城市地下軟弱圍巖超大斷面隧道施工工法

張君寶，李昌存，李韞芃，郭愛鵬，李 勇，陶志剛

（1. 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 河北 唐山 063200；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100089；3. 深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518003）

21世紀(jì)以來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷騰飛，越來越多的人口涌入城市，城市的交通壓力越來越大。傳統(tǒng)的兩車道小斷面隧道已經(jīng)明顯不能解決現(xiàn)在的交通擁堵問題，對單洞三車道、四車道超大斷面隧道工程的需求日益增加（田四明等，2020；張鐵柱等，2012；Naylor et al., 1981）。但是超大斷面隧道由于其自身的特點(diǎn)，在跨越軟弱圍巖地層時(shí)更容易發(fā)生圍巖大變形，在隧道開挖過程中，開挖工法的選擇對隧道圍巖造成的擾動(dòng)影響占有很大比重，目前分析圍巖穩(wěn)定性的方法有理論分析、工程類比和數(shù)值模擬等，其中數(shù)值模擬分析法是最適合研究隧道圍巖穩(wěn)定性的方法（LI Pengfei, 2016；WANG Bo et al., 2017）。

在隧道施工時(shí)，對圍巖的擾動(dòng)在時(shí)間和空間上的影響是不可逆的（宗澤，2019）。因此，為對隧道圍巖的變形進(jìn)行控制，開挖工法的選擇在超大斷面軟弱圍巖隧道施工過程中十分重要（朱寶合，2020）。

另外，對國內(nèi)大斷面軟弱圍巖隧道工程的開挖工法進(jìn)行了一系列調(diào)查分析。在蘭渝鐵路木寨嶺隧道段對上下臺階預(yù)留核心土法、三臺階法和三臺階七步法進(jìn)行了對比研究（沙鵬等，2015；黃明利等，2016）；在宜巴高速公路的峽口隧道部分，研究的隧道開挖工法有上下臺階預(yù)留核心土法和環(huán)形開挖預(yù)留核心土法（李鴻博等，2011）；根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場檢測，認(rèn)為在蘭新鐵路的大梁隧道部分適用三臺階七步法施工（李鵬飛等，2013）；在汶馬高速公路的鷓鴣山隧道對三臺階預(yù)留核心土法和上下臺階預(yù)留核心土法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)認(rèn)為三臺階預(yù)留核心土法最為合適（孟陸波等，2017）。依托實(shí)地工程，利用 FLAC3D建立隧道三維數(shù)值模型，對不同開挖工法在深埋超大斷面隧道的開挖過程中圍巖擾動(dòng)的情況進(jìn)行研究（管新邦，2018）；利用FLAC3D軟件對臺階法、CD法和CRD法3種施工工法進(jìn)行對比分析，得出在相同的支護(hù)條件下，CD法施工相較于臺階法和CRD法，對圍巖的擾動(dòng)影響較小（劉希亮，2018）。通過FLAC3D軟件中對隧道施工工法以及圍巖變形支護(hù)進(jìn)行模擬計(jì)算研究，證明FLAC3D在地下工程方面具有很強(qiáng)的適用性（吳小萍等，2018；LI Weiteng et al., 2017）。

以往學(xué)者對軟弱圍巖超大斷面隧道圍巖施工工法進(jìn)行有限元模擬研究時(shí)，并未通過實(shí)地勘探獲取地層參數(shù)、劃分詳細(xì)地層，所建立隧道模型粗糙，使得模擬結(jié)果往往達(dá)不到現(xiàn)場施工的預(yù)計(jì)要求，后期維護(hù)成本較大。

因此為使數(shù)值模擬結(jié)果更接近實(shí)際工程，本文進(jìn)行實(shí)地勘察，借助測井資料詳細(xì)劃分地層，并通過室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)得到地層巖體物理參數(shù)，再采用建模軟件Rhino 6與有限差分軟件相結(jié)合的方法，建立極為細(xì)致的隧道模型，并進(jìn)一步分析僑城東路隧道的位移、應(yīng)力場分布特征，之后進(jìn)行相似比物理模型實(shí)驗(yàn)，對比數(shù)值模擬結(jié)果，探究最適合僑城東路東線隧道標(biāo)準(zhǔn)段的施工工法，為深圳立體交通項(xiàng)目整體施工提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

