超大跨隧道安全施工技術研究

摘要 為解決我國交通運輸量激增導致原兩車道高速公路運力不足問題，滿足區域經濟協調發展戰略需求，超大跨隧道工程數量逐漸增多。由于超大跨隧道工程案例較少，新建工程施工可以參考的施工經驗匱乏。文章針對某超大跨隧道工程斷面特征及圍巖穩定性，分析了隧道施工面臨的難題并提出了解決途徑，采用工程類比法確定隧道施工方案。為驗證施工方案的可行性，采用FLAC3D軟件建立三維計算模型對隧道施工過程進行數值模擬。隧道變形、支護應力及圍巖塑性區分布特征等的分析結果表明，所采用的施工方案能保證隧道施工安全。隧道施工過程中拱頂沉降監測結果進一步證明所選施工方案的可行性。

關鍵詞 超大跨隧道；施工技術；數值模擬；現場監測

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0123-03

0 引言

隨著我國國民經濟的持續快速發展，交通體系的不斷完善，原來兩車道公路的運力已不能滿足交通運輸量快速增長的需求，因而近些年來三車道、四車道的高速公路隧道建設數量逐漸增加，此類隧道的開挖跨度一般在20～26 m^[1-4]。另外，國家促進區域經濟協調發展戰略建設的需求，使得超大跨甚至巨跨隧道工程不斷投入建設，如已經建成通車的最大開挖達32.7 m的京張高鐵八達嶺地下車站。廈門蘆澳路—海滄疏港通道2#分岔段為單跨5車道公路隧道，最大開挖跨度30.46 m。目前國內外關于隧道跨度的統一劃分尚缺少統一的標準，該文參考劉永勝等^[5]提出的隧道跨度劃分標準：小于15 m為常規跨度，15～25 m為大跨，25～50 m為超大跨，50 m以上為巨跨。該文以開挖跨度33.5 m、開挖高度17.5 m的某項目隧道工程為依托，對超大跨隧道施工技術進行研究。

1 工程概況

某項目的超大跨度隧道工程地處干旱山區，屬典型大陸性暖溫帶荒漠氣候，無霜期可達219 d，年平均氣溫為15.3 ℃，年平均降水量僅有8.7 mm，年均風速8 m/s。工程區屬于高山地帶，地勢總體南高北低，海拔1 000～1 800 m，區內溝深坡陡，地形起伏相對較大，植被稀疏，地形地貌特征復雜。隧道穿越圍巖主要為微～弱風化花崗巖，巖體較完整，節理裂隙不發育，圍巖級別主要為Ⅲ級，巖石強度最大達116 MPa。隧道最大埋深380 m，未穿越斷裂帶。

該工程項目由一系列不同斷面形式的隧道組成。其中隧道A的斷面開挖跨度33.5 m，開挖高度17.5 m，長度43 m，斷面開挖面積435.5 m2，斷面矢跨比為0.328。按照前述隧道跨度的劃分標準，該隧道屬于超大跨隧道斷面。拱部及邊墻初期支護為厚度為25 cm的雙層φ8網噴混凝土（鋼筋網格尺寸為20 cm×20 cm），噴混凝土強度等級為C25，底板噴混凝土層厚15 cm。直徑φ25的中空注漿錨桿，長度分別為6 m和9 m，間距1.2 m，呈梅花形布置。二次襯砌為C40鋼筋混凝土，拱部及兩側邊墻處厚度為1.5 m，底板厚度為0.2 m。

2 隧道施工難點分析及應對措施

2.1 超大跨隧道施工指導理論匱乏

新奧法在大量的常規跨度巖質隧道施工中起到了巨大的指導作用。新奧法的核心要義是充分發揮和利用圍巖本身的自穩能力，控制圍巖的損傷，隧道開挖后允許圍巖產生一定的變形，以便減小地層作用在支護上的圍巖壓力。因而新奧法的主要支護措施是柔性的錨噴網支護，此類支護屬于圍巖的表層面支護，靠圍巖進一步的變形被動產生抗力，從而約束圍巖的進一步變形，以防止圍巖出現過大范圍的塑性區，從而形成圍巖松動區。而對于超大跨或巨跨隧道來說，若仍簡單地遵循新奧法原理，讓圍巖釋放一定的變形，那么必然要求支護結構具備巨大剛度才能滿足圍巖和結構的協調變形。但是，對于超大跨度隧道工程，目前的支護手段很難提供如此巨大剛度的抗力。

