四車道公路隧道9步臺階工法研究

為了增加施工空間以提高施工工效，文章提出了一種新穎的四車道公路隧道施工工法即9步臺階法，采用數(shù)值模擬方法，對比分析了隧道拱頂沉降和收斂變形、系統(tǒng)錨桿內(nèi)力、既有隧道變形等指標。結(jié)果表明：該工法產(chǎn)生的變形量與傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑法接近，可以保證隧道的安全施工，但是采用該工法時拱頂部位錨桿受力比雙側(cè)壁導坑法大，需要重點加強；通過結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力隨施工步的發(fā)展曲線，揭示了隧道開挖的時間-空間效應，在監(jiān)控量測與穩(wěn)定性評估時需要予以考慮。

公路隧道；9步臺階法；四車道；雙側(cè)壁導坑法

U455.4A290984

基金項目：

浙江省交通運輸廳科研計劃項目“高速公路超大斷面多管隧道關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2021-GCKY-04）

作者簡介：

陳秀平（1976—），高級工程師，主要從事橋梁隧道工程建設管理工作。

0" 引言

近年來，隨著交通需求的不斷提升，傳統(tǒng)雙車道和三車道隧道已不能滿足日益增長的交通量，因此四車道隧道建設正逐漸興起，如成渝高速公路新中梁山隧道（2014年）、廈蓉高速公路后祠隧道（2017年）、福州福馬路馬尾隧道（2018年）等［1-3］，深圳高速公路蓮塘隧道最大開挖斷面更是達到428.5 m2，包括雙車道和三車道、超大斷面、漸變段和標準四車道等多種隧道形式［4］。

四車道超大斷面隧道開挖仍然以雙側(cè)壁導坑法為主流，但是該工法臨時支護工程量大、施工空間小、工效低，因此，國內(nèi)學者針對超大斷面隧道開挖工法做了一些創(chuàng)新研究。李凌志等［5］采用層次分析法對超大隧道斷面開展多準則優(yōu)化分析。張俊儒等［6-7］提出鋼架巖墻組合支撐分部施工工法替代傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑法，并在京滬高速公路濟南連接線漿水泉隧道、廈門蘆澳路至海滄疏港通道2#分岔隧道大跨段成功應用。蔣慶等［8］采用施工效率、成本等多指標影響度評價雙側(cè)壁導坑法、CD法和CRD法，推薦濟南二環(huán)南路東延線漿水泉隧道選用CD法施工。楊志強等［9］開展施工方案優(yōu)化研究，推薦南埡路三號隧道（雙向八車道）Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段分別采用三臺階五步法和雙側(cè)壁導坑法。仇在林［10］將超大斷面隧道雙側(cè)壁導坑法優(yōu)化為小導洞先行與臺階反擴挖施工方法。

總體而言，目前對超大斷面隧道的開挖工法尚在不斷探索中，并未形成通用的標準。本文以浙江某高速公路改擴建工程中的新建四車道隧道為依托，提出9步臺階法，并根據(jù)位移、系統(tǒng)錨桿內(nèi)力、既有隧道變形等方面與傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑法進行綜合比較，提出合理的施工參數(shù)要求，為超大斷面隧道的施工方案提供借鑒。

1" 工程概況

依托工程隧道位于新建的樞紐互通區(qū)，擴建方案為：將既有主線左幅兩車道隧道（圖1中左1）改造成為樞紐右轉(zhuǎn)匝道；將既有主線右幅兩車道隧道（圖1中左2）作為擴建后主線的左幅，遠期原位擴挖成單向四車道；新建單向四車道隧道（圖1中左3）作為拓寬后主線的右幅；之后在新建隧道的西側(cè)再新建單向兩車道隧道（圖1中左4）作為樞紐左轉(zhuǎn)匝道。

新建的四車道隧道全長350 m，建筑限界尺寸為寬×高=18.25 m×5 m，最大埋深僅為40 m，與既有隧道間距僅24 m。隧道洞身段地貌為丘陵斜坡，自然坡度20°～25°。坡體表層為含角礫粉質(zhì)黏土，局部陡坎見基巖出露?；鶐r巖性為含晶屑灰紫色熔結(jié)凝灰?guī)r，節(jié)理較發(fā)育，為松散結(jié)構(gòu)-鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，［BQ］＜250，綜合判斷為Ⅴ級圍巖。

