淺埋偏壓大跨度隧道進(jìn)洞口施工方法探討

■劉永周

（龍巖東環(huán)高速公路有限責(zé)任公司，龍巖 364000）

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度增大，高速公路隧道尤其是山嶺隧道得到了迅猛發(fā)展，主要表現(xiàn)為數(shù)量增多、長度加大、跨度增加和結(jié)構(gòu)形式多樣化。隧道洞口斷面施工是隧道建設(shè)工程中的難題，又通常是整條隧道施工的控制工程，決定著整條隧道的進(jìn)度和質(zhì)量。隧道洞口段，尤其是大斷面隧道通常面臨工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大等特點(diǎn)[1]，同時(shí)洞口段極易受地形偏壓而導(dǎo)致滑坡、大變形破壞。

國內(nèi)對于大斷面、大跨度隧道施工過程中的圍巖變形及襯砌受力研究取得了一定程度的進(jìn)展，楊建華[2]、劉德平[3]針對軟弱圍巖情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了墻腳處的底部圍巖，在整個(gè)施工過程中都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。王志等[4]通過三維有限元分析方法對前黃隧道下穿高速公路段進(jìn)行了分析，得出采用大管棚超前支護(hù)對于控制隧道拱頂沉降效果良好，隧道拱頂沉降和水平收斂位移受隧道縱向開挖空間效應(yīng)和覆蓋層厚度的影響。

大跨度隧道開挖跨度大，施工工序復(fù)雜，對圍巖造成多次擾動(dòng)，土體受力復(fù)雜。因此，應(yīng)在施工前對襯砌及圍巖變形進(jìn)行研究，確保施工安全可控[5]。但國內(nèi)目前已建成的大跨度公路隧道比較少，特別是對于大跨度隧道洞口段施工方法的工程實(shí)踐仍然不足。本文結(jié)合公山尾隧道，對大跨度淺埋偏壓隧道洞口段的施工方法進(jìn)行研究，為大跨度隧道洞口段設(shè)計(jì)施工和現(xiàn)場檢測提供借鑒與參考。

2 工程概況

公山尾隧道為單向分離式隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h。隧道左洞ZK15+166～ZK16+102，長967m，右洞YK15+153～YK16+091，長938m，屬中長隧道。斷面面積在150m2以上，屬于大斷面隧道。隧址區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地表植被發(fā)育，地形起伏變化大，下緩上陡，山脊陡峭，山體走向大致成南北向，隧道軸線最大海拔高程為225m，進(jìn)口處地面高程 45.0～55.0m，坡度約為 15～30°，上覆坡殘積粘性土-強(qiáng)化砂巖，未見基巖出露，坡體較穩(wěn)定，但左洞進(jìn)口位于沖溝底部，極易受雨季洪水影響。出口處地面高程50.0～65.0m，坡度約 10～20°，上覆約 5m 的坡積土層，未見基巖出露，坡體較穩(wěn)定。

隧道出口段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，且結(jié)構(gòu)面有填充物，圍巖自穩(wěn)能力差。洞口上覆厚層稍密素填土分布，結(jié)構(gòu)松散，開挖后穩(wěn)定性極差（圖1）。隧道軸線與山體走向斜交，造成山體對隧道洞口段產(chǎn)生偏壓，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均勻。右側(cè)隧道出口處于靠近坡體破面一側(cè)，在洞口部分區(qū)段淺埋，洞身圍巖厚度不足且不均勻，隧道靠近破面的一側(cè)承受較大的剪力作用，隧道施工擾動(dòng)極易產(chǎn)生冒頂坍塌、失穩(wěn)。

圖1 公山尾右側(cè)隧道出口

3 隧道洞口開挖方法

隧道洞口處上覆坡積土層，如果采用挖方的處理方式，需要挖除前面30m的軟弱地層段。這種方式雖然可以通過挖除淺埋段降低施工難度和減少隧道長度，但是土方開挖量巨大，開挖兩側(cè)形成的高邊坡需要做相應(yīng)的防護(hù)措施（邊坡、擋墻），而且后期運(yùn)營隱患巨大，對整體環(huán)境破壞大，破環(huán)山體穩(wěn)定，影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)環(huán)境，并導(dǎo)致工程造價(jià)增加。

