大斷面隧道雙側壁導坑法施工橫撐裝拆時機分析

程偉鷙

(合安高鐵股份有限公司,安徽 合肥 230012)

雙側壁導坑法又稱眼鏡工法[1]，在大斷面隧道施工中應用較廣[2]。雙側壁導坑法是利用2個中隔壁把大斷面隧道分成左、中、右3個小斷面施工，左、右導坑交錯先行，中間斷面緊跟其后，初期支護仰拱成環后，拆除兩側導洞臨時支撐，形成全斷面[3-8]。在軟弱圍巖大斷面隧道采用雙側壁導坑法施工時需設置臨時橫撐，臨時橫撐合理、準確的安裝與拆除至關重要。本文通過數值模擬分析臨時橫撐安裝與拆除的合理時機，為正確指導施工提供理論依據。

1 工程概況

一新建高速鐵路隧道長約 9 000 m，最大埋深約 1 600 m，屬構造剝蝕深切割高中山地貌，溝谷縱橫，地形起伏大，地表高程 1 575～3 278 m，相對高差 1 703 m，自然橫坡15°～65°，局部為陡壁。洞身穿越活動斷裂和軟巖大變形段，為極高風險隧道。隧道進口端設有753 m的三線大跨段，隧道最大開挖斷面寬22.37 m，高14.39 m，最大開挖斷面積為255.4 m2，其中：Ⅴ級圍巖段680 m、Ⅳ級圍巖段73 m。設計采用雙側壁導坑法施工，三線大跨段隧道施工示意如圖1。

圖1 雙側壁導坑法施工示意

2 隧道施工數值模擬分析

2.1 參數選取

Ⅴ級淺埋段隧道鎖腳錨桿為φ32自進式中空錨桿，長5 m；拱部設8 m長φ76中管棚(環向間距0.4 m/根,縱向間距5 m/環，單根長8 m)+長4.5 m的大插角φ42超前小導管(外插角45°，環向間距0.4 m/根，縱向間距3 m/環，單根長4.5 m)；掌子面噴8 cm厚混凝土；水泥砂漿系統錨桿長4 m，間距1 m×1 m，梅花形布置；φ8鋼筋網25 cm×25 cm；臨時支撐鋼架為I20b。

錨桿物理力學參數見表1,巖土及支護結構參數見表2。

表1 錨桿物理力學參數

表2 巖土及支護結構參數

2.2 模型的建立

根據圣維南原理和隧道力學中隧道開挖影響范圍，忽略邊界效應對隧道的影響，運用ANSYS軟件建立模型導入到FLAC 3D中進行計算分析。隧道斷面寬22.37 m、高14.39 m，屬于超大斷面，模型底部距隧道底部26 m，左右兩側距離為3倍的洞徑，模型頂部距拱頂40 m，縱向長度取40 m，左右導洞工字鋼臨時橫撐施作的間距為1 m，隧道超前支護通過提高支護區域圍巖參數來模擬。

2.3 開挖過程模擬

數值模擬中，第1步初始應力計算，第2步等效加固區加固，第3步至第42步為隧道開挖支護過程。按照“開挖-支護”的方式進行模擬，圍巖應力釋放按開挖∶支護=4∶6，在模擬的過程中暫時不考慮二次襯砌。隧道開挖進尺為4 m一個循環，先開挖左導洞，左導洞超前右導洞2 m，超前中洞32 m。

2.4 模型測點布置

左、右洞及整個洞室水平收斂變化監測點為測點2-測點3、測點4-測點5及測點2-測點5。具體如圖2所示。

圖2 位移監測點示意

2.5 模擬工況及對比參數說明

本文模擬計算主要分為臨時支撐工字鋼施作時機和拆除時機。

模擬臨時支撐工字鋼施作時機采用以下3個工況：工況1。施工步7，左導洞中臺階開挖后4 m，立即施作臨時工字鋼支撐。工況2。施工步9，左導洞中臺階開挖8 m后，施作臨時工字鋼支撐。工況3。施工步11，左導洞中臺階開挖12 m后，施作臨時工字鋼支撐。

