改進的雙側壁導坑法施工安全性分析

郭 杰

(中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳 5 18000)

0 引言

雙側壁導坑法在當前隧道施工過程中應用較為廣泛，而傳統雙側壁導坑法存在施工工序較多、施工速度較慢、施工循環距離較長、臨時支撐較多、斷面閉合時間較長等不足，對該工法進一步改進研究具有重要的現實意義。

目前就雙側壁導坑法施工安全與關鍵施工技術問題，國內外學者主要是采用理論、數值分析法進行研究和對施工工法應用進行探討。文獻［1-5］主要通過對雙側壁導坑法施工過程進行理論分析后建立模型，采用釋放荷載法，通過數值模擬分析找出工法中的關鍵節點和步驟，提出相應的技術措施;文獻［6-7］主要通過有限元模擬等數值方法分析圍巖的變形、應力及支護結構的受力狀況，對雙側壁導坑法各工序的作用機制和效果進行研究，旨在為設計和施工提供參考依據;文獻［8-9］主要是在工程實例經驗總結的基礎上，通過在雙側壁導坑法增加橫通道等措施，對開挖工序進行優化分析，并對應用效果進行了對比;文獻［10-12］主要是對繁華城區、超大斷面、大跨度等特殊條件下應用雙側壁導坑法的關鍵技術進行研究，如控制爆破技術、留核心巖臺的整體式襯砌技術、監控量測技術以及超前地質預報等技術。而對雙側壁導坑法的改進，并從數值分析和工程實例論證2方面進行研究的論文較少。

本文以深圳市紅棉路隧道工程為背景，在傳統雙側壁導坑法的基礎上對隧道的開挖分部進行了適當調整改進，進一步通過二維數值模擬計算分析論證該開挖工法的施工安全性，并對其應用效果進行分析。

1 改進的雙側壁導坑法施工介紹

1．1 傳統雙側壁導坑法施工順序

見圖1。

其具體施工工序為:1)施工超前大管棚、超前小導管;2)左側導坑上臺階開挖支護;3)左側導坑下臺階開挖支護;4)右側導坑上臺階開挖支護;5)右側導坑下臺階開挖支護;6)中部上臺階核心土開挖支護;7)中部下臺階核心土開挖支護;8)拆除臨時支護;9)二次襯砌施工。

1．2 改進的雙側壁導坑法施工順序

見圖2。

圖2 改進的雙側壁導坑法施工工序圖Fig．2 Construction sequence of optimized double side drift method

其具體施工工序為:1)施工超前大管棚、小導管;2)左側導坑上臺階開挖支護;3)右側導坑上臺階開挖支護;4)中部核心土上臺階開挖支護;5)中部核心土中、下臺階開挖;6)左側導坑下臺階開挖支護;7)右側導坑下臺階開挖支護;8)中部下臺階核心土開挖支護、拆除臨時支撐;9)二次襯砌施工。

1．3 兩者不同點

改進的雙側壁導坑法不同于傳統的施工方法，主要體現在以下方面。

1)從整個隧道開挖斷面的分塊上，上半斷面與傳統的雙側壁導坑法一致，但下半斷面開挖分塊明顯不同，左、右兩側的下導坑開挖面積很小，保證能夠施作下半斷面隧道邊墻的初期支護即可。

2)從整個開挖斷面臨時支護的施作上，僅在上半斷面各開挖分部施工時施作臨時豎向支撐和水平仰拱。

3)從開挖順序上，先開挖上半斷面左、右兩側的導坑，再開挖上半斷面中部的核心土，而后再開挖下半斷面左、右兩側的導坑，最后開挖下半斷面中部的核心土。

4)為縮短開挖工作面與隧道二次襯砌的距離，各施工工作面基本呈直立狀，同時為保證隧道工作面的穩定性，對施工工作面進行了加固處理。

2 改進的雙側壁導坑法安全性分析

2．1 計算模型及參數

2．1．1 計算模型

計算模型為:距離隧道開挖外緣3倍洞跨作為左右邊界，距離底板底3．5倍開挖高度作為下邊界，地表作為上邊界。有限元模型如圖3所示。模型高60 m，寬120 m(隧道居中)。位移邊界取模型的側面和底面，水平位移由側面限制，垂直移動由底部限制，地面為頂面。