因此大跨度隧道洞口段施工，應(yīng)先對地層進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)加固處理，再使用分部開挖法。利用輔助施工措施化大為小，從而盡快地沿開挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu)，再開挖核心土和仰拱。大跨度隧道主要施工方法有：上半斷面超前短臺階分步法、中隔墻法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、柱洞法等。

通過調(diào)研隧道洞口段施工方案的工程實(shí)例，將本工程現(xiàn)場實(shí)際情況與新奧法在隧道工程施的應(yīng)用相結(jié)合，考慮到公山尾隧道斷面形狀和目前的施工技術(shù)水平，現(xiàn)對兩臺階四步開挖法與四步中隔墻法進(jìn)行對比研究。

3.1 四步臺階開挖法

臺階法是指超前開挖隧道上部斷面（上臺階）一定距離后開始開挖下部斷面（下臺階），上下臺階同時(shí)并進(jìn)的施工方法。其具有增加工作面，前后開挖干擾小，一次開挖面積較小，降低對圍巖的擾動(dòng)利于掌子面穩(wěn)定，特別是下臺階開挖較為安全的優(yōu)點(diǎn)，如圖2及圖3所示。

圖2 臺階法開挖立面圖

圖3 臺階法開挖縱斷面圖

臺階法分部開挖施工每臺階步距為3m，從一臺階到仰拱處距離為15 m。臺階法分部開挖工況的施工工序?yàn)椋簝膳_階四步法開挖分為上下2個(gè)臺階和4個(gè)部分進(jìn)行開挖。先開挖上部臺階①部，上部開挖完成后施作上部洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)，即初噴混凝土，架立鋼架，施作噴錨支護(hù)，噴混凝土的厚度為28cm。上臺階施工至3m后，開挖下部臺階左側(cè)②部，施作下臺階左側(cè)洞身的初期支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)同①部。②部施工至3m后，開挖下部臺階右側(cè)③部，施作下臺階右側(cè)洞身的初期支護(hù)。然后開挖核心土④部，并與上下臺階保留步距3m。最后開挖仰拱，并且及時(shí)進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的封閉和仰拱的開挖和澆注。臺階間距控制在3m，以減少前后工序之間的干擾，確定上下臺階之間并無相互影響之后，可進(jìn)行上下臺階的同時(shí)開挖。

3.2 四步中隔墻開挖法

四步中隔墻法是在臺階法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要適用于軟弱圍巖大跨度且對圍巖沉降變形控制嚴(yán)格的隧道。其采用先分部開挖隧道的一側(cè)，并施作中隔壁，然后再分部開挖另一側(cè)的施工方法。四步中隔墻法施工法工序如圖4所示。

圖4 四步中隔墻法施工流程

四步CD法分別開挖斷面的四個(gè)部分，開挖的每一側(cè)都各自封閉成環(huán)，有利于圍巖穩(wěn)定，保證施工安全，如圖5及圖6所示。

圖5 四步中隔墻法施工立面圖

圖6 四步中隔墻法施工縱斷面圖

中隔墻法分部開挖施工每部分步距亦為3m，左右部分間距6m。中隔墻法分部開挖工況的施工工序?yàn)椋?/p>

（1）人工風(fēng)鎬開挖（必要時(shí)弱爆破）或者機(jī)械開挖①部；

（2）施作①部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，即進(jìn)行鋼架的架立和橫撐的設(shè)立，設(shè)洞身錨桿及鎖腳錨桿、布置周邊初期支護(hù)鋼筋網(wǎng)；然后進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)至設(shè)計(jì)厚度28cm；

（3）開挖②部；②部與①部間距保持在3m；

（4）施作②部洞室周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)同①部；

（5）按順序開挖③、④部并施做初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，施工步驟同上，導(dǎo)坑底部安設(shè)鋼架封閉成環(huán)，噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度；

（6）逐步拆除臨時(shí)鋼架；（7）施作仰拱。

4 隧道開挖數(shù)值模擬

采用Midas有限元分析軟件分別對四步中隔墻法、四步臺階開挖法進(jìn)行對比分析。為方便比較，兩種開挖方法均采用同一施工方案及同樣材料的超前支護(hù)和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4.1 計(jì)算模型與參數(shù)

