中巖柱單邊落地法施工大斷面隧道工藝參數(shù)研究

李 杰 上海鐵路局九景衢鐵路浙江有限公司

中巖柱單邊落地法施工大斷面隧道工藝參數(shù)研究

李 杰 上海鐵路局九景衢鐵路浙江有限公司

中巖柱單邊落地法是利用中巖柱將大跨度隧道分解為小斷面隧道，以降低隧道開挖的風(fēng)險。以某大斷面公路隧道為背景，通過建立三維數(shù)值模型，主要分析了圍巖加固、中巖柱材料、中巖柱寬度、中巖柱高度等參數(shù)變化對隧道變形和穩(wěn)定性的影響。由計算結(jié)果可知，圍巖加固、采用鋼筋混凝土中巖柱、增加中巖柱寬度、降低中巖柱高度具有正面影響。最后，通過實際工程的應(yīng)用，驗證了數(shù)值計算結(jié)果的正確性，同時也證實了該方法具有一定的推廣價值。

大斷面隧道；中巖柱：施工參數(shù)

1 概述

隨著隧道技術(shù)的不斷發(fā)展，針對大斷面隧道施工已相繼出現(xiàn)了多種施工技術(shù)，如臺階法、CD法、CRD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、柱洞法等，通常根據(jù)具體情況以其中一種為主，再輔以其他工法，以達到控制圍巖穩(wěn)定的目的[1～4]。另外，隨著小間距隧道的增加，如何控制兩相鄰隧道間巖柱的穩(wěn)定性是確保工程能否順利完工的重要條件，針對該內(nèi)容國內(nèi)外也開展了大量研究工作，并取得了一定成果。中巖柱單邊落地法就是借助小間距隧道加固中間巖柱的思路，通過預(yù)留或澆筑中間巖柱將大斷面隧道分隔為兩個小斷面隧道，從而增加隧道開挖施工的穩(wěn)定性、降低對周圍環(huán)境的影響，是一種值得推廣的施工方法。本文以一大斷面公路隧道工程為背景，主要對中巖柱單邊落地法開挖大斷面隧道的施工工藝參數(shù)進行研究，以期對今后類似工程的施工提供借鑒。

2 工程概況

某公路隧道全長552 m，位于直線上，穿越丘陵區(qū)，隧道埋深0 m～39 m。隧道最大開挖斷面達到282 m2，開挖寬度19.5 m、高度14.5 m。隧道所處地層以灰?guī)r為主，有溶洞等巖溶現(xiàn)象。隧道進口仰坡順層，易沿炭質(zhì)頁巖層面等軟弱面發(fā)生順層滑動，含煤系地層。隧道所在山體地下水為孔隙水和基巖裂隙、溶隙水，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

本工程主要呈現(xiàn)層狀巖層圍巖、大斷面、巖溶等特點，隧道開挖方法經(jīng)綜合對比后采用中巖柱單邊落地法，開挖施工工序如圖1所示。

圖1 開挖施工工序圖

3 施工參數(shù)優(yōu)化

本文采用FLAC3D數(shù)值計算軟件，對圍巖加固、中巖柱參數(shù)（材料、寬度、高度）對隧道變形和穩(wěn)定性的影響進行計算分析，計算中巖體本構(gòu)模型選用“理想彈塑性”模型，以摩爾-庫侖準則為屈服準則，并采用關(guān)聯(lián)流動法則，建立的模型如圖2所示。

圖2 三維模型圖

3.1 圍巖加固分析

為了對比分析圍巖加固對隧道開挖變形和穩(wěn)定性的影響，針對Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級圍巖進行，對比了有、無加固時隧道的位移情況。需要指出的是加固主要是指超前地質(zhì)加固，諸如超前導(dǎo)管等加固措施。

根據(jù)計算分析，得到不同圍巖等級下圍巖有無加固時隧道最大豎向和水平位移如圖3所示。由圖可知，圍巖條件越差，隧道開挖引起的變形越大，在采取了加固措施以后，隧道的變形得到了控制。因此建議在巖性較差或者地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下采取超前加固措施，減小由于圍巖過度變形給隧道帶來的不利影響。

圖3 位移對比圖

3.2 中巖柱分析

中巖柱的穩(wěn)定性直接影響隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本次主要通過研究中巖柱不同參數(shù)下的位移及應(yīng)力變化情況來分析隧道的穩(wěn)定性。計算內(nèi)容主要包括：不同中巖柱材料（噴混凝土和原巖）、不同寬度（1.2 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m和4.0 m）和不同高度（6.9 m、7.9 m、8.9 m和9.8 m）

