超大斷面隧道工法轉換段支護結構受力特性分析及安全性評價

龐萬李， 許 芃

(1. 中鐵二局第六工程有限公司，四川成都610031; 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

球狀風化火成巖地層大斷面隧道鉆爆法施工時，采用單一的開挖方法很難滿足隧道安全、快速、經濟施工，隨著工程地質及周邊環境的變化，不同開挖工法的適應性各不相同，所采取的開挖方法也要隨著轉化。

本文使用FLAC3D有限差分軟件建立雙側壁導坑法向三臺階七步開挖法模型，模擬兩種工法開挖及工法之間轉換的動態施工全過程。通過分析兩種工法及轉換段隧道支護結構內力、安全系數等評判指標，進一步分析兩種工法開挖特征以及施工工法的轉換對圍巖和隧道結構的影響，從而判斷能否安全實現兩種工法的轉換，以期為超大斷面隧道施工提供相關借鑒價值和科學依據。

1 工程簡介

廣東汕湛高速公路橫山隧道位于汕頭市潮陽區河溪鎮華陽上坑村附近。該隧道為一座分離式雙洞長隧道，分左、右線呈直線型展布，總體軸線方向為南東約105 °。橫山左線隧道起訖樁號為LK17+957～LK19+418，長度為1 461 m；橫山右線隧道起訖樁號為K17+959～K19+409，長度為1 450 m。隧道地面最大高程約為226 m，最大埋深約為140 m。公路等級為高速公路六車道，單洞三車道，設計時速120 km/h，界限寬度15.25 m，開挖斷面面積為131.74～170.93 m2。

橫山隧道洞口段圍巖極破碎，遇水易軟化，巖石主要成分為全、強風化花崗巖，局部見中風化花崗巖，圍巖級別V級。為確保進洞施工安全，防止開挖暴露面積過大引起掌子面坍塌，進洞口采用雙側壁導坑法施工。當隧道進入淺埋段，需要在保證施工質量的同時加快施工進度，此時開挖工法轉換為三臺階七步開挖法。

2 工法轉換段施工開挖

在開挖模擬計算過程中，為方便模型計算，前半段擬采用雙側壁導坑法模擬開挖，以2 m為一個開挖步，后半段的三臺階七步開挖法考慮2 m的開挖進尺為一個開挖步。按照對應工法的工序開挖、支護交替，這樣不斷地循環來模擬整個隧道的開挖及支護過程。擬在垂直于隧道軸線、y=40 m處的開挖截面附近進行兩種工法之間的轉換，轉換前后的雙側壁導坑法、三臺階七步法開挖工序分別如圖1、圖2所示。

圖1 雙側壁導坑開挖工序示意

圖2 三臺階七步法開挖工序示意

在未進入三臺階預留核心土法前，支護全部按照雙側壁導坑開挖法支護參數實施，進入三臺階預留核心土法后支護則按三臺階預留核心土法支護參數施工。

(1)雙側壁導坑開挖法每步臺階距離保持2 m，三臺階預留核心土法每步臺階距離為2～3 m。

(2)在施工過程中加強監控量測，根據監控量測數據決定是否采用臨時橫撐及臨時豎撐，并在施工前準備好應急的豎撐材料。

(3)工法轉換期間，雙側壁導坑開挖法和三臺階預留核心土法施工中，每次進尺一榀鋼拱架。

(4)在開挖過程中，加強地質超前預報，及時掌握掌子面前方地質情況。

(5)盡早拆除雙側壁導坑開挖法的臨時鋼拱架，及時施作仰拱及二襯。

3 模型建立與參數選取

3.1 模型建立

計算模型大小及邊界條件設置如下：水平方向自隧道中心線至模型兩邊取50 m，模型沿隧道縱向取80 m，埋深為40 m。兩側施加水平方向的位移約束，與隧道軸線垂直的前后兩側施加沿軸向的位移約束，底部邊界施加垂直方向的位移約束；由于隧道埋深為90 m，為方便計算，采用頂部施加覆土50 m高度均勻土層的自重荷載來簡化模型，故模型埋深為40 m，不進行位移約束。模型建立如圖3～圖5所示。

圖3 三維整體計算模型

圖4 雙側壁導坑法隧道斷面及支護結構

圖5 三臺階預留核心土法隧道斷面及支護結構

3.2 參數選取

初期支護為厚28 cm的噴射混凝土，二襯厚度為60 cm；計算中圍巖、二襯采用實體單元，為摩爾庫倫模型，初期支護采用Liner單元，臨時鋼支撐采用Shell單元進行模擬，鋼拱架的作用采用等效剛度的方法考慮到初期支護中，初期支護和臨時鋼支撐采用線彈性模型。計算參數如表1所示。

