淺埋超大跨度公路隧道施工工法探討

冉 龍 洲

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

1 概述

隨著中國經濟持續發展和隧道工程領域相關研究的不斷深入，四車道及以上的超大跨度公路隧道越來越多，地質及環境條件也越來越復雜。四車道及以上的超大斷面公路隧道最顯著的特征是斷面大，跨度大，扁平率小[1,2]。為了保證施工的安全，施工時幾乎均選用分部開挖法。諸多研究均表明：四車道超大跨度隧道與常規隧道有較大的差別。張兆杰[3]結合沈大高速公路擴建工程金州隧道，對超大跨隧道雙側壁導坑法施工過程進行數值模擬，認為超大跨圍巖總體失穩模式與普通雙車道隧道有較大差別，采用雙側壁導坑法施工時，中洞上部施工應作為整個施工過程的控制程序。王春河等[4]以濟南龍鼎隧道為工程背景，系統開展了上下臺階法和CRD法開挖方式下超大斷面隧道軟弱圍巖控制機制數值試驗。張俊儒等[5]對目前所有超大跨度隧道進行了詳細調研，并全面總結了目前超大跨度隧道設計、施工等方面的進展和存在的問題。

由于分部開挖具有工序多、步序轉換多、施工效率低的特點，施工工法的選擇，往往成為超大跨度隧道設計和施工的重點。本文以四川某四車道高速公路為例，對Ⅴ級圍巖淺埋段超大跨度公路隧道的施工工法進行探討，以數值分析為手段，分析雙側壁導坑法和CD法在超大跨度公路隧道中的適用性。

2 工程案例

某高速公路為雙向八車道高速公路，設計速度120 km/h，隧道建筑限界為19.0 m×5.0 m；隧道內輪廓擬定為三心圓曲邊墻結構，其尺寸為20.25 m×12.12 m，斷面面積192.64 m2(含仰拱)。隧址區巖性為基巖，主要為粉砂質泥巖、砂巖，局部夾泥質粉砂巖、長石石英砂巖。隧道洞口淺埋段支護參數為：系統錨桿φ25中空注漿錨桿，L=4.5 m，間距100 cm×50 cm，梅花形布置；初期支護采用雙層初期支護形式，第一層初期支護采用Ⅰ22b型鋼鋼架，間距60 cm，噴射混凝土28 cm，第二層初期支護采用Ⅰ22b型鋼鋼架，間距60 cm，噴射混凝土24 cm；二襯采用70 cm鋼筋混凝土。淺埋段襯砌斷面如圖1所示，開挖面積264 m2。

3 數值分析

3.1 計算模型的建立

采用地層—結構法，運用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維計算模型。其中，初期支護結構采用板單元模擬；圍巖采用實體單元進行模擬，錨桿采用植入式桁架單元進行模擬。計算模型尺寸63 m×48 m×60 m，如圖2所示，模型邊界約束對應方向的位移。

計算模型中，巖土體采用摩爾—庫侖模型，初期支護、臨時支護等采用彈性模型，具體計算參數如表1所示。

表1 模型計算參數

模擬中，對相應的單元采取“鈍化”操作模擬開挖，采用“激活”單元操作模擬施加襯砌。雙層初期支護采用組合梁單元的方式，即在初期支護時板單元厚度為第一層初期支護的厚度，在進行第二層初期支護施工時，對應的結構單元厚度修改為雙層初期支護按照組合梁等代剛度計算的等效厚度。

3.2 計算步序

雙側壁導坑法計算施工步序同實際設計步序，如圖3所示：1)進行分部1開挖；2)進行分部1的支護，含第一層初期支護、臨時支護、錨桿等；3)分部2開挖；4)分部2的支護；5)分部3開挖；6)分部3支護；7)分部4開挖；8)分部4支護；9)分部5開挖；10)分部5支護；11)分部6開挖；12)分部6支護；13)進行第二層初期支護施工；14)拆除臨時支護。

分部6支護后，仰拱初支封閉，同一斷面初支封閉成環。待初支全部封閉成環后，再進行第二層初期支護施工。

CD法開挖分塊及步序如圖4所示，詳細建模及計算步序此處不再贅述。

4 計算結果分析

4.1 沉降分析

分別從地表橫向沉降槽、縱向沉降槽以及隧道的收斂變形方面，對雙側壁導坑法和CD法進行對比分析。

圖5所示為不同工法施工下的地表橫向沉降特征。從圖5可以看出，雙側壁導坑法引起的最大沉降約5.3 mm，CD法施工引起的最大沉降約7.13 mm，CD法施工引起的地表沉降值比雙側壁導坑法增加約34.53%。

圖6所示為在不同掌子面位置對應的地表沉降槽特征。從圖6可以看出，掌子面施工引起前方沉降的影響范圍約為20 m，掌子面后方約25 m地表沉降達到穩定狀態；CD法施工引起的地表沉降值大于雙側壁導坑法。CD法施工由于掌子面開挖面大，對前方的影響范圍略大于雙側壁導坑法。但CD法施工步序少，整體封閉快，CD法開挖引起的沉降比雙側壁導坑法更快趨于穩定。

4.2 隧道變形分析

圖7，圖8所示分別為雙側壁導坑法和CD法施工引起的隧道變形特征。雙側壁導坑法引起隧道拱頂最大沉降7.0 mm，隧道仰拱隆起5.1 mm，隧道豎向收斂12.1 mm；CD法引起的隧道拱頂最大沉降約9.53 mm，仰拱隆起約7.78 mm，隧道豎向收斂17.31 mm。CD法引起的沉降比雙側導坑法大36.14%，豎向收斂變形大約43.06%，但所有沉降和變形值均較小，屬于可控范圍內。

4.3 土體塑性開展區分析

圖9，圖10所示分別為雙側壁導坑法開挖和CD法開挖引起的周圍巖土體的塑性區分布范圍。可以看出，兩種施工工法引起的塑性區區域大致相當，主要在側壁及仰拱拱腳位置；CD法施工引起的等效塑性應變值明顯大于雙側壁導坑法，塑性區深度也大于雙側壁導坑法。兩種工法在隧道周邊均未形成大范圍的貫通塑性區，隧道不存在大范圍坍塌的風險。

5 結論

本文結合實際工程，通過數值分析，對四車道超大跨度隧道淺埋暗挖段工法選擇進行了分析，通過對雙側壁導坑法和CD法進行分析，得出了以下結論：1)CD法施工引起的地表沉降約比雙側壁導坑法大34.53%，隧道收斂變形大43.06%；CD法施工引起的隧道周邊塑性區范圍與雙側壁導坑法基本相似，范圍更大，但均未形成貫通塑性區；2)Ⅴ級圍巖淺埋段超大跨度施工中，CD法和雙側壁導坑法施工引起的沉降、變形及塑性區范圍均屬于可控范圍；3)鑒于雙側壁導坑法步序復雜，封閉時間更長，因此引起的沉降收斂時間更長；4)通過研究可知，兩種工法均可適用于Ⅴ級圍巖淺埋段四車道大跨度隧道施工。但由于數值計算考慮的是施工支護、地質情況均較理想化的情況，在實際工程中，需結合施工工期、工程地質條件、施工組織情況進行工法的選擇，在施工中加強監控量測和施工控制。本文的研究對于工法選擇具有一定的指導意義。