中巖柱單邊落地法施工大斷面隧道工藝參數研究

李 杰 上海鐵路局九景衢鐵路浙江有限公司

中巖柱單邊落地法施工大斷面隧道工藝參數研究

李 杰 上海鐵路局九景衢鐵路浙江有限公司

中巖柱單邊落地法是利用中巖柱將大跨度隧道分解為小斷面隧道，以降低隧道開挖的風險。以某大斷面公路隧道為背景，通過建立三維數值模型，主要分析了圍巖加固、中巖柱材料、中巖柱寬度、中巖柱高度等參數變化對隧道變形和穩定性的影響。由計算結果可知，圍巖加固、采用鋼筋混凝土中巖柱、增加中巖柱寬度、降低中巖柱高度具有正面影響。最后，通過實際工程的應用，驗證了數值計算結果的正確性，同時也證實了該方法具有一定的推廣價值。

大斷面隧道；中巖柱：施工參數

1 概述

隨著隧道技術的不斷發展，針對大斷面隧道施工已相繼出現了多種施工技術，如臺階法、CD法、CRD法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、柱洞法等，通常根據具體情況以其中一種為主，再輔以其他工法，以達到控制圍巖穩定的目的[1～4]。另外，隨著小間距隧道的增加，如何控制兩相鄰隧道間巖柱的穩定性是確保工程能否順利完工的重要條件，針對該內容國內外也開展了大量研究工作，并取得了一定成果。中巖柱單邊落地法就是借助小間距隧道加固中間巖柱的思路，通過預留或澆筑中間巖柱將大斷面隧道分隔為兩個小斷面隧道，從而增加隧道開挖施工的穩定性、降低對周圍環境的影響，是一種值得推廣的施工方法。本文以一大斷面公路隧道工程為背景，主要對中巖柱單邊落地法開挖大斷面隧道的施工工藝參數進行研究，以期對今后類似工程的施工提供借鑒。

2 工程概況

某公路隧道全長552 m，位于直線上，穿越丘陵區，隧道埋深0 m～39 m。隧道最大開挖斷面達到282 m2，開挖寬度19.5 m、高度14.5 m。隧道所處地層以灰巖為主，有溶洞等巖溶現象。隧道進口仰坡順層，易沿炭質頁巖層面等軟弱面發生順層滑動，含煤系地層。隧道所在山體地下水為孔隙水和基巖裂隙、溶隙水，節理裂隙較發育。

本工程主要呈現層狀巖層圍巖、大斷面、巖溶等特點，隧道開挖方法經綜合對比后采用中巖柱單邊落地法，開挖施工工序如圖1所示。

圖1 開挖施工工序圖

3 施工參數優化

本文采用FLAC3D數值計算軟件，對圍巖加固、中巖柱參數（材料、寬度、高度）對隧道變形和穩定性的影響進行計算分析，計算中巖體本構模型選用“理想彈塑性”模型，以摩爾-庫侖準則為屈服準則，并采用關聯流動法則，建立的模型如圖2所示。

圖2 三維模型圖

3.1 圍巖加固分析

為了對比分析圍巖加固對隧道開挖變形和穩定性的影響，針對Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級圍巖進行，對比了有、無加固時隧道的位移情況。需要指出的是加固主要是指超前地質加固，諸如超前導管等加固措施。

根據計算分析，得到不同圍巖等級下圍巖有無加固時隧道最大豎向和水平位移如圖3所示。由圖可知，圍巖條件越差，隧道開挖引起的變形越大，在采取了加固措施以后，隧道的變形得到了控制。因此建議在巖性較差或者地質條件比較復雜的情況下采取超前加固措施，減小由于圍巖過度變形給隧道帶來的不利影響。

圖3 位移對比圖

3.2 中巖柱分析

中巖柱的穩定性直接影響隧道整體結構的穩定性，本次主要通過研究中巖柱不同參數下的位移及應力變化情況來分析隧道的穩定性。計算內容主要包括：不同中巖柱材料（噴混凝土和原巖）、不同寬度（1.2 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m和4.0 m）和不同高度（6.9 m、7.9 m、8.9 m和9.8 m）

（1）不同中巖柱材料

計算得到V級圍巖條件下噴混凝土和原巖對比結果如表1所示。

表1 噴混凝土與原巖計算結果對比

由對比可知，無論是在位移與應力水平上，選用兩種材料都基本相同，中柱主要受壓，但未達到破壞，所以實際施工時可考慮采用原巖作為中柱，但是考慮到模擬計算時圍巖完整性相對實際要好得多，實際施工過程可考慮采取相應措施保證中柱的整體性，確保其開挖過程中不會發生破壞。由分析還可知，采用混凝土柱的條件下，相比較土柱來說，受力會更加均勻，實際中可控性會更好，不容易出現諸如軟弱面、裂縫以及巖石風化后引起的缺陷。