開挖后隧道周邊圍巖由三維應力狀態變為平面應力狀態，要使其快速回到三維應力狀態，以變形為前提的被動支護結構手段不能奏效，及時地利用預應力錨桿或錨索對圍巖進行加固，使隧道周邊圍巖的壓力拱不向圍巖深部轉移，則可能有效控制圍巖力學性能的劣化，避免隧道圍巖失穩。

2.2 多次爆破引起圍巖損傷嚴重

由于隧道斷面開挖面積大，該隧道A斷面開挖面積更是達到435.5 m2，因而必須采用多分塊的爆破開挖方法。分塊多、爆破次數多，多次爆破開挖引起圍巖振動及應力調整而出現圍巖較大損傷度，使圍巖的力學性能劣化，從而降低圍巖的穩定性。為此，可采取數碼雷管控制爆破技術，對爆破時刻進行精準控制，一方面可以使爆破后的斷面輪廓圓順，另一方面還可以有效控制圍巖的超欠挖和降低圍巖的爆破損傷度。

2.3 隧道斷面分塊開挖順序難以確定

對于超大跨或巨跨隧道工程來說，由于工程案例較少，設計及施工經驗匱乏，能夠借鑒的工程經驗較少。一般來說，對于超大跨隧道的開挖，主要有兩種方法：一是先在斷面一側或兩側開挖導洞，然后再對斷面中部圍巖采用跳挖方式進行施工；另一種方法就是直接把斷面劃分成若干分區，按照一定的順序進行開挖支護，一般多從斷面中部開始開挖，然后進行兩側部分開挖。

在隧道A正式施工之前，在斷面左側已經形成了一個寬5.3 m，高9.6 m的貫通導洞，為隧道后續開挖施工提供了便利條件。參考既有超大跨或巨跨隧道開挖施工經驗，遵循“先上后下，先中部后兩側，快挖快支，控制松動”的原則，綜合上述兩種開挖方法，確定斷面開挖順序（如圖1所示）。為了驗證此開挖方案的安全性，采用FLAC3D軟件建立三維數值模型，對施工過程的力學響應進行數值模擬。

3 隧道開挖施工過程的數值模擬分析

3.1 計算模型的建立

將隧道圍巖視為各向同性的、均勻的連續介質。隧道開挖支護過程的力學分析采用連續介質力學方法，利用大型商業差分軟件FLAC3D建模。考慮隧道施工力學模型的尺寸有限，因而將隧道分析模型頂面以上巖體的重力作用視為由其產生均布的豎向力，并作用在模型上表面。

假設圍巖為彈塑性材料，服從Mohr-Coulumb屈服準則。計算模型寬170 m，高128 m，縱向長度43.2 m，模型中隧道拱頂到模型上表面的距離為60 m，模型上表面施加7.2 MPa的面力來模擬上方圍巖的自重作用。圍巖采用六面體等參數實體單元模擬，C25噴混凝土層采用彈性的二維殼單元（shell）模擬，錨桿采用一維結構桿單元（cable）模擬。模型中共劃分了157 680個實體單元，166 315個節點，31 068個結構單元。該次力學分析是基于隧道開挖實現光面爆破效果之上，隧道周邊圍巖受爆破影響后的力學性能劣化被有效控制。

3.2 模擬施工過程

模型中隧道斷面的每一分部的單次開挖進尺均為3.6 m。計算模擬隧道施工過程如下：先開挖并支護斷面左側平導，直至平導貫通—開挖并支護斷面上部中部—開挖并支護斷面上部右側—開挖并支護斷面上部左側—開挖并支護斷面下部右側—開挖并支護斷面下部左側—開挖并支護斷面下部中部—開挖并支護斷面下部右側。每部的支護施作滯后本部一個開挖步（即3.6 m），以模擬開挖后的圍巖應力釋放現象。每一分部的開挖面超前下一部開挖面3個掘進進尺，即10.8 m。隧道斷面每一部開挖后的初期支護包括噴混凝土和打設錨桿。平導施工模擬共13個計算步，正洞施工模擬共31個計算步。

3.3 計算參數確定

隧道圍巖為微風化～弱風化花崗巖，圍巖級別劃分為Ⅲ級，噴混凝土的強度等級為C25，參考中華人民共和國國家標準《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014）對圍巖的物理力學參數取值，噴混凝土及錨桿的參數取值主要參考《鐵路隧道設計規范》（TB10003—2016）取值。圍巖及噴混凝土層的物理力學參數取值如表1所示。

