超大斷面隧道半步CD法施工技術應用

石常生+李賀朋+董文魯

摘 要：以京滬高速濟南連接線超大斷面公路隧道工程為依托，對Ⅳ級圍巖條件下采用的半步“CD”法隧道施工變形規律進行研究，對結構變形提出針對性控制措施。結果表明：半步“CD”法施工，拱頂沉降及收斂監測值較“CD”法開挖小，在保證施工安全及進度的前提下，大大縮短了施工周期及支護成環時間，對相似超大斷面隧道施工提供了借鑒。

關鍵詞：隧道工程；超大斷面隧道；半步“CD”法；數值模擬；監控量測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.101

1 前言

周丁恒[1]等對洞口邊坡及不同圍巖情況下的隧道變形規律、控制大變形的工程措施進行了分析，并提出控制大變形的工程措施。袁勇和王勝輝[2]采用FLAC 數值模擬平臺分析了其在超大斷面低扁平率公路隧道穩定性方面的效果。肖同強等[3]利用現場觀測、數值模擬等方法分析超大斷面硐室變形及破壞機理，提出了分區耦合支護圍巖穩定控制原理。本文以京滬高速濟南連接線港溝隧道為工程依托，采用FLAC有限元分析與現場監測的方法，對半步“CD”法開挖技術進行研究，揭示超大斷面隧道IV級圍巖開挖變形機理，同時對隧道的設計、支護施做時機的選取和施工過程中的工法選擇等提供相應指導。

2 工程概況

港溝隧道位于濟南市歷城區太平莊村東北側，進口位于港溝村西南側，出口位于濟南民兵訓練中心南側。本區位于魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上的中部丘陵地區，海拔100～900米，隧址區地勢起伏，海拔240～400米，切割深度100～200米，地形坡度20～50°。

（1）工程地質水文狀況。據踏勘、鉆探揭露，與隧道工程有關的地層主要為第四系上更新統洪積層（Q3pl）、奧陶系馬家溝組（O2nl）、奧陶系冶里-亮甲山組（O1y+l）、寒武系鳳山組（∈3f）。隧道區出露地層為奧陶系灰巖、白云質灰巖及生物碎屑灰巖，局部溝谷地段上覆上更新統粉質黏土及碎石。

隧址區出露的巖性為奧陶系寒武系灰巖、白云質灰巖，受區域地質構造活動影響，隧址區局部節理密集帶或構造斷裂帶發育。

（2）隧道半步“CD”法施工方案。針對隧道Ⅳ級圍巖開挖段，試采用改進“CD”法—半步“CD”法進行施工。施工時，第一步開挖先行導坑上臺階1，隨后進行Ⅰ、Ⅱ上部初期支護；其次開挖后行導坑上臺階2，施作初期支護Ⅲ上部；開挖后行導坑下臺階3，初期支護Ⅰ下部；開挖后行導坑下臺階4，初期支護Ⅲ下部；最后拆除中隔壁臨時支護，開挖下臺階核心土5，進行初期支護Ⅲ下部及仰拱封閉；最后位移變化速率達到要求，進行仰拱模筑Ⅳ、拱墻模筑Ⅴ。

設計支護參數為：拱部采用Φ42×4mm超前注漿小導管，長4.5m，環向間距40cm；采用3m長Φ22砂漿錨桿鎖腳；鋼筋網采用Φ8@20 cm×20 cm鋼筋網片，鋼拱架為I18型型鋼，縱向間距80cm，噴射C25混凝土厚20cm。

3 監控量測結果

通過對兩種施工工法進行現場監測，拱頂沉降、凈空收斂監測結果得出隧道開挖后一周左右為變形劇烈變化階段，隨著掌子面開挖，后方圍巖變形逐漸穩定。隧道半步“CD”法開挖，采用設計支護方案，其拱頂沉降、凈空收斂監測值均比“CD”法開挖小，其累計變化量均小于10mm。

4 數值模擬

（1）模型的建立。結合工程現場情況，采用有限元分析軟件ANSYS建立數值模擬模型，利用專有軟件接口將模型導入FLAC3D軟件進行計算、進行數值模擬分析。模型如圖1所示。

（2） 數值模擬結果分析。隧道在開挖之后變形以豎向沉降為主，拱頂附近變形最大，凈空收斂較拱頂沉降小，主要出現在兩側拱腰位置。通過現場實測數據與數值模擬結果對比可以得到，兩者比較接近，但是數值模擬結果均比實測值大。分析其原因可能是數值分析所用的巖土參數是根據勘察資料以及結合前人的研究成果得到的，與現場實際情況可能有差別。另一方面數值模擬采用的支護方式較實際施工簡單，未考慮錨桿、鋼拱架等支護作用，支護效果較實際施工差。

5 結論

對Ⅳ級圍巖半步“CD”法施工圍巖變形規律進行分析。研究結果表明：

（1）通過數值模擬與實際施工相比較，隧道開挖后，按照設計參數進行初期支護的方法，可以較好的控制圍巖大變形，在實際應用中得到驗證。

（2）針對隧道Ⅳ級圍巖開挖段，試采用改進“CD”法—半步“CD”法進行施工。通過現場監測，半步“CD”法施工拱頂沉降及收斂監測值較“CD”法開挖較小，證實采用半步“CD”法開挖對周邊圍巖二次擾動較小，在保證安全、質量的前提下，加快了初期支護封閉成環的速度，為周邊圍巖的快速穩定和初期支護盡快形成支撐環起到了積極的作用，同時為下一步施工的安全提供了有力的保障。對相似隧道工程半步“CD”法施工提供了借鑒。

參考文獻：

[1]周丁恒，曹力橋，曲海鋒等.不同圍巖情況下特大斷面公路隧道施工變形監測與控制[J].巖石力學與工程學報，2009，28（12）：2510-2519.

[2]袁勇，王勝輝.超大斷面低扁平率公路隧洞先成預應力結構新型支護體系數值模擬[J].巖土力學，2008.

[3]肖同強，李化敏，楊建立等.超大斷面硐室圍巖變形破壞機理及控制[J].煤炭學報，2014.endprint