軟弱地層大斷面隧道開挖研究

黃 佳

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家發展西部經濟戰略的制定，大斷面隧道逐漸成為交通建設的首選[1]。現階段由于經濟發展的需要，我國西北部大量山嶺隧道在建設，其中大部分為大斷面隧道，但由于西北地貌以高原、盆地和山地為主，地質條件復雜，土層自穩性差，大量的施工技術人員在不停地探索軟弱地層大斷面隧道施工的新技術和新方法。

國內外對隧道施工的研究方法很多，主要有PECK等人采用的理論法[2]、工程對比法等。1934年奧地利人L.V.拉布采維茨采用將噴漿方法用于地下工程[3]，隨后20世紀70年代意大利Pietro Lunardi教授創立了巖土控制變形分析法[4]，采用理論分析和現場監測綜合分析方法作為隧道安全施工的依據。本文采用這種新方法結合現場施工監測數據進行分析和研究。

1 工程概況

本文以在建蘭渝鐵路桃樹坪隧道為背景。桃樹坪地區屬于典型的西北飽和粉細砂土層，自穩性弱，物理性質差，同時容易受地下水影響出現管涌。桃樹坪隧道位于蘭州車站站端，起止里程樁號為DK3+435—DK6+655，全長3 220 m。隧道隨著地勢的起伏采用低進高出的設計方案，隧道進出口高程相差200 m左右，隧道平均埋深為60 m左右。工程地層情況如表1。

表1 工程地層

根據隧道設計圖紙，施工采用底部雙洞先行法，如圖1，具體施工過程為：1斷面—2斷面—3斷面—4斷面—5斷面—6斷面依次開挖，各斷面掌子面相互滯后2 m左右，在斷面施工完成后及時進行超前加固和初級支襯。各斷面施工時注意鋼拱架的及時加長，當6斷面施工完成后及時施做仰拱，使襯砌封閉成環。

圖1 隧道施工示意圖

2 監測與分析

隧道施工區域土層存在大范圍的粉細砂，自穩性弱，物理性質差，因此在隧道斷面采用5 m選取一個斷面進行監控，監測項目分別為各重要節點圍巖應力。具體監控點布置如圖2，根據圣維南原理選取中間斷面DK5+177.97為分析斷面。

圖2 監測點布置

2.1 拱頂圍巖應力分析

根據監測的數據與監測時間段繪制圖表如圖3，從圖中分析可以看出在施工初期拱頂的圍巖應力處于平穩狀態，由于圍巖的自穩性較差，隨著5斷面核心土的施工，從第6天到第10天，應力出現了突變，應力從剛開始的12 kPa陡然躍升至74.7 kPa，應力增長522.5%，平均每天應力增加15.67 kPa。在核心土開挖中間臨時支撐施做后，第10天～第38天應力出現了新的平穩階段，到第38天圍巖應力為88.0 kPa左右，應力增加不大，圍巖出現新的穩定。隨著6斷面的開挖，第38天～第62天曲線出現新的突變，圍巖應力從88 kPa躍升為182 kPa，應力增長106.8%。仰拱開挖完成施做仰拱初襯后，第65天左右出現了一個短暫的應力下降，下降幅度不到20 kPa，在下降之后又出現一個短暫的應力增加，增加幅度為30 kPa左右。在施做二襯后第90天左右圍巖應力基本趨于穩定，最終拱頂圍巖應力穩定在240 kPa左右。

圖3 拱頂圍巖應力曲線

2.2 拱腰圍巖應力監測分析

根據拱腰監測數據繪制圖如圖4，從左拱腰圖可以看出隨著1斷面開挖左拱腰圍巖應力一直在增長，一直到第22天左右圍巖應力增長最大值為84 kPa左右，初襯施做完成后，第22天～第37天圍巖應力出現平穩下降，從84 kPa下降到78 kPa左右，說明左拱腰初襯已經對圍巖起到約束作用。隨著2斷面施工，第37天～第40天圍巖應力出現了急速下降，圍巖應力從78 kPa下降到60 kPa左右。由于3斷面與4斷面施工，第40天～第62天圍巖應力又出現上升，圍巖應力從60 kPa增長到78 kPa左右。拱頂初襯支護施做后，第62天～第65天圍巖應力出現快速的下降，之后圍巖應力出現長久的平穩，最終測得的圍巖應力為22 kPa。