錨桿桿體彈模200 GPa，錨桿直徑φ25，注漿體直徑φ42，注漿體黏聚力400 kPa，內摩擦角30 °。隧道變形及受力分析針對模型中部斷面進行。

3.4 計算結果及分析

3.4.1 變形分析

在平導施工階段，僅左側墻中水平位移處于顯著增大態勢，但總的量值均較小，由于此階段其他各測點均有圍巖支撐，所以其他各點位移均很小，拱頂沉降為0.78 mm。隨著正洞各部的相繼開挖施工，各點處位移開始趨于增大，除了拱頂沉降變化顯著外，其他各點的水平位移均較小。施工完成后拱頂沉降最大值為30 mm。拱部豎向位移較大，拱頂處最大，為30 mm，豎向位移分布近似對稱；水平位移最大值出現在隧道左側墻中部位，位移值為3.9 mm，斷面左側水平位移大于右側水平位移。

3.4.2 噴混凝土層應力

平導及正洞施工完成后，隧道拱部及邊墻處噴混凝土層最大應力出現在右側拱腰部位和左側拱腰靠近拱頂側部位，最大應力為3.59 MPa，由于噴混凝土層中鋼筋網的存在及鋼筋彈模遠大于噴混凝土的彈模，因而噴層在承受拉應力時首先由鋼筋承擔，然后再轉移給混凝土噴層，但在施工過程中應注意觀察噴混凝土層是否出現裂紋，如果出現裂紋，則需進一步監測其擴展情況，必要時采取初支補強措施。

3.4.3 錨桿應力

平導及正洞施工完成后，錨桿最大應力出現在左側高邊墻中部錨桿，最大應力為287 MPa，錨桿材料為HRB400，其屈服強度為400 MPa，抗拉極限強度540 MPa。由此可知，錨桿的受力是安全的。

3.4.4 圍巖塑性區

平導及正洞施工完成后，圍巖塑性區分布特征呈蝴蝶狀，塑性區主要分布在兩側拱腰和底板以下靠近兩側邊墻處，拱部塑性區的大小直接影響隧道的穩定性，而底板以下塑性區大小對隧道穩定性影響較小。由于斷面形狀及施工的非對稱性，斷面右側塑性區面積略大于左側，底板以下右側塑性區明顯大于左側。拱部兩側拱腰塑性區深度近12 m，兩側邊墻圍巖塑性區厚度僅有2.9 m。在隧道開挖后，應及時施作長錨桿，以實現對巖體的緊固作用。

4 監控量測及分析

隧道施工過程中在K0+467布置監測斷面，主要對隧道拱頂沉降進行監測。在拱部①部開挖后，拱頂早期沉降快速增長，隨后趨緩；隨著②、③部的相繼開挖，拱頂沉降又有小幅度的快速增長，隨后其他部位的相繼開挖施工過程中，拱頂沉降緩慢增長。由于圍巖穩定性較好，因而拱頂沉降很快趨于穩定。對應于拱部①部、右側②部及左側③部的相繼開挖，拱頂沉降速率均出現峰值，其中拱部①部開挖后的增速最大。隧道穩定后實測拱頂沉降值21.4 mm，小于數值計算結果的30 mm，其主要原因是在安裝測點后開始量測時，拱頂已經發生了一部分彈性位移。若考慮監測前拱頂沉降的丟失位移，則實測拱頂沉降值與模型計算值就會比較接近。

5 結語

某超大跨隧道工程開挖跨度33.5 m，開挖面積達到435.5 m2，穿越圍巖巖性主要為中風化～弱風化花崗巖，圍巖等級為Ⅲ級。針對隧道斷面形狀、跨度大小及圍巖的穩定特性，對隧道施工技術進行研究，得到主要結論如下：

（1）針對隧道斷面及圍巖穩定特性，分析了隧道施工所面臨的難題，并提出了相應的應對技術措施。

（2）基于工程類比法確定了隧道斷面的開挖分部及開挖順序。通過三維數值模擬方法分析了隧道施工過程中的隧道變形、支護受力及圍巖塑性區分布特征，計算結果表明所采用的施工方法能夠保證施工安全。

（3）隧道施工過程中拱頂沉降監測數據表明，拱部開挖工序對拱頂沉降影響顯著，相應的沉降速率也較大。拱頂沉降實測值為21.4 mm，小于數值計算結果值30 mm。考慮監測實施之前拱頂沉降的丟失位移，拱頂沉降監測值與數值計算結果還是比較接近的。

參考文獻

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收稿日期：2024-01-18

作者簡介：程東賀（1988—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程隧道開挖及支護。