（2）不同中巖柱寬度

計算得到不同中巖柱寬度的結果表2所示，各施工工序下的最小安全系數如圖4所示。由計算結果可知，隨著寬度的增加，最大豎向位移在增大，但是增加水平并不明顯；最大主應力維持在-200 kPa左右，而最小主應力維持在-500 kPa，隨著寬度增加，應力在數值上變化不大，但就分布上來看，越來越均勻，較前幾種情況都有所改善，安全系數都有改善，所以綜合看起來，隨著寬度增加，隧道結構相對穩定,中巖柱寬度變化在寬度為1.2 m時其安全系數不能滿足最小3.0的要求，建議取1.5 m以上寬度。

表2 不同寬度中巖柱計算結果統計

圖4 各步序最小安全系數變化規律圖

（3）不同中巖柱高度

計算得到不同中巖柱高度的結果如表3所示，各施工工序下的最小安全系數如圖5所示。由計算結果可知，隨著中巖柱高度的增加，最大豎向位移有所減小，垂直應力變化由大變小，最大主應力基本在一個數量水平，根據變化規律可以看出，隨著高度增加，開挖過程中的最小安全系數在減小，最小時出現在第6、7步開挖時，9.8 m時已不能滿足規范最小3.0的要求，建議采用8.9 m以下的巖柱高度。

表3 不同中巖柱高度的計算結果對比

圖5 開挖過程安全系數變化圖

4 現場施工分析

根據上述計算結果，本工程在施工中采取了施工參數為：隧道圍巖采取了超前小導管注漿加固，中巖柱采用雙排I25b工字鋼混凝土柱支撐拱頂，基座為厚50 cm、寬2.5 m的C30混凝土，豎向中巖柱寬1.6 m，縱向間距0.5 m，中巖柱高度7.9 m，為了有效控制變形，中巖柱拆除距離選為5 m。中巖柱拆除施工步驟為：

（1）兩側落底分頭掘進，仰拱分三幅施工，左、右幅先行澆注，中幅（中心核心土處）仰拱后澆注。

（2）左、右側矮邊墻澆注。

（3）利用二襯鋼筋臺車靠近中巖柱搭設跳板（活動跳板，需加防護欄），人工用風鎬將A部的兩側混凝土破除，露出中巖柱工字鋼，取掉中巖柱工字鋼于拱部工字鋼鋼架的連接螺栓，每次拆除高度不超過1 m，縱向距離一次拆除3榀。如果變形過大，馬上恢復中巖柱支護。

（4）拆除B部混凝土及豎向中支撐工字鋼。

（5）采用控制爆破掘進C部及以下，必須控制炸藥用量，確保對二襯及側墻、仰拱已完工混凝土的保護。

（6）推進鋼筋臺車，繼續破除下一循環A部（中幅仰拱在開挖后與此同步施工）。

（7）中巖柱拆除10 m后開始鋪設防水板及安裝二襯鋼筋，完成后鋼筋臺車退出洞外，平移至一側給二襯臺車讓位。

（8）二襯臺車就位，澆注第二模二襯。

圖6 現場拆除中支撐施工圖

由現場監測結果可知，采用該方法能有效控制周圍地層變形，具有較好的推廣應用價值。

5 結束語

以一大跨度公路隧道為背景，通過建立三維數值模型，著重研究了中巖柱單邊落地施工方法涉及的中巖柱材料、寬度、高度以及拆除間距對隧道變形和穩定性的影響，并給出了相應建議。通過實踐，驗證了計算結果的可靠性，且該方法具有較高的適用性和推廣價值。

[1]劉高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機制分析 [J].巖石力學與工程學報，2005，24(2)：5521-5526.

[2]郭軍，王明年，譚忠盛，等.大跨淺埋黃土隧道中系統錨桿受力機制研究[J].巖土力學，2010，31 (3)：870-874.

[3]李圍，何川.超大斷面越江盾構隧道結構設計與力學分析[J].中國公路學報，2007，20(3)：76-80 [4]朱澤兵，劉新榮，張永興.大跨超淺埋輕軌車站隧道開挖方法研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（2）：290-295.

[5]喻軍，尹曉輝.小間距隧道洞口中巖柱對仰坡穩定性的影響分析[J].建筑技術，2013，44（11）：37-40.

[6]朱桂春，舒家華，唐徐林.小凈距隧道合理凈距及中巖柱加固方案優化 [J].施工技術，2013，42（19）：118-121.

責任編輯：宋飛 龔佩毅

來稿時間：2015-02-09