隧道圍巖級別為Ⅴ級，采取由進(jìn)口方向向出口方向單方向開挖。該隧道最大開挖跨度16.2m，根據(jù)隧道位置考慮隧道左右各3倍開挖跨度為計(jì)算范圍。兩側(cè)邊界條件采用X方向位移約束，前后邊界采用Y方向位移約束，底部邊界條件采用Z方向位移約束。圖7為四步中隔墻法計(jì)算模型，圖8為四步臺階法計(jì)算模型。隧道計(jì)算模型如圖9所示。

圖7 四步中隔墻法

圖8 四步臺階法

圖9 隧道計(jì)算模型

對洞口段上覆坡積土層及風(fēng)化砂巖采用摩爾庫倫各向同性實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)噴射混凝土采用彈性板單元模擬，采用彈性植入式桁架單元模擬錨桿，并且使加固區(qū)圍巖內(nèi)摩擦角不變，通過提高加固區(qū)圍巖粘聚力來模擬超前支護(hù)的作用。根據(jù)新奧法的原理，二次襯砌作為安全儲備，因此模型不考慮二次襯砌的影響，材料參數(shù)見表1。

4.2 位移對比分析

臺階法開挖隧道的位移變形模擬結(jié)果如圖10所示。臺階法施工拱頂沉降比較大，核心土開挖時(shí)發(fā)生的沉降量最大，最終得到拱頂沉降值為16.29mm，說明拱頂在失去核心土的作用后會發(fā)生較大的沉降，而且變形幅度比中隔墻法大5.45mm，變形較大的部位也比中隔墻法范圍大。臺階法拱腰和拱腳處的沉降量也比中隔墻法的沉降量大0.903mm左右，說明臺階法對沉降的控制劣于中隔墻法。

此外臺階法施工拱底的方向位移隨著核心土的開挖呈現(xiàn)出一定程度的起拱，相較于中隔墻法小，這是由于核心土開挖對隧道底部雖然表現(xiàn)為卸載作用，引起底部起拱，但及時(shí)施作仰拱隧道封閉成環(huán)抑制了底部起拱變形。由此上可知，臺階法開挖過程中核心土開挖對位移影響較大，因此施工中要特別注意核心土開挖時(shí)間，并及時(shí)施作仰拱。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖10 臺階法開挖Z方向位移圖

中隔墻法開挖隧道的位移變形模擬結(jié)果如圖11所示。拱頂沉降比較大，拆除中隔墻臨時(shí)支撐時(shí)發(fā)生的沉降量最大，最終沉降值為10.84mm，說明拱頂失去中隔墻支撐之后會發(fā)生較大的沉降。

拱頂?shù)乃轿灰坪苄?，但拱腰和拱腳處的水平位移比較大，均向洞內(nèi)方向發(fā)生位移，這是因?yàn)楣绊斒ヅR時(shí)支撐后，上部荷載由開挖形成的拱來承擔(dān)，致使拱腰處受到較大的水平壓力，從而發(fā)生向洞內(nèi)的水平位移。

圖11 中隔墻法開挖Z方向位移圖

在拆除臨時(shí)支撐時(shí)，拱頂開始產(chǎn)生較大的沉降變形，同時(shí)拱底的Z方向位移也主要發(fā)生了最大6.52mm的位移變形，表現(xiàn)為向上起拱，原因是拆除臨時(shí)支撐對隧道底部表現(xiàn)為卸載作用。因此，臨時(shí)支撐在中隔墻法開挖中具有必要的作用，以及拆除臨時(shí)支撐對隧道結(jié)構(gòu)的變形將產(chǎn)生較大的影響。所以在隧道開挖過程要及時(shí)支護(hù)保護(hù)臨時(shí)支撐，并選擇合理時(shí)間予以拆除。

結(jié)果表明臺階法開挖和中隔墻法開挖都滿足規(guī)范要求，但中隔墻法開挖相較于臺階法開挖對變形控制效果更好。

5 結(jié)論

本文依托公山尾隧道為工程背景，采取MIDAS數(shù)值模擬方法，針對大跨度隧道洞口薄弱段的開挖方法進(jìn)行分析研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）臺階法中核心土開挖對位移影響較大，因此施工中要特別注意核心土開挖時(shí)間，并及時(shí)施作仰拱。

（2）中隔墻臨時(shí)支護(hù)拆除后，圍巖在拱頂處會產(chǎn)生較大的變形，因此應(yīng)選擇合適的時(shí)間對臨時(shí)支撐予以拆除。

（3）中隔墻法在控制變形上優(yōu)于臺階法，其安全性更好。

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