連拱隧道三導洞和臺階法施工工法的比較

曹艷龍

（山西交通控股集團有限公司呂梁北高速公路分公司，山西 呂梁 033100）

1 工程概況

某連拱隧道起訖樁號K49+586 ～K49+884，隧道凈長298m。結合地質調繪及物探、鉆探勘察結果，隧道圍巖主要為寒武系三游洞組地層和局部薄層第四系沖洪積物，夾雜風化、溶蝕強烈且分布不均的白云巖。圍巖范圍內地下水較為發(fā)育，并以巖溶水和裂隙水為主，依靠大氣降水補給；地表水主要以沖溝水為主，流量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。隧道最大埋深為44.5m，連拱跨度28.41m，單個隧道寬12.20m，高8.2m。

2 施工工法模擬

2.1 模型構建

采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件和三維彈塑性本構模型進行連拱隧道開挖支護過程的有限元模擬，具體而言，首先通過ANSYS 建模，再借助ANSYS-FLAC3D 導入軟件將ANSYS模型導入FLAC3D 中計算[1]。

考慮到該連拱隧道應力場較為復雜，施工期間隧道應力場會發(fā)生多次重分布，并表現(xiàn)出受拉、受壓、剪切、塑性破壞，這就要求本構模型必須符合Mohr-Coulmb 準則。隧道圍巖、中隔墻模擬通過實體單元進行，初期支護結構則通過板單元進行模擬，錨桿通過植入型桁架模擬。根據(jù)Mohr-Coulmb 準則，中隔墻和支護結構服從彈性變形，連拱隧道支護參數(shù)詳見表1。進行連拱隧道模型構建時僅考慮其自重應力，模型上下及左右長度分別按照跨徑的3 倍和5 倍取值，上邊界按照山體走勢模擬，其余邊界則采用位移約束[2]。

表1 連拱隧道支護參數(shù)

2.2 施工過程模擬

連拱隧道常見的施工工法主要有臺階法、CRD 法和三導洞法，考慮到該隧道單洞跨度小，CRD 開挖法并不適用，故只進行臺階法和三導洞法的比較。

（1）臺階法的施工次序為：1 開挖中導洞→2 中導洞初支→3 中隔墻澆筑→4 開挖左洞上臺階→5 左洞上臺階初支施作→6 開挖右洞上臺階→7 右洞上臺階初支施作→8 開挖左洞下臺階→9 左洞下臺階初支施作→10 左洞二襯施作→11 開挖右洞下臺階→12 右洞下臺階初支施作→13 右洞二襯施作。

（2）三導洞法施工步驟次序為：1 開挖中導洞→2 中導洞初支→3 中隔墻澆筑→4 左洞左導坑開挖→5 左洞左導坑初支→6 右洞右導坑開挖→7 右洞右導坑初支→8 左洞右導洞開挖→9 左洞右導洞初支→10 左洞二襯施作→11 右洞左導洞開挖→12 右洞左導洞初支→13 右洞二襯施作。

3 模擬研究與施工驗證

3.1 施工步長的確定

采用三導洞法和臺階法進行連拱隧道施工數(shù)值模擬分析時，左右洞開挖面間距分別取10m、16m、20m、24m 和32m，當隧道左洞開挖施工步長為4m 時，施工所引起的右洞開挖面應力和位移變化情況具體見表2。從表中結果可以看出，連拱隧道左右洞開挖間距從16m 增大至20m 時，拱頂位移最大值、中隔墻位移最大值及初支彎矩增量最大值的變化量依次為0.39mm、0.70mm 和5.46kN/m；各個量的變化值均為最優(yōu)臨界值，故將施工間距控制在20m。

表2 不同開挖間距下隧道右洞監(jiān)測數(shù)據(jù)

在20m 的開挖間距下對左洞不同施工步長展開數(shù)值模擬，所得到的右洞監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，當開挖進尺從2m 增大至4m 時，拱頂位移增量最大值、中隔墻位移和初支彎矩增量最大值的變化量依次為1.69mm、0.53mm 和5.33kN/m，均大于其余相鄰步長下相關參數(shù)增量差，故以4m為最優(yōu)開挖施工步長[3]。

表3 左洞不同施工步長下右洞監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 位移分析

（1）拱頂沉降。連拱隧道跨度較大，為評價圍巖變形程度及連拱隧道結構的整體穩(wěn)定性，應進行左右洞拱頂沉降變化模擬分析。臺階法和三導洞法對應的左右洞拱頂隨施工步的沉降變化曲線詳見圖1。

從圖1（a）可以看出，在開挖中導洞及澆筑施工中隔墻的過程中，左右洞拱頂沉降量較小，最大僅為0.38mm，左洞左導洞開挖時，左側拱頂位移增大，但增量相當有限；在開挖左洞右導洞時（即施工步8），左側沉降增大2.20mm，在此處總沉降中占比49.98%，同時這一施工步驟也使右側拱頂沉降增大0.93mm，在此處總沉降中占比24.85%，意味著該施工步對左右洞拱頂穩(wěn)定性存在較大影響，為此，必須在施工期間保證初支及時跟進，加強監(jiān)控量測。