僑城東路北延通道工程隧道最大開挖跨度達(dá)32 m，為世界之最，相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)超出現(xiàn)行規(guī)范范疇。隧道大多位于部九窩渣土場下方，隧道拱部為強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖甚至素填土，且地下水位高，圍巖級別差，隧道設(shè)計(jì)、施工風(fēng)險(xiǎn)高，如圖1所示。

圖1 僑城東路—寶鵬通道立交處隧道工程概況Fig. 1 An overview of the tunnel works at the East Qiaocheng Road - Baopeng Passage Interchange

2 僑城東路北延通道工程圍巖大變形機(jī)理

2.1 隧道圍巖物理力學(xué)特性

圍巖的力學(xué)特性是影響隧道變形的根本因素。因此對原位鉆探所取巖石樣品的巖性、巖石參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究（圖2），主要包括：單軸抗壓強(qiáng)度（巖芯較破碎，可取巖樣做點(diǎn)荷載試驗(yàn)）；隧道工點(diǎn)選擇部分樣品作密度、彈性模量（E）、泊松比、抗拉試驗(yàn)、單三軸等試驗(yàn)。隧道從上到下依次是素填土、塊狀強(qiáng)風(fēng)化中?；◢弾r、全風(fēng)化中?；◢弾r、中風(fēng)化中?；◢弾r、微風(fēng)化中?；◢弾r。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖2 隧道鉆孔及樣品整理Fig. 2 Tunnel drilling and sample arrangement drawing

表1 隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Physical parameters of tunnel surrounding rock mass

通過對現(xiàn)場進(jìn)行地應(yīng)力測量，可知隧道周圍最大水平主應(yīng)力為13.28 MPa，垂直應(yīng)力為25.98 MPa，通過對比分析單軸抗壓強(qiáng)度與隧道應(yīng)力大小得出：隧道開挖后，圍巖的最大應(yīng)力超過了隧道頂部的全風(fēng)化花崗巖，因此圍巖會(huì)很快發(fā)生大變形，且中風(fēng)化與微風(fēng)化中?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度均大于圍巖的最大應(yīng)力，則隧道位移應(yīng)該表現(xiàn)為拱頂沉降量最大，拱底的收縮量最小。隧道周圍巖體抗壓強(qiáng)度高，拱底隆起小，隧道頂周圍的應(yīng)力難以向下釋放，會(huì)集中在隧道的兩側(cè)，并對隧道的兩側(cè)進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致水平位移較大。

2.2 隧道圍巖大變形機(jī)理

基于上述測試與研究成果，分析得出僑城東路北延通道工程超大斷面隧道軟弱圍巖大變形的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）隧道地應(yīng)力高，素填土、塊狀強(qiáng)風(fēng)化與全風(fēng)化中粒強(qiáng)度較低。因此在隧道開挖后極易發(fā)生破壞，并向下發(fā)生沉降，隧道拱頂變形量最大，拱底的變形量相對較小，隧道兩側(cè)受到擠壓，也會(huì)發(fā)生一定程度的大變形。

（2）在擬建隧道場地附近主要發(fā)育有多條斷裂，多與隧道呈大角度相交，受地質(zhì)歷史上多次區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，場地基巖構(gòu)造裂隙普遍較發(fā)育，錨索排距過密可能會(huì)導(dǎo)致巖體破碎，且圍巖裂隙除成為地下水的蓄水空間及滲水通道外，對洞身圍巖的穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立數(shù)值模型

模型根據(jù)僑城東路隧道標(biāo)準(zhǔn)段K3+355—K3+395段實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行建模處理。為保證數(shù)值模擬結(jié)果精確，建立146 m×140 m×40 m的隧道模型，開挖跨度達(dá)20.97 m，高10 m，隧道橫向方向左右各留63 m（3倍洞徑，消除邊界影響），底部留42 m（2倍洞徑，消除邊界影響），拱頂至地表，隧道縱向長度取40 m，整體進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型計(jì)算分析采用mohr-coulomb（摩爾-庫倫）準(zhǔn)則，null（挖空/刪除）模型模擬隧道開挖工法，cable（錨索）單元和shell（襯砌）單元共同模擬圍巖支護(hù)控制。在隧道底和4個(gè)側(cè)方向上施展約束力，頂部施加自重力，形成模型初始應(yīng)力場。其中模型初始位移場作為土體固結(jié)產(chǎn)生的原始位移，在隧道開挖施工時(shí)已經(jīng)經(jīng)過多年變形完成，因此在隧道開挖工法模擬開始時(shí)將位移化為零。該隧道結(jié)構(gòu)斷面圖及圍巖初支如圖3所示，隧道圍巖支護(hù)參數(shù)如圖4所示。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)模型Fig. 3 Tunnel structure section drawing and initial support control drawing

