超大斷面淺埋隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉榮欣，劉忠凱，劉春舵

（中海建筑有限公司， 廣東 深圳 510000）

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

貴州省黔南地區(qū)師院隧道為超大斷面淺埋隧道，全長(zhǎng)204 m，最大埋深28 m 左右，單洞開挖寬度23.82 m，斷面開挖面積313.81 m2。

隧區(qū)屬于溶蝕、剝蝕中低山地貌區(qū)，線路通過(guò)溶蝕殘丘、斜坡剝蝕坡地地帶，山林呈南北向條帶，線路呈東西向。 圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，地質(zhì)條件較差。

1.2 初選施工方法

根據(jù)師院隧道實(shí)際情況， 查閱相關(guān)文獻(xiàn)和JT6/TD70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，選用對(duì)圍巖擾動(dòng)小的雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法將隧道化零為整，分部開挖。 每開挖一步均施作一圈支護(hù)結(jié)構(gòu)，最終形成封閉成環(huán)的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。 雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法施工每臺(tái)階的步距均為3 m，施工示意圖見圖1。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法

2 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

采用MIDAS/GTS 數(shù)值分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法對(duì)超大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，通過(guò)分析拱頂下沉、周邊圍巖收斂、圍巖應(yīng)力的范圍評(píng)價(jià)改進(jìn)開挖方法。 選取K0+488 斷面進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告，選取最低值作為巖土體物理力學(xué)參數(shù)，這樣計(jì)算所得結(jié)果偏于安全。 有限元計(jì)算模型中各材料的計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 建立模型

對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行二維數(shù)值模擬， 以X-Y 軸所在平面為模型分析空間平面， 各施工步驟均嚴(yán)格按照實(shí)際施工過(guò)程模擬。

2.3 初步結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法施工，最終Y 方向位移沉降為15.35 mm，沉降位移較大，而且施工中存在爆破震動(dòng)、降水等不確定因素的影響。 因此，為減少對(duì)圍巖擾動(dòng)、有效控制圍巖變形、增加隧道施工的安全性，需進(jìn)行開挖方案優(yōu)化。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 施工方法優(yōu)化

考慮在雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分開挖區(qū)域，分九步進(jìn)行開挖，開挖分部見圖2。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法示意

3.2 建模驗(yàn)算

使用MIDAS/GTS 軟件進(jìn)行建模分析計(jì)算。

3.3 優(yōu)化后的位移分析

（1）在①部開挖后最終位移沉降為1.81 mm；在②部開挖后最終位移沉降為2.47 mm； 在③部開挖后最終位移沉降為2.48 mm； 在④部開挖后最終位移沉降為2.67 mm； 在⑤部開挖后最終位移沉降2.91 mm；在⑥部開挖后最終位移沉降為2.98 mm；在⑦部開挖后最終位移沉降為4.77 mm；在⑧部開挖后最終位移沉降為5.06 mm；在⑨部開挖后最終位移沉降為5.59 mm；最終位移沉降為7.18mm。

（2）按雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法施工的左側(cè)導(dǎo)坑沉降位移隨著①、②、③部的開挖逐漸增大，在開挖左導(dǎo)坑上部時(shí)，左導(dǎo)坑拱頂?shù)某两滴灰圃隽棵黠@比開挖左導(dǎo)坑下部的沉降位移增量大。這說(shuō)明左導(dǎo)坑下部是圍巖變形控制點(diǎn)，在施工左導(dǎo)坑下部時(shí)，通過(guò)細(xì)化開挖區(qū)域、超前支護(hù)、短進(jìn)尺等方式，能有效控制其下部的圍巖變形，對(duì)控制隧道拱頂沉降位移是有效的。 同理，在施工右導(dǎo)坑、核心土?xí)r，通過(guò)細(xì)分開挖區(qū)域，使得圍巖變形主要控制點(diǎn)面積變小，更能做好右導(dǎo)坑、核心土上部的圍巖變形控制，減小拱頂沉降。 因而雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法通過(guò)細(xì)分開挖區(qū)域，對(duì)控制這個(gè)隧道圍巖沉降位移具有積極影響。

