組合支撐工法在巖石隧道支護中的應用

祁 強

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610065）

引言

對于跨度和斷面均大幅增加的四車道高速公路隧道，傳統隧道施工方法效率低下[1-3]，但提高施工效率會增加安全隱患。因此，探索一種滿足施工安全要求的高效率施工方法十分必要。

現階段，對于大斷面隧道的施工方法主要采取開挖與支護同時交錯進行的動態施工方式[4]，不同施工方法之間的差異主要集中在施工安全和效率之間[5-7]。蘇藝等[8-9]通過數值模擬和現場檢測的方式，探索小間距下大斷面隧道在CRD或CD等施工方式下，圍巖和支護結構的力學特性。吳夢君和黃倫海[10]以四車道公路隧道為研究對象，研究了不同的施工方式對圍巖力學響應的影響，認為在Ⅳ級圍巖中施工最好采用雙側壁導坑施工法，如果采用其他施工方法，必須使用超前支護措施。不同施工方法的主要選擇依據是圍巖條件，但可供選擇的施工方法均較為傳統，且研究手段單一，即采用數值模擬的方式，模型試驗研究還不夠完善。

1 工程背景及模型試驗方案

1.1 工程背景

某高速公路四車道隧道左線全長3 100 m，右線全長3 090 m，設一處長度為570 m的施工導洞。隧道圍巖及相關長度見表1。

表1 隧道圍巖等級和長度

從表1可以看出，Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖分別占項目全長的46%、36%和12%。組合支撐工法主要在圍壓等級較弱的地方使用，根據實際工程情況，主要以Ⅳ級圍巖為考慮對象。該隧道Ⅳ級圍巖主要是中風化灰巖，結構較完整，地下水主要是巖溶水，施工區域潮濕但無水。

1.2 施工方法

組合支撐工法是將整個隧道斷面分為上下兩部分，采用五步工序進行開挖，通過臨時支撐結構，可以左右交錯進行施工，從而減少了一次跨度。施工順序見圖1。

圖1 施工工序

通過分析可知，邊墻落地后會導致左右巖墻產生較大變形，需要進行鎖腳錨桿保證邊墻的穩定性，中間預留巖墻稱為隔壁。施工后期，拆除支護結構后，對隔壁進行開挖，形成完整的隧道斷面結構。

1.3 模擬試驗方案

為了更加準確地研究該施工方法對于大斷面隧道施工的力學特性響應，在相似理論基礎上，進行室內模型試驗還原施工現場。通過羅定倫的研究[11]，確定了相似材料的各組分材料作用及其配比，見表2。

表2 相似材料作用及配比

噴射混凝土采用彈性模量為269 MPa、泊松比為0.21和抗壓強度為2.4 MPa的石膏進行模擬，水和石膏的比例為1∶1.3，混合物凝結時間在15 min 左右。支護結構和監測點布置完成后，進行開挖。在開挖之前，模擬材料填筑采用分層式，并在相應位置布置監測設備，圍壓頂部到拱頂的距離為69 cm， 頂部載荷施加方式為千斤頂，載荷大小為12 MPa，壓實12 h后圍壓頂部到拱頂的距離為60 cm。開挖距離模擬為實際3 m對應模型中6 cm。

2 結果分析

2.1 結構內力分析

通過開挖過程中主要監測位置監測點數據可得，最大主應力隨著開挖距離的不斷增長而變化的曲線，見圖2。

圖2 早期支護結構部分區域最大應力

從圖2可以看出：（1）與圍巖應力釋放相關理論吻合，支護結構部分區域的最大應力隨著開挖距離的不斷擴大而增長，且早期支護結構的最大應力高于后期支護結構的最大應力。（2）不同位置的拉壓狀態，即隔壁和拱腳受壓，拱頂、仰拱和圍巖墻體左右兩側受拉，且圍巖墻體左右兩側與拱頂所受的拉應力相近。從承載位置看，隨著開挖的進行，只有隔壁應力變化較為明顯，且1#和3#開挖增加支護結構應力，而2#和4#開挖而會減緩支護結構應力增加的速率，說明后期的支護起到了有效支護的作用。

2.2 圍巖變形分析

圍壓變形主要針對結構中變形最大的幾個區域，如拱頂、仰拱和拱腳，得到圍巖拱頂和仰拱的豎向位移見圖3，得到圍巖左右拱腳的水平位移見圖4。可以看出：（1）不同位置的主要變形均在4#開挖前，之后的開挖對圍巖穩定性幾乎沒有影響，說明隔壁的去除以及巖墻施工對圍巖擾動較小。（2）從圍巖拱頂和仰拱豎向位移可以看出，隨著開挖不斷進行，位移逐漸增長，但是主要發生在3#開挖，說明影響拱頂和仰拱變形主要是上部圍巖的開挖施工。（3）從圍巖左右拱腳水平位移可以看出，兩個區域變化規律幾乎一致，即在相應位置下部圍壓開挖后位移顯著增長，隨后達到一個穩定的狀態，且變形方向均是向洞內擴展。結果表明，下部圍壓開挖是影響拱腳變形的主要因素，且開挖順序對最終變形影響不大。在施工整個過程中，每個施工步驟下，隔壁所承受的荷載最大，所有支護結構應力增長均主要發生在施工前期，即4#開挖之前。

圖3 圍巖拱頂和仰拱豎向位移

圖4 圍巖左右拱腳水平位移

2.3 現場應用分析

組合支撐工法主要施工對象是四車道高速公路隧道，且圍巖等級為Ⅳ級和Ⅴ級的區域。原理是利用堅硬地基，將上部鋼架和下部巖墻形成一個組合，從而達到減小開挖跨度、減少施工工序和降低造價等。

在實際工程中，采用此施工方法后，每月開挖距離達63 m，相比于傳統施工方法，施工效率得到了大幅提升。經過分析，每10 m的開挖距離，能節約資金4.8萬元左右。在3 100 m隧道工程中，能減少施工時間136 d，總施工成本減少1 050萬元左右，表明該施工工法在含軟弱圍巖的大斷面隧道中，具有良好的經濟效益。

3 結語

（1）4#開挖前對支護結構的擾動最大，其內力增長在這段時間上升較快。（2）整個開挖過程隔壁受力最大，且隔壁受力大小受開挖的影響最大，支護結構能有效地減緩隔壁的應力增長。（3）圍巖變形主要在開挖前期，到4#后圍巖變形處于穩定階段。上部圍巖和下部圍巖開挖主要影響拱頂和仰拱以及左右拱腳的變形。