對于臨時支撐工字鋼拆除時機模擬，在確定最優支護時機的基礎上進行，工字鋼的拆除以5 m為一個拆除單位，擬用以下3個工況：工況4。施工步15，左導洞上臺階開挖28 m后，依此拆除左導洞Z1～Z5臨時工字鋼支撐，右導洞臨時工字鋼支撐的拆除時機落后左導洞5 m。工況5。施工步17，左導洞上臺階開挖32 m后，依此拆除最開始施作的左右臨時橫支撐。工況6。施工步19，左導洞上臺階開挖36 m后，依此拆除最開始施作的左右臨時橫支撐。

由于圍巖地質較差，在施工中預計可能出現大的變形，而影響施工的正常進行，本次有關臨時工字鋼橫撐施作與拆除時機的比較僅從位移方面分析。

2.6 計算結果分析

2.6.1 臨時工字鋼支撐施作時機

臨時工字鋼支撐施作時隧道變形見圖3。可知：隨著開挖的進行，隧道拱頂的豎向位移不斷地增大，但增大的趨勢逐漸減緩；在左導洞上臺階貫通前，導洞的水平收斂不斷增大，貫通后，不同工況下其水平收斂又開始減小并有逐漸趨于穩定的趨勢；左導洞上臺階貫通是整個水平收斂曲線的拐點；臨時橫撐的添加時機對拱頂的豎向位移影響不大，對導洞水平收斂影響較大；隨著開挖的進行，整個隧道水平收斂逐漸增大，到一定開挖步時趨于穩定；拱頂豎向位移絕對值變化不大，總體上為工況1<工況2<工況3；不同工況下水平收斂變化明顯，其中工況1水平收斂最小，工況3水平收斂最大。

圖3 臨時工字鋼支撐施作時隧道變形

綜上所述，在開挖完左導洞中臺階后(即上臺階開挖約12 m后)，施作臨時工字鋼支撐為最佳時機，即開挖左導洞中臺階后應立即施作隧道的臨時橫撐，確保隧道施工安全。

2.6.2 臨時工字鋼支撐拆除時機

圖4 臨時工字鋼支撐拆除時隧道變形

臨時工字鋼支撐拆除時隧道變形見圖4。可知:不同時刻拆除臨時橫撐，隨著開挖的進行，隧道拱頂的豎向位移都是不斷地增大，但增大的趨勢逐漸減緩；在左導洞上臺階貫通前，導洞的水平收斂不斷增大，在右導洞上臺階貫通前，不同工況下其水平收斂又開始減小，右導洞上臺階貫通后其值又不斷增大并有逐漸趨于穩定的趨勢；左導洞上臺階貫通和右導洞上臺階貫通，是整個水平收斂曲線的拐點；臨時橫撐的拆除時機對拱頂豎向位移及水平收斂影響不明顯；隨著開挖支護的進行，整個隧道水平收斂逐漸增大，到一定開挖步時趨于穩定；最終拱頂的豎向位移絕對值變化不大，總體上為工況4>工況5>工況6；水平收斂為工況4>工況5>工況6。

由于隧道縱向長度為40 m，與施工現場有一定的差別，為此僅以左導洞上臺階貫通前的位移情況作比較。由以上分析可知，臨時橫撐拆除時機為至少保證左導洞上臺階開挖36 m后拆除臨時工字鋼支撐。

3 結論

1)開挖完左導洞中臺階后(即上臺階開挖約12 m后)，施作臨時工字鋼支撐為最佳時機，即左導洞開挖中臺階后立即施作臨時橫撐。

2)臨時工字鋼橫撐施作時機為至少保證左導洞上臺階開挖36 m后拆除臨時工字鋼支撐。