圖3 二維計算模型網格圖Fig．3 2D calculation model

2．1．2 計算參數

以深圳市紅棉路市政工程為實例，其設計參數為:初期支護采用C20噴射混凝土加錨桿，雙層鋼筋網和格柵鋼架支撐(縱向間距為0．5 m)支護，噴層厚度為35 cm，臨時支護厚度為25 cm;錨桿長度為4．0 m，直徑25 mm;預支護系統采用φ159 mm大管棚+超前小導管注漿進行支護;二次襯砌采用C30模筑混凝土。圍巖和支護結構采用的計算參數如表1和表2所示。計算模型中，采用平面應變單元、Mohr-Coulomb材料模擬地層;采用梁單元模擬初期支護和臨時支護，彈性材料模擬;采用平面應變單元、彈性材料模擬二次襯砌。

2．1．3 路面荷載

參考C JJ77—1998《城市橋梁設計荷載標準》，根據隧道跨度，取跨度為2～20 m城-A級荷載，并考慮汽車沖擊荷載，選取沖擊系數為0．4，組合得到最終路面超載模式及量值如圖4所示。

表1 圍巖物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

表2 支護結構物理力學參數表Table 2 Physical and mechanical parameters of supporting structure

圖4 路面荷載Fig．4 Road surface load

2．2 計算結果與分析

2．2．1 豎向位移計算結果與分析

改進的雙側壁導坑法各主要施工步完成后豎向位移如圖5所示，并選取了地表中點和拱頂特征點作為監測點，豎向位移變化如圖6所示。

圖5 改進的雙側壁導坑法主要施工部豎向位移云圖Fig．5 Contour of vertical displacement induced by main construction steps of double side drift method

圖6 改進的雙側壁導法地表中點及拱頂特征點豎向位移隨施工步變化曲線圖Fig．6 Vertical displacement of central point of ground surface and crown point of optimized double side drift method Vs construction steps

1)施作二次襯砌以后隧道上方地表出現明顯的沉降槽曲線，寬度約為66 m(約4倍洞跨)，地表沉降最大值為223．76 mm，出現在隧道上方地表中點。

2)總體上地表中點和拱頂特征點的沉降隨施工步進行逐漸增大，開挖中間上部核心土上臺階、左、右側導坑下臺階、右側導坑上臺階這幾個工序引起的地表和中部拱頂的沉降較大，為位移控制的關鍵工序。左、右側導坑下臺階施工時產生較大沉降的原因在于計算中沒有考慮拱腳鎖腳錨桿的作用影響，開挖后造成上部支護結構懸空，導坑上部拱腳隨荷載釋放而產生較大沉降。

3)影響左導坑拱頂沉降最大的工序是開挖左側導坑上、下臺階，占累計沉降量的82．69%;影響右導坑拱頂沉降最大的工序是開挖右側導坑上、下臺階以及臨時支護拆除，占累計沉降量的86．96%。

2．2．2 水平位移分析

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改進的雙側壁導坑法水平位移如圖7所示。

表3 改進的雙側壁導坑法地表中點及拱頂特征點豎向位移變化情況Table 3 Variation of vertical displacement of central point of ground surface and crown point of optimized double side drift method

由圖7可知:

1)開挖左、右側導坑上臺階、中間上部核心土過程中最大水平位移位于臨時支護中間位置，且隨施工進行有所變化。

2)開挖左側導坑下臺階和右側導坑下臺階時，由于沒有臨時支護對核心土側向變形的控制，可能導致核心土側土體產生較大的擠入水平位移，存在一定安全風險。但由于這2個工序開挖面積較小，且最終核心土會被挖除，當導坑上臺階開挖、及時支護并施作鎖腳錨桿后造成的地表沉降量應大為減小，只要工序施工時確保快速，根據實際位移變化情況采取噴錨支護等適當措施控制凈空收斂位移，可以確保施工安全。

3)開挖中間下部核心土、拆除臨時支護并施作仰拱初期支護以后邊墻處的水平位移最大，左邊墻最大水平位移為 245．82 mm，右邊墻最大水平位移為247．36 mm。施作二次襯砌以后，水平位移基本沒有變化，最大水平位移為245．76 mm。

4)在模擬施工過程中，由于邊墻錨桿僅作為安全儲備，所以計算得到的水平位移偏大。

2．2．3 圍巖塑性區分析

改進的雙側壁導坑法圍巖塑性區分布如圖8所示。由圖8可知:

1)由于隧道所處軟土地層，圍巖強度很低，開挖對圍巖產生較大擾動，使隧道周邊較大范圍內的土體應力重分布，開挖輪廓周邊很大范圍內的土體達到應力屈服狀態，形成的塑性區范圍較大，易造成失穩破壞。

2)拱腳和墻角的圍巖由于應力集中作用，一直處于屈服狀態。拱腳塑性區向外擴展范圍大，開挖中間上部核心土中、下臺階時最為突出。拱腳不穩下沉很容易造成圍巖和支護的整體下沉，對控制地層位移非常不利。因此，應及時施作鎖腳錨桿，確保施工安全。

3)開挖隧道下半斷面以后，邊墻部位也出現了較大的塑性區，應當重視邊墻錨桿和注漿對邊墻圍巖的加固作用，防止塑形變形不斷發展，使水平位移過大，造成侵限。

2．2．4 支護內力分析

改進的隧道雙側壁導坑法支護結構的軸力和彎矩分布如圖9和圖10所示，支護結構各特征部位在臨時支護拆除前后內力值分布如表4和表5所示。

圖7 改進的雙側壁導坑法主要施工步水平位移云圖Fig．7 Cloud of horizontal displacement induced by main construction steps of optimized double side drift method

由表4和表5計算結果可以得出:

1)改進的雙側壁導坑法臨時支護拆除后，隧道支護結構的軸力、彎矩絕對值均增大明顯。拆除臨時支護過程中應密切關注支護結構受力變化，分段拆除。

2)改進的雙側壁導坑法臨時支護拆除前后，初期支護軸力從拱頂到拱腳都比較均勻，且均受壓，在左、右導坑拱腳偏上方軸力達到最大。初期支護彎矩最大值在臨時支護拆除前后都位于墻腳處，可見墻腳處由于圍巖應力集中對此處支護受力產生不利影響。

圖8 改進的雙側壁導坑法主要施工步塑性區分布圖Fig．8 Distribution of plasticized zone induced by main construction steps of optimized double side drift method

由上述分析可知，采用改進的雙側壁導坑法進行施工時，在一定程度上能減少地表沉降，而水平位移則卻有一定程度的增大，但可以采取措施控制，隧道支護結構受力處于安全狀態，采用改進工法進行施工時隧道的施工安全能夠得到保證。

3 改進的雙側壁導坑法應用效果分析

1)縮短了施工循環長度，減小了對地面的影響范圍。采用傳統的雙側壁導坑法時施工循環距離一般為45～50 m。而采用改進的雙側壁導坑法對工序進行改進以后，將左、右側導坑上臺階掌子面錯距縮小為4 m左右，上半斷面中部核心土上臺階掌子面只滯后后開挖導坑上臺階掌子面4 m左右，左、右側導坑下臺階掌子面再依次滯后2 m，中部下臺階核心土掌子面錯開后開挖側導坑下臺階4 m，拆撐和二次襯砌保持緊跟，再依次滯后2 m和2 m。這樣總的施工循環距離大約為16 m，與傳統工法相比施工循環距離縮短了一半，由隧道開挖施工引起的地面沉降等影響范圍也大大減小。

圖9 改進的雙側壁導坑法臨時支護拆除前后軸力分布云圖Fig．9 Contour of distribution of axial force of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling

圖10 改進的雙側壁導坑法臨時支護拆除前后彎矩分布云圖Fig．10 Contour of distribution of bending moment of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling

2)減小了下半斷面左、右導坑的開挖面積，縮短了斷面閉合時間，控制地面沉降、增強隧道施工安全效果明顯。左、右兩側下導坑開挖施工過程中，上半斷面初期支護及臨時支護處于懸空狀態，此時極易導致隧道產生較大的整體下沉，下導坑開挖面積越大，所需的開挖時間就越長，產生變形和下沉的風險就越高。改進的雙側壁導坑法減小了下半斷面左、右導坑的開挖面積，能夠加快下導坑邊墻初期支護的施作，有利于整個隧道的施工安全;各施工工作面開挖基本呈直立狀，縮短了工作面至二次襯砌的距離;同時，該工法大大縮短了整個隧道斷面支護結構的閉合時間，對控制地面沉降、增強隧道施工安全效果明顯。