從圖1（b）可以看出，在臺階法施工工法下，左洞上臺階開挖是最危險的施工步，該施工步所引起的左洞和右洞拱頂沉降增量分別為2.65mm 和0.81mm，在總沉降量中占比分別為63.89%和20.71%；在開挖右側上臺階時（即施工步6），左洞和右洞拱頂沉降依次為0.699mm 和2.21mm，分別占相應側拱頂總沉降量的16.9%和58.12%，意味著左右洞上臺階開挖應作為隧道拱頂位移控制的重點環(huán)節(jié)。

（2）地表沉降。為保證分析結果的代表性，以中隔墻豎直線和地表交點處為地表沉降點。在三導洞施工工法下，連拱隧道開挖時地表最大沉降主要出現(xiàn)在施工步8 即左洞右導洞開挖以及施工步11 即右洞左導洞開挖環(huán)節(jié)，對應的沉降依次為0.88mm 和0.69mm，占最終地表沉降（2.91mm）的比例為29.87%和24.15%。

而在臺階法工法下，最大沉降出現(xiàn)在施工步4 和施工步6即左右側導洞上臺階開挖階段，對應的沉降依次為0.70mm和1.12mm，占最終地表沉降（2.10mm）的比為34.28%和52.34%。這也表明，上臺階開挖是造成連拱隧道地表沉降的主要原因。三導洞法和臺階法下最終地表沉降均較小，其中，三導洞法在施工步11 時完成主要開挖步施作，偏壓受力所造成的地表沉降更大，而臺階法施工由于在前期的施工步中已經(jīng)形成對稱受力形式，故所引起的地表沉降更小。

3.3 圍巖應力分析

根據(jù)圖2（a）監(jiān)測結果，在三導洞法下，施工步為1 ～3時左洞拱頂上部0 ～1D 以內的圍巖應力均呈減小趨勢，意味著中導洞開挖支護的影響范圍已經(jīng)擴展到左拱頂上部；在施工步4即左洞左導洞開挖時，左拱頂上部0 ～0.5D 范圍內的應力也呈減小之勢，說明隧道開挖施工期間周邊圍巖應力得以釋放；而左拱頂上部1 ～1.5D 范圍內的應力反而增大，表明在該區(qū)域內形成壓力拱。在施工步為6 即右洞右導洞開挖時，因距離遠，中隔墻起到重要的支撐作用，故應力變化不明顯。在施工步為8即左洞右導洞開挖時，應力釋放較大，并形成壓力拱。

圖2 左洞拱頂上部圍巖大主應力變化曲線

根據(jù)圖2（b）監(jiān)測結果，臺階法施工期間，施工步為4即左洞上臺階開挖時，拱頂0 ～0.5D 范圍內應力下降明顯，而在1 ～1.5D 范圍內應力增大并形成壓力拱。在施工步6 即右洞上臺階開挖時，0.5 ～1D 范圍內應力增大，表明初支措施實施后，壓力拱存在縮小跡象。左右下臺階開挖及初支和二襯時，左洞拱頂沉降變化并不大，說明連拱隧道臺階法施工時，左右洞上臺階開挖階段風險較大，必須加強支護。

綜合以上分析可以看出，臺階法施工工法下前期應力變化較大，但不會造成隧道應力多次重分布，并能緩解連拱隧道偏壓作用；臺階法壓力拱范圍小于三導洞法，意味著臺階法應力對稱分布形成較早，對圍巖影響范圍也更小。

三導洞工法下，中導洞開挖使中隔墻0 ～1.5D 范圍內應力減小，松動圈增大，中隔墻澆筑后應力重新分布；左洞右導洞和右洞左導洞開挖支護時，形成壓力拱；右洞左導洞開挖應力明顯增強。所以，在右洞左導洞開挖前必須進行中隔墻上部注漿、錨桿支護，避免出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

在臺階法下，中導洞開挖對中隔墻的影響與三導洞工法一致，在施工步為4 即左上臺階開挖時，0 ～1D 內的應力增大，表明上臺階開挖施工對中隔墻上部圍巖應力分布有較大改變，施工前必須加強支護。在施工步為6 即右上臺階開挖時，由于對稱應力分布已經(jīng)形成，中隔墻上部應力雖持續(xù)增大，但并未超出0 ～1D 范圍，對中隔墻的擾動也更小。在開挖左右洞下臺階時，上部對稱應力分布已經(jīng)形成，初支同時跟進，故對中隔墻上部應力分布影響并不大。由此可知，在采用臺階法開挖第一導洞上臺階時，中隔墻上部應力變化明顯，但并未出現(xiàn)多次應力重分布，最終的影響范圍小于三導洞法。

4 結語

綜上所述，連拱隧道采用臺階法施工時，由于對中隔墻偏應力糾正較早，受力體系提前形成等原因，左右洞拱頂沉降和地表沉降均較小；臺階法和三導洞法施工所面臨的最危險開挖步分別為左洞上臺階開挖和左洞右導洞開挖，施工期間必須加強初期支護和監(jiān)控量測。隧道開挖施工期間，臺階法左右洞拱頂和中隔墻上部大主應力變化幅度和范圍較三導洞法大，但開挖施工不會造成隧道多次應力重分布，應力影響范圍也更小。臺階法和三導洞法所形成的左右洞拱頂、中隔墻上部圍巖壓力拱范圍分別為1D 和1.5D。連拱隧道臺階法在位移沉降、圍巖應力、壓力拱變化范圍等方面均優(yōu)于三導洞法，但為避免連拱隧道整體失穩(wěn)，該工法對左右洞上臺階開挖支護有較高要求。