從右拱腰圖可以看出，隨著1斷面開挖及初襯的施做，第38天之前右拱腰圍巖應力一直趨于平穩，隨著2斷面施工，第38天～第55天右拱腰圍巖應力一直快速增長，從48 kPa增長到150 kPa，增長212.5%。初襯施做后，第55天～第62天圍巖應力出現一個短暫的平緩。隨著3斷面與4斷面開挖，第62天～第72天圍巖應力出現快速的增長，從150 kPa增長到290 kPa左右，增長93%。初襯施做后，第80天之后圍巖應力逐漸穩定，最終穩定圍巖應力為300 kPa左右。

圖4 拱腰處圍巖應力曲線

2.3 最大跨度圍巖應力監測分析

根據監測數據繪制最大跨度圍巖應力曲線如圖5。從左側最大跨度處圍巖應力可以看出，隨著1斷面開挖，第18天之前圍巖應力有個急劇增長的過程，第18天的圍巖應力為17 kPa，而同一時期拱腰的圍巖應力為80 kPa，遠小于同一時期的拱腰的圍巖應力。隨著1斷面初級支護施做，第44天圍巖應力又出現快速的下降，下降至不足10 kPa。2斷面開挖時左側最大跨度處再次出現圍巖應力急劇上升的現象，上升為25 kPa左右，仍然遠小于同期拱腰處的圍巖應力。第70天之后圍巖應力出現了平穩，監測的最終數值為20 kPa左右。

從圖5右側最大跨度處圍巖應力曲線可以看出，2斷面開挖之后圍巖應力有一個較大的上升，第4天圍巖應力上升為47 kPa。隨著2斷面支護施做完成，圍巖應力出現了下降，第30天圍巖應力為14 kPa。隨著之后的斷面開挖，右側圍巖應力又較緩慢地上升，從曲線可以看出右側最大跨度圍巖應力在2斷面初級支護完成后圍巖應力基本上處于平穩的上升階段，上升幅度不大，最終的監測數值為30kPa。

圖5 最大跨度處圍巖應力曲線

2.4 綜合分析

從3處監測點圍巖應力曲線可以看出，拱頂圍巖應力數值最大，而且整個監測期間圍巖應力基本上一直在上升，圍巖應力增加主要出現3斷面與4斷面開挖和5斷面核心土開挖3個施工階段。特別是3斷面與4斷面開挖，圍巖應力出現短期522.5%的增長，平均每天增長15.67 kPa。

對比左右拱腰圍巖應力曲線圖，可以看出右側拱腰圍巖應力要高于左側圍巖應力，說明在1斷面開挖后對土層的擾動較大。對比3斷面與4斷面施工時期左右拱腰的應力增長曲線，可以看出左拱腰圍巖應力從60 kPa增長為78 kPa，右拱腰圍巖應力從150 kPa增長到 290 kPa左右，圍巖應力增加140 kPa。對比3斷面與4斷面初級支護施做后圍巖應力變化情況，可以看出左側拱腰圍巖應力出現急劇的下降，左拱腰圍巖應力從78 kPa下降到30 kPa左右，而右側拱腰圍巖應力基本處于不變。

對比左右最大跨度處圍巖應力曲線圖，可以看出右側圍巖應力平均要高于左側，1斷面開挖引起的左側最大跨度圍巖應力最大值為17 kPa，而2斷面開挖引起的右側最大跨度圍巖應力在短期內迅速增加到47 kPa，說明相比1斷面，2斷面開挖更容易影響圍巖應力的變化。同時，對比左右側最大跨度曲線變化規律，可以看出后續施工對右側最大跨度圍巖應力影響更小，更容易控制和預測，而左側圍巖應力容易受到后續施工的影響。

3 小結

a）3、4、5斷面開挖容易導致拱頂圍巖的突變，應及時施做初級支護和鋼拱架的拼接，特別是臨時支護的施做應該在核心土開挖后，及時施做。

b）左側斷面開挖對土體的擾動較右側大，但是后續施工對右側土層的影響更平穩和規則，因此應在后續施工中將施工重點進行傾斜，這有利于分析施工側重點。

c）在開挖前兩個斷面時對土層擾動體現在拱腰處而非最大跨度處，在施做完前兩個斷面后應及時施做中間臨時襯砌，并對拱腰進行及時、高頻的監測，同時應加強對拱腰處臨時支護與永久支護剛度。