2" 傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑法施工過程分析

2.1" 施工流程

如圖2所示，雙側(cè)壁導坑法的原理是利用兩個中隔壁把整個隧道大斷面分成左、中、右3個小斷面施工，每個小斷面又分成2～3個臺階，左、右導洞先行，中間斷面緊跟其后；初期支護仰拱成環(huán)后，拆除兩側(cè)導洞臨時支撐，形成全斷面并澆筑二次襯砌。兩側(cè)導洞皆為倒鵝蛋形，有利于控制拱頂下沉。

2.2" 有限元分析模型

依托隧道的尺寸、支護參數(shù)及地形、地質(zhì)條件，建立有限元分析模型如圖3所示，其中模型水平方向（X方向）寬度為173.6 m，縱向（Y方向）長度為100 m，豎向（Z方向）高度近似按實際地表高程取值。在左右側(cè)面、前后端面和底面施加相應的位移約束。地層采用實體單元、襯砌結(jié)構(gòu)采用殼單元、錨桿采用桿單元、立柱采用梁單元。主要材料的物理力學參數(shù)見表1。

內(nèi)力及位移測點斷面設置于Y=50 m位置，根據(jù)施工步設置，此斷面的第①～⑦區(qū)塊分別在第21、23、25、27、29、31、33個施工步被開挖，并隨即施工噴錨支護。為簡化計算，各開挖步掌子面之間的間距為5 m。兩側(cè)導坑的臨時支護在第42個施工步（相當于滯后核心土下臺階掌子面40 m）被拆除后澆筑二次襯砌。如圖4所示，W1～W5為開挖輪廓上位移測點；Z1～Z3為系統(tǒng)錨桿的軸力測點，其中Z1為拱頂錨桿，Z2和Z3為側(cè)墻錨桿測點。

四車道公路隧道9步臺階工法研究/陳秀平，丁獻英，鄭國平

2.3" 位移分析結(jié)果

3個拱頂沉降點的沉降-施工步曲線如圖5所示，呈現(xiàn)不對稱性，其中拱頂沉降值最大，為26.7 mm，其次是先行導洞拱頂，后行導坑沉降值最小。同時，拱頂沉降變形呈現(xiàn)出典型的時間-空間效應：在開挖到測點之前，沉降已部分發(fā)生，以拱頂沉降為例，此部分沉降約占9.2%；在開挖步和支護步，將發(fā)生突變沉降，同樣以拱頂沉降為例，此部分約占38.9%；隨著掌子面推進，沉降繼續(xù)發(fā)展，后續(xù)沉降約占51.9%。考慮到傳統(tǒng)的沉降測點在開挖后才能布置，因此在理想狀態(tài)下，實際能測得的沉降值約占68.9%。在用沉降監(jiān)測值評估隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時，需要考慮時間-空間效應。

側(cè)墻部位（W5～W4）的收斂位移-施工步曲線如圖6所示，總計發(fā)生了27.5 mm的正收斂變形。所謂正收斂變形，是指兩個水平位移測點之間（如W3、W2）的距離增長，也即拱腰或側(cè)墻發(fā)生了向外側(cè)擠壓的變形，這在大跨度隧道中比較常見。同樣地，收斂位移呈現(xiàn)出時間-空間效應，并且在拆除中隔壁的臨時支護時，將發(fā)生跳躍式發(fā)展，需重點監(jiān)測。

如圖7所示為隧道開挖后橫斷面整體位移云圖，由于地表有坡度，加上既有隧道的影響，因此位移也呈現(xiàn)不對稱，埋深較大的左側(cè)影響范圍大于右側(cè)。

2.4" 錨桿軸力分析結(jié)果

如圖8所示為拱頂、側(cè)墻三處錨桿的軸力-施工步曲線圖，拱頂錨桿Z1整體呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，其中拱頂?shù)腻^桿拉力達到125.25 kN，小于錨桿桿體抗拉極限拉力180 kN；拱腰錨桿最終呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，最大壓力為92.7 kN，這與兩側(cè)墻部位的變形相協(xié)調(diào)，即兩邊側(cè)墻有向外側(cè)擠壓的趨勢，導致錨桿受壓，因此對于大跨度扁平隧道，側(cè)墻及以下部位的錨桿可以弱化。