表4 改進的雙側壁導坑法拆除臨時支護前后特征部位初期支護軸力Table 4 Axial force at critical points of primary support of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling kN

表5 改進的雙側壁導坑法拆除臨時支護后特征部位初期支護彎矩Table 5 Bending moment at critical points of primary support of tunnel constructed by optimized double side drift method after temporary support dismantling kN·m

3)加快了施工進度，降低了工程投資。在進行下半斷面開挖施工時，由于下半斷面的豎向臨時支撐不再施作，故大大減少臨時支護工程量，加快了施工進度，降低了工程投資。

4 工程實例

深圳市紅棉路隧道工程下穿機荷高速公路收費站，隧道為上下行雙洞六車道。隧道中線與高速公路為45°～58°夾角斜交，左線長約 175 m、右線長約190 m，如此長距離下穿高速公路，在國內尚屬首例。隧道中心間距為38．3～43．5 m ，埋深6～8 m，暗洞口位于公路邊坡上，埋深2～3 m。隧道斷面為橢圓形，跨度16 m，高12 m。一般認為，隧道覆跨比(H/D)小于0．6時為超淺埋，故該隧道屬大跨度超淺埋隧道。

地質情況主要為人工素填土、第四系沖洪積淤泥質土、粉質黏土、粗砂及殘積黏土，強風化泥質砂巖，松散或松軟結構。地下水小股流水或可出現股狀流水，少量滲水，圍巖開挖后無自穩能力、易坍塌，需進行支護和采取防水措施。隧道洞身基本處在高速公路回填路基內，局部存在軟土地基，隧道圍巖為Ⅵ級，屬于軟弱破碎圍巖。

針對紅棉路隧道下穿高速公路距離長、開挖跨度大、埋深淺、圍巖軟弱、施工難度高、安全風險大、對周圍環境影響顯著等特點，設計采用在超前大管棚和注漿小導管的保護下雙側壁導坑開挖法。在工程實踐中，經歷了2個階段:第1階段采取傳統的雙側壁導坑法，地表沉降累計最大值為432．79 mm，凈空收斂最大值為74．55 mm，拱頂下沉累計最大值為135．72 mm;第2階段經過研究和試驗驗證后，采用了改進的雙側壁導坑法進行施工。第2階段與第1階段相比，取得了良好的效果。施工過程中，典型斷面地表最大沉降為251．83 mm，最大凈空收斂為 10．31 mm，拱頂最大下沉量為23．92 mm。監測量測數據反映的地面沉降、拱頂沉降和隧道收斂如圖11—13所示。

圖11 典型斷面地表累計沉降變化曲線圖Fig．11 Curves of accumulated ground surface settlement of typical cross-section

圖12 典型斷面拱頂累計沉降變化曲線圖Fig．12 Curves of accumulated crown settlement of typical cross-section

圖13 典型斷面隧道收斂累計沉降變化曲線圖Fig．13 Curves of accumulated convergence of typical cross-section

5 結論與探討

1)在傳統雙側壁導坑法的基礎上，提出了改進的雙側壁導坑法。該工法下半斷面左、右兩側的導坑只要能保證施作邊墻的初期支護即可，因此開挖面積較小;下半斷面開挖過程中不再施作開挖斷面下部2道臨時支撐;另外縮短了開挖工作面與隧道二次襯砌的距離，各施工工作面基本呈直立狀。

2)通過數值計算分析得出，在該地層條件下，采用改進的雙側壁導坑法進行施工時，與采用傳統工法相比，地表沉降有所減小，而水平位移則有一定程度的增大，隧道支護結構受力處于安全狀態，在較硬質地層或風化巖層中能夠保證隧道的施工安全。

3)通過工程實踐可知，改進的雙側壁導坑法縮短了施工斷面閉合時間和施工循環距離，對減小地面沉降和影響范圍效果明顯，臨時支護工程量的減少節省了工程投資，能產生良好的經濟效益，同時也加快了施工速度。

改進后的雙側壁導坑法對豐富隧道施工技術具有一定的實際意義，并可為其他類似環境下的隧道施工提供參考。本文對該工法進行安全性分析暫時只考慮在較硬質地層或較好的風化巖層中，并不適用于第四紀地層中。另外，在長距離超淺埋下穿高速公路的情況下，地面車輛動荷載對隧道采用該工法開挖時產生的影響，以及在施工進度指標和經濟效益分析方面，還有待進一步探討。

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