超大跨隧道特大塌方體的開挖技術探討

周 祥，胡衛軍，周東迎

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著城市化進程的發展，對大跨交通隧道的建設需求逐步增大。大跨隧道的力學反應和穩定性與雙車道有很大區別，施工不當極易誘發大規模的塌方。大跨隧道塌方后需要在塌方體中重新開挖，開挖過程中的安全性問題值得重視。目前雖然有不少同行對塌方的開挖方法進行了探討，但對超大跨隧道在大埋深的松散巖塊中進行開挖的技術探討較少。

1 工程概況

某市政雙向八車道機動車隧道，最大開挖寬度為21.5 m，最大開挖高度為15 m，長度為480 m，屬于短隧道。其機動車道一側設非機動車道隧道。該隧道施工過程中在出口一側出現多次坍塌，最大一次坍塌埋深最大約為70 m。該隧道出口端塌方體以塊石、碎石、角礫及黏性土為主，呈碎裂狀結構。該隧道塌方前采用雙側壁導坑工法進行施工，但中導洞并未設置橫撐，塌方后松散體對施工控制的要求進一步提高。塌方體縱斷面如圖1所示。

圖1 塌方體縱斷面示意圖

2 風險分析

由于隧道為超大跨隧道，塌方松散體厚度達到70 m，為碎塊狀，無粘結力，因而存在兩大安全風險：

(1)塌方體形成了一個臨時平衡的狀態，在持續的變形及降雨等不利影響下，塌方體有繼續向掌子面突出的風險。在施工挖出掌子面突出的松散體后，平衡進一步被打破，可能會進一步向臨空面突出，有造成人員傷亡的風險。

(2)松散體厚達70 m，由于坍塌后周邊巖體對松散體的約束限制作用大幅度降低，開挖過程中支護結構將承受巨大的山體壓力，尤其是初期支護并未能及時形成閉合結構，其承載能力較低，開挖過程中對支護方式和開挖步驟要求較高，稍有不當就可能造成初期支護破壞，從而導致進一步坍塌。

3 開挖方法

為了解決掌子面松散體繼續突出及松散壓力造成初期支護破壞的問題，需要合理采用輔助工程措施，并采取適當的開挖方法和支護結構進行處治。考慮到本塌方體主要為松散的塊狀硅質巖，具備注漿的條件，山體地形經過多次塌方后，具備在地表進行操作的條件，因此采取在地表注漿的方式。同時為了增強安全性和可靠性，需要在洞內采用雙層導管超前注漿。通過地表和洞內注漿的措施，大幅提高松散體的粘聚力和整體性，從而為下一步施工的空間利用提供了保障。

針對塌方體所采取的施工方法要求能提供足夠的穩定性，為此需要對原來的雙側壁施工工法進行優化，形成一種新的施工工法。原設計施工工法見圖2。

為了解決病害向掌子面涌出和保障開挖后初期支護的足夠承載能力，需要進一步對該施工工法進行優化。主要優化方向有：(1)優化豎向臨時支撐的曲率，減小豎向臨時支撐的偏心彎矩；(2)中臺階優化臨時橫撐，減小豎桿的壓桿長度，增強穩定性；(3)加強鎖腳，對豎向橫撐及初期支護采用Ⅰ14工字鋼進行連接，加強整體性；(4)隧道二襯仰拱整體澆筑，不設大邊墻，提高襯砌支護結構的軸力比例；(5)減小開挖進尺，及時閉合初期支護仰拱；(6)提高型鋼的強度，采用Q345型鋼。結合輔助措施，經過優化后的施工工法使得開挖過程能夠充分利用空間，且初期支護具備足夠的承載能力，具體見圖3。

圖2 原設計施工工法示意圖

圖3 優化后的施工工法示意圖

4 驗算分析

為了有效地驗證開挖穩定性問題，采用地層結構法對開挖過程進行分析，結合《公路隧道設計規范》[1]，初期支護及圍巖承擔的釋放荷載取50%。地層結構法的計算基本步驟為：(1)按照雙側壁導坑的方法分步開挖土體及激活相應的初期支護、臨時橫撐；(2)撤除臨時初支。相關模型見圖4。

圖4 數值計算模型云圖

4.1 計算結果

4.1.1 主洞初支

從圖5～7的主洞初期支護的受力形態來看，其主要彎矩由拱頂變為支撐的兩個角部位，達到了減跨的目的，但同時也在導洞豎向支撐的位置產生了較大的剪力，不過從幅值來看，其遠小于拱腳的剪力。總體來看，設置雙側壁導洞豎向支撐達到了總體減跨的目的，提高了隧道施工的安全性。

圖5 主洞初支軸力云圖

圖6 主洞初支彎矩云圖

圖7 主洞初支剪力云圖

4.1.2 導洞初支

從圖8～10的導洞豎向支撐的受力形態來看，豎向支撐在臨時橫撐處產生了負彎矩，正彎矩因負彎矩作用也相應減小。從梁體的受力形態來看，設置橫撐對豎向支撐的減跨作用明顯，從而提高了豎向支撐的平面外穩定性，進一步提高了開挖的安全性。

圖8 導洞豎向支撐軸力云圖

圖9 導洞豎向支撐彎矩云圖

圖10 導洞豎向支撐剪力云圖

4.1.3 橫撐

從圖11～13來看，整個橫撐的受力比較小，其中中導洞的兩個橫撐的軸力最大，這說明中導洞的橫撐受到了較大的豎向支撐側彎帶來的壓力，也說明中部橫撐起到了很好的作用。

圖11 導洞橫向支撐軸力云圖

圖12 導洞橫向支撐彎矩云圖

圖13 導洞橫向支撐剪力云圖

4.2 內力驗算

本次初期支護采用雙層型鋼噴射混凝土結構。根據文獻[2]進行驗算，考慮到臨時橫撐和側導洞未拆除前，型鋼宜處于彈性狀態，驗算時采用彈性抗彎慣性矩；考慮到拆除橫撐后范圍較小，可以通過控制拆除距離及時施作二襯解決安全問題，此時驗算可采用塑性抗彎慣性矩。

型鋼的驗算公式為：

(1)

噴射混凝土的驗算公式為：

(2)

經過計算，各個階段噴射混凝土的最大壓應力僅為10.8 MPa，是安全的。未拆除臨時支護時，初期支護型鋼的局部最大壓應力為239.7 MPa(該壓應力經計算修正，其值為γ0γ1γhyQ,下同)，小于強度標準值345 MPa，基本處于彈性狀態。拆除臨時支護后，初期支護型鋼最大壓應力為256.6 MPa，小于強度標準值345 MPa。導洞臨時支護型鋼的壓應力為222.8 MPa，小于345 MPa。橫撐的最大拉應力為60.6 MPa，壓應力為57.7 MPa，遠小于345 MPa。考慮到型鋼腹板具有抗剪能力且一榀型鋼的抗剪能力為：125×2.5=312.5 kN/m，則主洞初期支護單型鋼腹板抗剪能力就達到1 250 kN，遠大于剪力設計值；臨時支護型鋼每延米抗剪能力達到625 kN，亦遠大于設計值，可見初期支護是安全、合理的。

5 結語

(1)超大跨隧道塌方體的開挖應重視對開挖方法的選擇，優化開挖斷面，嚴格按照超前加固、短進尺、強支護的措施進行。

(2)針對塌方體的開挖應重視輔助措施，提高塌方體的整體性和穩定性，并應高度重視臨時支護的減跨作用。

(3)超大跨隧道施工期間應加強變形控制，避免過大變形誘發山體松動，從而從源頭上預防塌方的產生。