表1 圍巖及支護結構參數

4 支護結構受力變形及安全性分析

4.1 初期支護變形與受力分析

隧道模擬開挖結束后，初期支護受力及變形如圖6～圖8所示。

圖6 初期支護第一主應力

圖7 初期支護第三主應力

圖8 初期支護豎向位移

由圖6～圖8可得，雙側壁導坑法開挖時拱頂和仰拱處初期支護受力小于兩側拱腰處受力，拱頂豎向位移為-13.52 mm，仰拱豎向位移為19.98 mm；三臺階預留核心土法開挖時拱頂處初期支護受力要比仰拱處受力大得多，拱頂豎向位移為-17.37 mm，仰拱豎向位移為2.11 mm。究其原因是在雙側壁導坑法開挖過程中，先開挖左右兩側，初期支護受力相對較早；在三臺階預留核心土法開挖過程中，先開挖拱頂，最后開挖仰拱，預留核心土充分發揮了作用，圍巖應力釋放更多，故初期支護受力較拱頂處要小得多。兩種工法相比較，工法轉換后初期支護受力相對變小，拱頂位移變形相差不大，仰拱位移變形要小得多，說明了工法轉換安全施工的可行性。

4.2 二次襯砌變形與受力分析

提取三個目標斷面(z=20 m、40 m、60 m)處二次襯砌結構內力計算結果，對比工法轉換斷面與前后兩種工法施作斷面結構內力沿截面分布情況，得出工法轉換對結構內力的影響，如圖9～圖14所示。

圖9 y=20 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖10 y=40 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖11 y=60 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖12 y=20 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

圖13 y=40 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

圖14 y=60 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

根據圖9～圖11可知，z=20 m、40 m、60 m三個斷面二次襯砌彎矩分布規律基本相似，從拱頂往拱腳呈增大趨勢，拱頂部位彎矩明顯小于其余部位；但在z=20 m、z=40 m處雙側壁導坑法開挖支護完成后，在拆撐部位出現反彎點，在z=60 m處三臺階七步法開挖支護后，拱肩、仰拱部位彎矩連續變化，未出現突變；從數值上來看，在右拱腰處彎矩值較小，分別為5.3 kN·m、3.8 kN·m、2.9 kN·m，左墻腳處較大，分別為315.9 kN·m、178.2 kN·m、100.1 kN·m，仰拱部位彎矩值也較大，分別為138.9 kN·m、96.3 kN·m、53.0 kN·m；根據圖12～圖14可知，z=20 m、40 m、60 m三個斷面初支軸力分布規律基本相似，斷面左右兩側、拱頂和仰拱處軸力值較大，軸力分布左右側在數值上稍有差別，這是因為斷面左右開挖步驟不同導致；從數值上來看，三個斷面在拱頂處軸力值分別為2 149.6 kN、822.3 kN、490.3 kN，仰拱處分別為2 324.2 kN、1 428.9 kN、1 340.0 kN；可以看出工法轉換對結構軸力有一定的影響。

4.3 安全性分析

由圖15～圖17可知，從全截面上來看，三臺階七步法初支安全系數大于雙側壁導坑法，兩種工法施作結構各截面均能滿足規范要求，說明結構是安全的；兩種不同開挖工況下，安全系數均在墻腳仰拱附近處最小，雙側壁導坑法為7.9，三臺階七步法為37.1，工法轉換段為24.9。從結構安全角度來說，能安全實行雙側壁導坑與三臺階七步法的轉換。在施工中，對于采用不同的工法時，著重監測安全系數最小的部位，尤其要注意加強對工法轉換段的監測工作。

圖15 y=20 m處斷面安全系數

圖16 y=40 m處斷面安全系數

圖17 y=60 m處斷面安全系數

5 結論

本文針對橫山隧道中采用的兩種工法及工法轉換關鍵技術問題，采用FLAC3D有限差分軟件對雙側壁導坑法與三臺階七步開挖法工法轉換前后的施工過程進行了模擬，對比分析了轉換段與前后工法段支護結構內力的力學響應，研究兩種工法的適應性及轉換技術，研究發現：

(1)轉換段初支結構所受內力分布規律和數值大小與轉換前后段只有細微變化，工法轉換時對初支結構內力的影響較小，從全截面上來看，轉換段初支結構安全系數略小于轉換前后，但兩種工法及工法轉換段施作結構各截面均能滿足規范要求，結構安全。在施工中，對于采用不同的工法時，著重監測安全系數最小的部位，尤其要注意加強對工法轉換段的監測工作。

(2)綜上所述，根據橫山隧道實際地質條件，可考慮在洞口淺埋段采用雙側壁法施工，通過洞口破碎段之后可考慮轉換為三臺階七步法施工。通過對轉換段的圍巖應力場、初支結構內力及安全系數和洞周位移分析，發現通過工法轉換段時雖對圍巖有著一定的擾動，但與前后工法斷面各項指標數據對比，均顯示能夠安全穩定通過工法轉換段。需要注意的是，通過工法轉換段時，必須嚴格按照轉換段施工過渡步驟，快速通過，規范施工。