（3）使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法在開挖隧道時(shí)圍巖變形規(guī)律同使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法開挖時(shí)的圍巖變形規(guī)律是相似的。最開始在左導(dǎo)坑拱頂會(huì)產(chǎn)生一個(gè)松弛變形區(qū)；隨著右導(dǎo)坑開挖，右導(dǎo)坑拱頂也產(chǎn)生一個(gè)松弛變形區(qū)；隨著核心土開挖，左、右導(dǎo)坑的松弛變形區(qū)聯(lián)通擴(kuò)大，向地表延伸，在核心土頂部的圍巖變形是最大的。類似地，開挖左導(dǎo)坑后，左導(dǎo)坑拱底產(chǎn)生一個(gè)擠壓區(qū)；隨著右導(dǎo)坑開挖，右導(dǎo)坑拱底也產(chǎn)生一個(gè)擠壓區(qū)；隨著核心土開挖，左、右導(dǎo)坑的擠壓區(qū)聯(lián)通擴(kuò)大，向深處延伸，在仰拱中部的圍巖變形是最大的。 雖說(shuō)兩者的圍巖變形規(guī)律相似，但采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法施工更能有效控制圍巖變形程度，明顯減小沉降位移，有效提高施工的安全性。

3.4 優(yōu)化后的應(yīng)力分析

隧道開挖完成后最終彎矩為291.07 kN·m，最終軸力為199.33 kN， 最終XY 方向平面應(yīng)變?yōu)?19.31 kN/m，均在合理范圍內(nèi)。

3.5 隧道監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法在師院隧道實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，對(duì)師院隧道開挖斷面K0+483～K0+520 段開挖過(guò)程拱頂沉降、 地表下沉進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，選取K0+488 斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.5.1 測(cè)點(diǎn)布置

K0+488 斷面設(shè)3 個(gè)拱頂沉降測(cè)點(diǎn)、2 條圍巖收斂測(cè)線以及11 個(gè)地表沉降測(cè)點(diǎn)。 隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖3、4。

圖3 隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

典型斷面K0+488 的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖5、6。K0+488 斷面拱頂沉降及周邊收斂監(jiān)測(cè)從6 月11日開始，K0+488 地表下沉位移監(jiān)測(cè)從6 月9 日開始，在6 月30 日兩者的位移穩(wěn)定。

圖5 K0+488 斷面拱頂沉降及周邊收斂位移

圖6 K0+488 地表下沉位移累計(jì)

從圖5 可以看出，師院隧道拱頂沉降最大值為20.22 mm，周邊收斂最大值為7.64 mm，地表沉降最大值為9.11 mm。 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于控制范圍內(nèi)，無(wú)較大異常變形值，變形值未超過(guò)預(yù)警值。 拱頂數(shù)值模擬的最終位移沉降為7.18 mm， 是監(jiān)測(cè)值的36%。 拱頂沉降模擬值小于監(jiān)測(cè)值，這是多種因素共同引起的。首先，數(shù)值模擬是對(duì)真實(shí)工程的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化之后計(jì)算出的結(jié)果同真實(shí)情況存在一定的誤差。 再者，數(shù)值模擬通過(guò)折減參數(shù)反映巖土的破碎程度， 然而實(shí)際中巖體被各種結(jié)構(gòu)面不規(guī)則切割，穩(wěn)定性差，更易導(dǎo)致沉降變形。 最后，施工擾動(dòng)、降雨入滲等因素都會(huì)加大圍巖變形。這些因素?zé)o法用數(shù)值方法模擬，因而導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)值大于拱頂沉降模擬值。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖及更差的超大斷面淺埋隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑六步法更能有效控制圍巖變形，明顯減小隧道拱頂與地表的沉降位移。

（2）采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步法與六步法在開挖過(guò)程中的圍巖變形規(guī)律是相似的。 左導(dǎo)坑下部、右導(dǎo)坑上部和核心土上部開挖導(dǎo)致圍巖變形突變、沉降位移突增，為施工中圍巖變形及穩(wěn)定性的主要控制點(diǎn)。

（3）隧道監(jiān)測(cè)表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑九步開挖法，配合超前支護(hù)、短進(jìn)尺以及及時(shí)初支等輔助措施對(duì)減小圍巖沉降位移是可行的。