軟巖地段大斷面淺埋偏壓隧道開挖方法比選

許勝輝

（新疆交通建設管理局項目執行二處，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

山嶺隧道建設過程中，由于山體巖質松軟、富含水等原因導致工程事故頻發，因此，研究軟巖地段大斷面淺埋隧道合理的開挖施工具有重要意義。李云剛和于志秋［1-2］采用有限差分軟件FLAC，對淺埋隧道施工方法進行了比選分析，結果表明，CD 法和CRD 法開挖隧道引起的地表沉降和拱頂變形較小，而全斷面法引起的底部隆起最小，施工過程中應視具體工況進行方法選擇。陳鵬飛等［3-4］以大斷面軟巖淺埋偏壓隧道施工為研究對象，通過數據監測分析發現，隧道開挖容易出現圍巖失穩、橫向位移等不利現象，施工中應注意控制。張超等［5-6］以某隧道工程采用CRD 法施工為分析對象，得出該種方法具有結構簡單、經濟顯著和拆卸方便等特點，適合大斷面淺埋隧道開挖。

1 工程概況

某山嶺隧道樁號為ZK14+152.1—ZK15+694.7，長1 542.6 m，該區域內圍巖以IV 級和V 級為主，巖質主要以砂巖、變質巖和碎石土為主，結構較為松散、破碎，圍巖穩定性差。山體存有一定坡度，呈現出東高西低，自然坡度在32～60°之間，山頂喬灌木茂密，局部發育陡峭山崖。隧道設計縱坡度為-2.0%，該隧道最大寬度隧道最大寬度是17.346 m，最大高度是11.88 m 擬采用臺階法施工或環形開挖預留核心土法施工，見圖1。為了對比兩種隧道施工功法的優異性，基于數值模擬軟件進行對比分析。

圖1 隧道斷面/cm

2 兩種施工方法對比

2.1 臺階法

臺階法開挖是將開挖斷面分成兩步或多步進行開挖，形成上下兩個或多個開挖工作面，該方法一般適用于Ⅲ和IV 級圍巖，上下臺階間距一般控制在1～1.5 的洞徑內。先在拱頂進行超前支護，然后沿著隧道上輪廓線進行上臺階開挖，開挖后立即噴射混凝土，初噴厚度取5 cm 左右，并按要求設置錨桿和鋼架。然后進行下臺階開挖，上下臺階應保持適當距離，開挖進尺一般控制為每循環兩幅拱架間距，開挖后進行初噴3～5 cm 混凝土封閉，并按要求設置錨桿和鋼架，最后進入下一循環開挖。

2.2 環形開挖預留核心土法

環形開挖預留核心土法常用于IV 級和V 級圍巖，在每次開挖循環中，機械結合人工開挖拱頂部分，之后架立拱架、掛網以及噴射混凝土。在初期支護后，進行核心土和下半部分開挖，緊接著打錨桿、上支撐并掛網噴混凝土，進行封底施工，最后進入下一循環開挖。該方法循環開挖長度以在50～100 cm 之間為宜，核心土面積應大于等于開挖面積的1/2，每兩品鋼拱間宜采用連接鋼筋連接，并應加鎖腳錨桿。

3 隧道開挖數值建模

3.1 模型建立

采用大型有限差分軟件FLAC 建模進行計算，隧道尺寸按照實際尺寸建模，考慮到隧道的開挖影響范圍，模型長、寬分別取100 m 和60 m，左側、右側高度分別為80 m 和60 m，隧道中心埋深約為24.2 m，除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。隧道支護形式為初次支護+二次支護聯合支護形式，即采用錨桿+鋼拱架+噴射混凝土+二次襯砌，初支噴漿厚度為5 cm，二次襯砌厚度為40 cm。錨桿長度取3.5 m，間距取1.5 m，直徑取22 mm，橫斷面上共計29 根，采用摩爾庫倫本構模型。見圖2。

圖2 數值模型

3.2 參數賦值

圍巖的物理力學參數和噴混凝土、二次襯砌和錨桿的力學參數見表1、表2。

表1 圍巖的物理力學參數

表2 噴混凝土、二襯和錨桿力學參數

3.3 監測點設置

為了分析兩種施工方法的優越性，在拱頂、拱肩和拱腳分別設置位移監測點5 個，見圖3。

圖3 監測點布設

4 兩種開挖方法數值結果分析

4.1 開挖后豎向位移云圖對比

給出了兩種方法開挖后豎向位移云圖，見圖4。

圖4 兩種方法開挖后豎向位移云圖

由圖4 可知，采用臺階法開挖施工后，最大沉降位移發生在拱頂偏左拱肩處，最大沉降值為-3.53 mm；采用環形開挖預留核心土法開挖施工后，最大沉降位移同樣發生在拱頂偏左拱肩處，最大沉降值為-3.45 mm。相比于采取臺階法開挖施工，采取環形開挖預留核心土法開挖施工后拱底沉降減小，且圍巖松動圈面積較小。

4.2 監測值對比分析

為了更好地對比兩種開挖方法的差異性，給出了兩種施工方法監測點位移值對比，見圖5，其中拱頂為沉降值，其它為水平收斂值。

圖5 兩種施工方法監測點位移對比

由圖5 可知，對于臺階法開挖施工，拱頂沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值的大小分別為3.18 mm、2.83 mm、0.24 mm、0.84 mm 和0.17 mm，對于環形開挖預留核心土法開挖施工法，拱頂沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值大小分別為2.82 mm、2.73 mm、0.16 mm、0.57 mm 和0.08 mm。相比于采用臺階法施工時，采取環形開挖預留核心土法開挖施工時拱頂沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值分別減小了11.3%、3.5%、33.3%、32.1%和52.9%。綜上可知，采用環形開挖預留核心土法施工時，由于其合理的施工工序，隧道開挖面的圍巖穩定性較好，對拱腳及以下部分圍巖變形影響較小，更好地保證了施工過程的穩定性。

5 結語

（1）采用臺階法和環形開挖預留核心土法開挖隧道，最大沉降位移均發生在拱頂偏左拱肩（即圍巖承受壓力較大一側），二者最大沉降值依次為-3.53 mm 和-3.45 mm，采取環形開挖預留核心土法開挖施工后拱底沉降減小，且圍巖松動圈面積較小。（2）相比于采用臺階法施工時，采取環形開挖預留核心土法開挖施工時拱頂沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值分別減小了11.3%、3.5%、33.3%、32.1%和52.9%。（3）采用環形開挖預留核心土法施工時，由于其合理的施工工序，使得隧道開挖面的圍巖穩定性較好，適用于偏壓隧道開挖施工，尤其對拱腳及以下部分圍巖變形影響較小，從而更好地保證了施工過程的穩定性。