厚度調整為75cm，以下稱作方案2。建立二維有限元模型，對兩種方案進行數值計算，比較隧道圍巖位移、應力變化，進而確定科學合理的優化方案。

圖1 雙側壁導坑法示意圖

1)隧道圍巖位移分析。位移場的分析主要考慮開挖后圍巖的豎向位移的大小，同時考慮中間巖柱側壁的水平位移，本研究分析左右洞的關鍵位置拱頂、拱腰和中間巖柱的位移情況。計算結果顯示，隧道開挖后，圍巖最大豎向位移為-3.578mm，在右隧道拱頂，圍巖最大水平位移為-1.684mm，同樣是出現在淺埋的右隧道。表3為兩方案開挖引起洞室的主要位移結果對比，從表3中可知，方案2對水平位移影響很小，主要對拱頂豎向位移有影響，兩洞室的拱頂沉降都比方案1要多下沉0.14mm。拱頂最大下沉為-3.578mm，而已開挖并支護的同一圍巖級別的斷面的拱頂下沉監測值為-4.78mm，由于模擬斷面(未開挖)與已開挖斷面隧道埋深不同，可以近似認為兩種方法得到的值一致，因此數值模型參數取值及邊界條件是合理的。

表3 兩方案主要位移計算結果匯總 mm

圖2為拱頂隨開挖步的沉降圖，開挖第2)步～第8)步為左洞開挖和初期支護段，因此這期間右洞拱頂變化很小，其值主要是由左洞開挖引起的，而在9)步～15)步時，為右洞開挖和支護段，因此這期間左洞拱頂變化小。從圖2中可知，兩洞在開挖到靠近中間巖柱一側時，拱頂都有較大的變形，尤其是右洞開挖這側時(第11)步)拱頂有一個明顯的下沉，左洞拱頂變化相對小些，而左洞在挖核心土時(第6)步)，對拱頂的下沉也引起了一個較大的變化。方案1和方案2由于主要是在第二道支護和二襯上的不同，因此在洞室的前14步兩洞室拱頂下沉曲線是重合的，而從第15)步拆除臨時支護后，方案2的兩洞室拱頂沉降要大于方案1。

圖2 洞室拱頂隨開挖步的沉降圖（單位：mm）

2)隧道圍巖應力分析。計算分析可知隧道開挖后，方案1和方案2的圍巖最大拉應力都出現在左隧道的左拱腳處，最大值分別為104 909 Pa和109 784 Pa，方案2比方案1最大主應力增加了3.6%，方案2隧道圍巖最大拉應力值增大了，圍巖的抗拉強度1mPa;最大壓應力都出現在左隧道靠近中間巖柱的墻中處，其值分別為-1.47mPa和-1.46mPa;兩方案在兩隧道的墻角處和中間巖柱中心都出現了應力集中。隧道圍巖主要應力計算結果匯總列于表4。由表4可知，方案2在隧道開挖后襯砌應力均有增加，但最終襯砌最大壓應力值未超過C30混凝土的抗壓強度設計值(13.3mPa)，最大拉應力也未超過C30混凝土的抗拉強度設計值(1.33mPa)。

表4 圍巖主要應力計算結果對比mPa

3)對比分析結果。隧道圍巖的變形、應力等方面對兩種方案對比分析如下:

a.采用優化方案2，在拱頂下沉和水平方向的位移比方案1分別大0.14mm和0.082，兩方案位移變化不大，且最大變形都在規范規定以內。b.方案2圍巖最大的應力要略比方案1大，但沒超過襯砌的抗壓強度和抗拉強度。c.對于塑性區的范圍，方案2最大塑性變形為0.403mm，方案1最大塑性變形為0.402m，兩方案塑性區范圍大致一樣。

通過以上數據的對比，兩方案支護各方面對比變化都不大，各種變形都在規范規定之內，對此圍巖級別斷面，所采取的開挖和支護都是合理的。綜合考慮工程實踐，優化開挖支護方案2與設計方案1相比，通過減少工序與支護措施[6］，有效提高施工功效，能充分保證圍巖穩定，實現隧道盡早貫通。因此，優化開挖支護方案2是安全可行的。

3 結語

根據以上對已開挖斷面的位移監測分析及數值分析對比知，優化變更開挖支護方案能充分保證小凈距隧道圍巖穩定，施工功效顯著提高，經濟效益顯著。Ⅴ級圍巖下采用優化的單層支護方案，取得直接成本節約77萬元，工期效益23萬元，共計節約100萬元。現場監測數據顯示:左側拱頂測點最大累計下沉3.50mm，水平累計收斂最大為1.2mm，隧道圍巖穩定。

[1]姚 勇，何 川，謝卓雄.雙線小凈距隧道中巖墻力學特征及加固措施研究[J］.巖土力學，2007，28(9):1884-1888.

[2]JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S］.

[3]段慧玲，張 林.大跨度公路隧道合理開挖方法對比研究[J］.土木工程學報，2009，42(9):114-119.

[4]王應富，蔣樹屏，張永興.四車道隧道動態施工力學研究[J］.公路交通科技，2005，22(6):134-137.

[5]靳曉光，劉 偉，鄭學貴.小凈距偏壓公路隧道開挖順序優化[J］.公路交通科技，2005，22(8):61-64.

[6]劉艷青，鐘世航.小凈距并行隧道力學狀態的試驗研究[J］.巖石力學與工程學報，2000，19(5):590-594.