含水弱膠結粉細砂巖地層公路隧道開挖方案比選及二次支護施作時機研究

董 磊，宋紅艷

(1.安徽省高速公路控股集團有限公司，安徽合肥 230088;2.安徽省華運設計咨詢有限公司，安徽合肥 230031)

0 引言

新奧法施工理念認為隧道是圍巖與支護結構的綜合體，即支護結構與圍巖共同構建“支護體系”。在較好的圍巖條件下，為充分發揮圍巖的自穩性，隧道二次襯砌往往待圍巖與初期支護變形穩定后施作，并作為安全儲備，初期支護承受全部圍巖荷載。然而，在較差圍巖條件下，如在軟巖大變形隧道中，初期支護系統往往不能自穩或變形無法收斂，故提出雙層支護設計方案。通過二次支護補強一次初期支護控制支護變形時間差，以便適時施作二次襯砌，使得二次襯砌結構承擔部分荷載，這一設計思路與新奧法保護圍巖、充分發揮圍巖自穩性的理念是一致的。為能經濟安全、快速高質地施工，必須對軟巖隧道的支護系統做出評價，即明確一次初期支護施工工序和二次支護施作時機，以便能適時施作二次襯砌，避免二次襯砌施作過晚造成初期支護變形無法控制繼而造成隧道塌方，或二次襯砌施作過早使其受力過大而開裂，從而降低隧道結構的耐久性。

目前，大斷面軟弱圍巖開挖技術主要圍繞三臺階七步法和CRD工法開展研究。文獻［1］針對廈門翔安海底隧道陸域段軟弱地層大斷面隧道CRD法施工初期支護安全性進行了研究，分析了各開挖部施工對初期支護的影響;文獻［2］在包家山富水地段，圍繞上部弧形導坑預留核心土三臺階七步開挖平行流水作業法，探討了初期支護參數選擇、超前徑向堵水結合技術對大斷面千枚巖隧道開挖變形的控制效果;文獻［3］采用數值技術模擬降雨條件下，鄭西客專170 m2超大斷面黃土隧道CRD法施工中地表及拱頂沉降發展規律，通過支護內力分析表明降雨對隧道支護受力影響劇烈，黃土隧道拱部錨桿作用不大;文獻［4］針對福泉高速擴建工程前鷗隧道超大150 m2扁平斷面淺埋公路隧道采用CRD法施工，研究了受斷面扁平率影響，塌落拱增大引起的地表沉降、襯砌及臨時支撐和錨桿的施工力學響應;文獻［5］采用中隔壁法斜下穿既有公路雙車道高速公路分離式隧道施工;文獻［6］從施工監控量測和工藝出發，總結并對比CRD法和三臺階七步法的優缺點，提出核心土加臨時仰拱臺階法的新思路，對既有施工工法進行補充和完善;文獻［7］基于ANSYS軟件進行了明月山公路隧道CRD法和CD法動態施工過程數值模擬與二次襯砌結構安全性評價，結果表明，淺埋段落采用CRD法施工可有效地控制地表沉降和圍巖塑性區發展。此外，針對在復雜地質條件下隧道巖土及支護變形控制問題，文獻［8－10］詳細介紹了新意法(ADECO－RS)在意大利等國隧道工程中的應用及其與新奧法的區別，強調隧道掌子面前方超前核心土的勘察、量測及應力應變形態預測等核心技術問題，確保隧道安全穿越復雜不良地質，實現全斷面開挖。如文獻［11］桃樹坪隧道出口工程考慮工期及安全因素，首次采用新意法施工承壓飽和含水砂層。

對于具有成巖能力差、遇水黏結力突降、流塑變形大、單漿液加固及預支護效果差的特殊巖層，設計時有必要考慮設置二次初期支護，以此補強一次初期支護延緩變形，并為二次襯砌的施作提供合理時機。二次支護的設計施工在煤炭生產中報道較多，但關于粉細砂巖地層二次初期支護強度、時機及施作方法的系統研究并不多。本文針對含水弱膠結粉細砂巖地層下某公路隧道設計施工實踐，采用數值仿真手段分析不同工法對此類地層變形沉降的控制效應，重點考量二次支護施作時機對初期支護體系安全性的影響。