圖4 支護(hù)方案及數(shù)值計(jì)算模型Fig. 4 Support scheme and numerical calculation model

3.2 開挖工法模擬

為研究不同的開挖工法對超大斷面隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性的影響，分別對全斷面法、CRD法、三臺階法和三臺階七步預(yù)留核心土法進(jìn)行模擬計(jì)算。對比分析模擬結(jié)果，得出最安全合理的施工工法。具體開挖方案如圖5所示。

圖5 4種工法開挖方案Fig. 5 The excavation plan of four construction methods

4 結(jié)果與討論

4.1 不同施工工法下隧道圍巖位移分布

采用全斷面法，CRD法，三臺階法，三臺階七步預(yù)留核心土法施工時(shí)的圍巖位移云圖如圖6、圖7所示。

圖6 隧道垂直位移云圖Fig. 6 Tunnel vertical displacement cloud map

圖7 隧道水平位移云圖Fig. 7 Tunnel horizontal displacement cloud map

通過圖6可知，4種不同的開挖工法，隧道頂部垂直位移均大于底部垂直位移，在隧道頂部形成了冒落拱。采取全斷面法開挖隧道時(shí)拱頂?shù)目v向位移量最大，為0.51 m；CRD法和三臺階法拱頂下沉位移量相差不多，位移分別為0.48 m和0.49 m，三臺階七步預(yù)留核心土法拱頂下沉位移量最小。采用CRD法和三臺階法施工時(shí)對隧道巖土體開挖高度較大，因此導(dǎo)致隧道頂部位移變大。因此在該隧道施工中應(yīng)特別注意隧道拱頂以及拱肩的圍巖變形情況，采取有效的控制手段。

通過圖7可知，采用全斷面法、三臺階法、CRD法和三臺階七步預(yù)留核心土法進(jìn)行隧道開挖時(shí)，圍巖在橫向方向上的位移主要集中于隧道的拱肩和拱腰位置，且左右兩側(cè)橫向變形大致呈對稱分布，隧道左側(cè)水平位移略大于右側(cè)，隧道兩側(cè)向隧道內(nèi)部發(fā)生擠壓。在水平方向上，全斷面施工引起的位移最大，為0.39 m；CRD和三臺階法接近，分別為0.36 m和0.38 m，三臺階七步預(yù)留核心土法在水平方向上引起的位移最小，為0.27 m。

4.2 不同施工工法下隧道圍巖應(yīng)力分布

隧道在進(jìn)行施工之后，其圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，原來的平衡狀態(tài)不復(fù)存在，隧道的局部應(yīng)力會(huì)突然增加。僑城東路隧道標(biāo)準(zhǔn)段屬于淺埋地下工程，其垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力。4種開挖工法的應(yīng)力分布云圖如圖8、圖9 所示。根據(jù)應(yīng)力云圖可知，在隧道的拱頂、拱底和拱腰處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象?？梢娂词乖跍\埋的情況下，隧道頂?shù)撞亢凸把恢靡捕汲霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，其中最大拉應(yīng)力都集中在隧道的拱腰處，頂?shù)撞康睦瓚?yīng)力小于兩側(cè)，應(yīng)力云圖整體沿隧道中線呈現(xiàn)對稱分布。

圖8 隧道垂直應(yīng)力云圖Fig.8 Tunnel vertical stress cloud map

圖9 隧道水平應(yīng)力云圖Fig. 9 Tunnel horizontal stress nephogram

由圖8可知，隧道開挖后造成圍巖最大垂直主應(yīng)力：全斷面法為25.2 MPa，三臺階法為20.1 MPa，CRD法為19.3 MPa，三臺階七步預(yù)留核心土法為18.9 MPa。施工造成的垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象，三臺階七步預(yù)留核心土法較輕，全斷面法較重。由圖9可知，在隧道開挖完成后造成的圍巖最大水平應(yīng)力：全斷面法最大為11.72 MPa，其次為三臺階法為11.02 MPa，CRD法為10.90 MPa，三臺階七步預(yù)留核心土法最小為10.07 MPa。

4.3 室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)