（1）不同中巖柱材料

計算得到V級圍巖條件下噴混凝土和原巖對比結(jié)果如表1所示。

表1 噴混凝土與原巖計算結(jié)果對比

由對比可知，無論是在位移與應(yīng)力水平上，選用兩種材料都基本相同，中柱主要受壓，但未達到破壞，所以實際施工時可考慮采用原巖作為中柱，但是考慮到模擬計算時圍巖完整性相對實際要好得多，實際施工過程可考慮采取相應(yīng)措施保證中柱的整體性，確保其開挖過程中不會發(fā)生破壞。由分析還可知，采用混凝土柱的條件下，相比較土柱來說，受力會更加均勻，實際中可控性會更好，不容易出現(xiàn)諸如軟弱面、裂縫以及巖石風(fēng)化后引起的缺陷。

（2）不同中巖柱寬度

計算得到不同中巖柱寬度的結(jié)果表2所示，各施工工序下的最小安全系數(shù)如圖4所示。由計算結(jié)果可知，隨著寬度的增加，最大豎向位移在增大，但是增加水平并不明顯；最大主應(yīng)力維持在-200 kPa左右，而最小主應(yīng)力維持在-500 kPa，隨著寬度增加，應(yīng)力在數(shù)值上變化不大，但就分布上來看，越來越均勻，較前幾種情況都有所改善，安全系數(shù)都有改善，所以綜合看起來，隨著寬度增加，隧道結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,中巖柱寬度變化在寬度為1.2 m時其安全系數(shù)不能滿足最小3.0的要求，建議取1.5 m以上寬度。

表2 不同寬度中巖柱計算結(jié)果統(tǒng)計

圖4 各步序最小安全系數(shù)變化規(guī)律圖

（3）不同中巖柱高度

計算得到不同中巖柱高度的結(jié)果如表3所示，各施工工序下的最小安全系數(shù)如圖5所示。由計算結(jié)果可知，隨著中巖柱高度的增加，最大豎向位移有所減小，垂直應(yīng)力變化由大變小，最大主應(yīng)力基本在一個數(shù)量水平，根據(jù)變化規(guī)律可以看出，隨著高度增加，開挖過程中的最小安全系數(shù)在減小，最小時出現(xiàn)在第6、7步開挖時，9.8 m時已不能滿足規(guī)范最小3.0的要求，建議采用8.9 m以下的巖柱高度。

表3 不同中巖柱高度的計算結(jié)果對比

圖5 開挖過程安全系數(shù)變化圖

4 現(xiàn)場施工分析

根據(jù)上述計算結(jié)果，本工程在施工中采取了施工參數(shù)為：隧道圍巖采取了超前小導(dǎo)管注漿加固，中巖柱采用雙排I25b工字鋼混凝土柱支撐拱頂，基座為厚50 cm、寬2.5 m的C30混凝土，豎向中巖柱寬1.6 m，縱向間距0.5 m，中巖柱高度7.9 m，為了有效控制變形，中巖柱拆除距離選為5 m。中巖柱拆除施工步驟為：

（1）兩側(cè)落底分頭掘進，仰拱分三幅施工，左、右幅先行澆注，中幅（中心核心土處）仰拱后澆注。

（2）左、右側(cè)矮邊墻澆注。

（3）利用二襯鋼筋臺車靠近中巖柱搭設(shè)跳板（活動跳板，需加防護欄），人工用風(fēng)鎬將A部的兩側(cè)混凝土破除，露出中巖柱工字鋼，取掉中巖柱工字鋼于拱部工字鋼鋼架的連接螺栓，每次拆除高度不超過1 m，縱向距離一次拆除3榀。如果變形過大，馬上恢復(fù)中巖柱支護。

（4）拆除B部混凝土及豎向中支撐工字鋼。

（5）采用控制爆破掘進C部及以下，必須控制炸藥用量，確保對二襯及側(cè)墻、仰拱已完工混凝土的保護。

（6）推進鋼筋臺車，繼續(xù)破除下一循環(huán)A部（中幅仰拱在開挖后與此同步施工）。

（7）中巖柱拆除10 m后開始鋪設(shè)防水板及安裝二襯鋼筋，完成后鋼筋臺車退出洞外，平移至一側(cè)給二襯臺車讓位。

（8）二襯臺車就位，澆注第二模二襯。

圖6 現(xiàn)場拆除中支撐施工圖

由現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，采用該方法能有效控制周圍地層變形，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

以一大跨度公路隧道為背景，通過建立三維數(shù)值模型，著重研究了中巖柱單邊落地施工方法涉及的中巖柱材料、寬度、高度以及拆除間距對隧道變形和穩(wěn)定性的影響，并給出了相應(yīng)建議。通過實踐，驗證了計算結(jié)果的可靠性，且該方法具有較高的適用性和推廣價值。

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責任編輯：宋飛 龔佩毅

來稿時間：2015-02-09