2.5" 既有隧道變形分析結(jié)果

受新建隧道開挖卸荷的影響，既有隧道呈現(xiàn)整體向右側(cè)變形的趨勢，這主要是由于山體左高右低，當增建四車道隧道開挖后，偏壓荷載進一步轉(zhuǎn)移到既有隧道上，引起水平位移約3.8 mm（向右）、拱頂沉降約0.39 m。

3" 9步臺階法方案施工過程分析

3.1" 施工流程

雙側(cè)壁導坑法技術(shù)成熟，但是導洞部位的臨時支護工程量較大，且兩側(cè)導洞及頂部環(huán)形開挖步橫向?qū)挾容^小，機械化設備很難施展。因此，提出了采用9步臺階法來替代雙側(cè)壁導坑法（圖9），具體開挖工序如下：

（1）左側(cè)上臺階①開挖后，主洞小導管注漿超前支護、注漿錨桿、鋼拱架（并設置鎖腳錨桿）、噴射混凝土等初期支護緊跟開挖，并及時施作中央格構(gòu)柱。之后開挖右側(cè)上臺階②，相應施做噴錨支護。左、右側(cè)上臺階施工開挖掌子面前后間距控制在5～10 m。

（2）開挖左、右側(cè)中上臺階③④及錨噴支護，并為中央格構(gòu)柱預留一塊臨時核心土⑤。

（3）開挖中央核心土⑤，中央核心土開挖至中央格構(gòu)柱前，應先根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果確定中央格構(gòu)柱的拆除工作，一次拆除長度≤5 m。

（4）開挖左、右側(cè)中下臺階⑥⑦及錨噴支護。

（5）左、右側(cè)下臺階⑧⑨開挖及錨噴支護。

前后各開挖步的掌子面前后間距均控制在5～10 m。

3.2" 有限元分析模型

建立三維有限元分析模型如圖10所示。

內(nèi)力及位移測點斷面同樣設置于Y=50 m位置。根據(jù)施工步設置，此斷面的第①～⑤（含臨時立柱）、⑥～⑨區(qū)塊分別在第21、23、25、27、29、31、33、35、37個施工步被開挖，并隨即施工本區(qū)塊的噴錨支護。如圖11所示，W1～W5為開挖輪廓位移測點。

3.3" 位移分析結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，最大拱頂沉降為30.6 mm，在拆除臨時立柱之前約發(fā)生了10.5 mm沉降，占總沉降的34%。臨時立柱在第28施工步隨著區(qū)塊⑤的挖除而被拆除，此時發(fā)生了突變沉降，并且表現(xiàn)出明顯的空間效應，沉降逐漸發(fā)展并逐漸變得緩慢，隨后發(fā)生的沉降占總沉降量的66%。

拱腰和側(cè)墻部位的收斂變形趨勢大致一致，其中拱腰部位（W3～W2）發(fā)生了17.7 mm的正收斂變形；側(cè)墻部位（W5～W4）發(fā)生了19.0 mm的正收斂變形。見圖12。

3.4" 錨桿軸力分析結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，拱頂錨桿Z1和拱肩的錨桿Z2、Z3整體呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，其中拱頂?shù)腻^桿拉可力達到203.0 kN，大于錨桿桿體抗拉極限拉力180 kN，因此可加長拱頂錨桿至4.5 m；左側(cè)拱肩錨桿拉力為127.7 kN，小于錨桿桿體抗拉極限拉力180 kN，大于右側(cè)拱肩錨桿拉力值62.0 kN，主要是因為左側(cè)導洞先行開挖，外加地形左高右低存在偏壓；拱腰錨桿呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，最大壓力為96.4 kN，這與兩側(cè)墻部位的變形相協(xié)調(diào)，即兩邊側(cè)墻有向外側(cè)擠壓的趨勢，導致錨桿受壓，因此側(cè)墻及以下部位的錨桿可以弱化。見圖13。