在數(shù)值模擬方法尚未完全成熟可靠的現(xiàn)階段，室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)具有重要作用，是了解巖土工程相關(guān)力學(xué)特征的重要手段，也可以對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)是一種將工程問題簡化然后按一定相似比例縮小的實(shí)驗(yàn)方法，通過物理模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得工程現(xiàn)場中無法獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而反饋設(shè)計(jì)。采用幾何相似理論以及應(yīng)力相似條件獲得模型受力后的變形及應(yīng)力分布特征，從而反饋至實(shí)際巖土工程中，是了解巖土工程相關(guān)力學(xué)特征的重要手段。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及結(jié)果如圖10所示。

圖10 相似模擬實(shí)驗(yàn)Fig. 10 Similar simulated experimental

為節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備尺寸為：長×寬×高為1.6 m×1.6 m×0.4 m。加壓方式采用垂直加壓及兩側(cè)加壓，垂直加壓模擬隧道所受垂直應(yīng)力，水平加載模擬水平最大主應(yīng)力。通過對地勘資料分析，垂直地應(yīng)力為13.28 MPa，最大水平應(yīng)力25.98 MPa。根據(jù)2.1節(jié)隧道圍巖物理力學(xué)特征知，隧道所處微風(fēng)化中?；◢弾r單軸抗壓強(qiáng)度約為54.25 MPa，選取強(qiáng)度相似比為30，因此相似材料單軸強(qiáng)度應(yīng)該在1.8 MPa左右。通過對不同配比下的相似材料試驗(yàn)分析，最終選取重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水作為相似材料。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在無錨索支護(hù)下，隨著時(shí)間的增加，隧道左拱肩以及拱腰處附近出現(xiàn)了離層現(xiàn)象，右拱肩以及拱腰處巖石塊體有滑移現(xiàn)象。隧道拱頂處發(fā)生明顯剝離現(xiàn)象，變形破壞嚴(yán)重。通過與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在數(shù)值模擬與模型實(shí)驗(yàn)中，隧道的拱頂在開挖后均發(fā)生了大變形，隧道底變形不明顯。但數(shù)值模擬中隧道兩側(cè)出現(xiàn)的大變形情況，在物理相似比模型實(shí)驗(yàn)中并未出現(xiàn)，這是由于只選擇了隧道所在巖層微風(fēng)化中粒花崗巖進(jìn)行相似比實(shí)驗(yàn)，不能將隧道施工后的情況完整的展現(xiàn)。

5 結(jié)論

綜合4種施工工法，對僑城東路隧道標(biāo)準(zhǔn)段開挖過程中圍巖的位移、應(yīng)力的分布規(guī)律和應(yīng)變的變化進(jìn)行對比分析：

（1）從位移云圖來看，三臺階七步預(yù)留核心土法引起的位移變化量最小，CRD法和三臺階法接近，全斷面法最大。在隧道周圍巖體上都有應(yīng)力集中現(xiàn)象，在埋深較淺的情況下，都產(chǎn)生了拉應(yīng)力。全斷面法施工造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象較重，三臺階七步預(yù)留核心土法施工時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)集中現(xiàn)象較輕。

（2）4種開挖工法下圍巖位移均表現(xiàn)為拱頂下沉，拱底隆起，兩側(cè)向隧道內(nèi)擠入。隧道頂部、底部和兩側(cè)是應(yīng)力集中的主要部位，與理論分析結(jié)果相同。室內(nèi)相似比物理模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果，也證明PR錨網(wǎng)索支護(hù)體系不適用于軟弱圍巖超大斷面隧道的初期支護(hù)。

（3）總體來看，三臺階七步預(yù)留核心土法因?yàn)槠溟_挖距離短，開挖高度低，因此對圍巖擾動(dòng)較另外3種工法較小，初期支護(hù)工序操作便捷；當(dāng)圍巖變形較大時(shí)，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，也可盡快調(diào)整閉合時(shí)間，更避免了施工后的大量拆除工作。因此選擇三臺階七步預(yù)留核心土法是僑城東路北延通道工程的最佳施工工法。但隧道圍巖仍然發(fā)生了大變形，因此需要特別注重初期支護(hù)方案的設(shè)計(jì)。

致謝：本研究依托于《復(fù)雜地質(zhì)條件下城市大型地下互通立交特大斷面隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究》項(xiàng)目，在此感謝合作單位——深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院深圳有限公司提供的幫助。