3.5 "既有隧道變形分析結(jié)果

受新建隧道開挖卸荷的影響，既有隧道的水平位移約4.3 mm（向右），拱頂沉降約0.46 m。

4" 綜合比較

兩種施工方案的分析結(jié)果對比如表2所示。相對于傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導坑法，9步臺階法拱頂沉降略大，收斂變形略小，拱頂錨桿拉力和鎖腳錨桿軸壓力略大，既有隧道的變形略大，但總體而言，兩種施工方案的區(qū)別不大，都可以保證隧道的安全施工。

需要指出的是，采用9步臺階法時應重點關(guān)注拱頂部位的錨桿和臨時立柱。拱頂部位的錨桿應≥4.5 m、下部兩個臺階采用44 mm小導管，同時施工過程中加強對重點部位的監(jiān)控量測。

5" 結(jié)語

本文依托浙江某高速公路四車道大斷面小凈距隧道改擴建項目，對比分析了傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑法和優(yōu)化的9步臺階法施工方案，進而得到了以下結(jié)論：

（1）兩種施工方案引起的變形量接近，均可保證隧道的安全施工，9步臺階法臨時支護工程量少，橫向作業(yè)空間相對較大。

（2）9步臺階法中的拱頂部位錨桿軸力比雙側(cè)壁導坑法大，拱頂部位的錨桿應≥4.5 m。施工過程中應加強對重點部位的監(jiān)控量測。

（3）采用施工全過程模擬得到了結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力隨施工步的發(fā)展曲線，揭示了隧道開挖的時間-空間效應，在監(jiān)控量測與穩(wěn)定性評估時需要充分考慮。

通過施工工法優(yōu)化后，Ⅴ級圍巖區(qū)段每延米節(jié)約工程造價約1.6萬元，加上Ⅳ級圍巖區(qū)段由雙側(cè)壁導坑法調(diào)整為9步臺階法，整體工期提前了約2個月。本文的分析結(jié)論可以為類似超大斷面隧道開挖施工方案的優(yōu)化提供借鑒。

［1］張在晨，林從謀，李家盛，等.我國公路隧道改擴建技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及研究展望［J］.隧道建設（中英文），2022，42（4）：570-585.

［2］洪開榮，馮歡歡.中國公路隧道近10年的發(fā)展趨勢與思考［J］.中國公路學報，2020，33（12）：62-76.

［3］張俊儒，吳" 潔，嚴叢文，等.中國四車道及以上超大斷面公路隧道修建技術(shù)的發(fā)展［J］.中國公路學報，2020，33（1）：14-31.

［4］洪開榮，馮歡歡.近2年我國隧道及地下工程發(fā)展與思考（2019—2020年）［J］.隧道建設（中英文），2021，41（8）：1 259-1 280.

［5］李凌志，周" 駿，滕鳴翰，等.基于層次分析法的超大隧道斷面多準則優(yōu)化分析［J］.交通科技，2022（4）：119-124.

［6］張俊儒，吳" 潔，王圣濤，等.鋼架巖墻組合支撐工法動態(tài)施工力學特性及其應用［J］.中國公路學報，2019，32（9）：132-142.

［7］張俊儒，徐" 劍，龔彥峰，等.單跨5車道公路隧道工法優(yōu)化及施工力學特性研究［J］.隧道建設，2021，41（5）：831-840.

［8］蔣" 慶，孫克國，周慧超，等.超大斷面小凈距隧道方案優(yōu)化研究［J］.水利水電技術(shù)，2020，51（1）：32-38.

［9］楊志強，方" 晶，劉湘林，等.基于工期目標的單跨四車道市政隧道施工優(yōu)化研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（2）：184-191，203.

［10］仇在林.超大斷面隧道小導洞先行與臺階反擴挖施工技術(shù)研究［J］.公路工程，2018，43（4）：48-52，56.

20240312