1 隧道概況

1.1 工程地質概況

公路隧道起訖里程DK5+455～DK8+467，全長3 012 m，設計為雙線隧道。隧道穿行于黃河高階地下部，地勢上隧道進口低，洞身及出口較高，地形起伏大，相對高差達200 m，隧道最小埋深約30 m。地表溝谷發育，除進出口及溝谷地段分布有圓礫土外，其余覆蓋黃土，植被稀疏。

洞身以第三系粉細砂巖為主，該地層無水時，圍巖整體性較好，地下水發育時，經開挖擾動、受水長時間浸潤或浸泡后，圍巖軟化現象明顯;在地下水富集地段，掌子面還出現涌水、涌砂現象，施工擾動后基底多呈粉細砂狀，基底軟化，拱部及邊墻變形、收斂及滑塌現象嚴重，地質條件極差。

1.2 粉細砂層治水措施

由于第三系粉細砂巖遇水有明顯的軟化特征，因此，開展如圖1和圖2所示的專項降水設計。

圖1 降水設計(單位:cm)Fig.1 Dewatering design(cm)

圖2 現場降水Fig.2 Field dewatering

隧道采用輕型井點降水+深井降水施工。下半斷面水平真空降水管的設置應根據掌子面滲水情況、掌子面自穩能力以及施工難度等因素綜合確定，必要時設置。布設方式為:距上臺階下50 cm處，在掌子面中間部位各布設4 m長真空降水管，沿水平方向打設;如無法滿足拱部開挖要求，將拱頂降水管間距調小，進行加密;隧道側壁降水管布置同上臺階。施工中，視地下水情況對輕型井點降水管和深井的間距進行調整。降水深井成孔孔徑為60 cm，井徑35 cm，深15 m。

2 隧道施工工法比選

2.1 隧道工法定性對比

國內外軟弱圍巖大斷面隧道開挖主要采用中壁法、雙側壁弧形導坑法及環形開挖預留核心土法。中壁法以CD法和CRD法為代表，環形開挖預留核心土法以三臺階七步法為代表。其中，CRD法在淺埋情況下能有效地控制沉降，可與上半臺階法靈活互換;雙側壁弧形導坑法與其他工法轉換不夠靈活，全隧道統一為一種工法;三臺階七步法可適時調節工作面上導坑尺寸和臺階長短，適用于不同埋深條件。

2.2 隧道工法數值比選

隧道開挖跨度約13 m，開挖斷面達120 m2(考慮較大預留開挖量)，平均埋深60 m，隧道洞身全部處于含水弱膠結砂巖地層。采用數值分析CRD、雙側壁導坑及三臺階七步工法在施工中產生的位移變形及塑性區分布特征，綜合考慮工期、施工難易程度等因素，定量提出適合該隧道的合理工法。

2.2.1 各工法工序簡介

依據圖3—5所示的3種不同工法工序，來明確三維數值計算的動態開挖步驟。

圖3 三臺階七步法工序圖Fig.3 Sketch of 3-bench 7-step excavation method

圖4 CRD法工序圖Fig.4 Sketch of CRD excavation method

圖5 雙側壁三臺階法工序圖Fig.5 Sketch of double-side-drift 3-bench excavation method

2.2.2 施工過程數值仿真

2.2.2.1 計算參數

數值計算基于FLAC3D軟件平臺，遵循摩爾－庫侖強度準則，圍巖和支護結構分別采用實體單元和殼體單元模擬，加固區應提高彈性模量和泊松比。圍巖和支護設計參數見表1和表2。

表1 圍巖參數Table 1 Parameters of surrounding rock

表2 支護設計參數Table 2 Design parameters of support

2.2.2.2 計算網格剖分

限于篇幅，僅列出三臺階七步法網格剖分圖，見圖6。

圖6 三臺階七步法網格圖Fig.6 Mesh of 3-bench 7-step excavation method

隧道尺寸:覆土60 m，橫向及下部各取40 m，縱向(全局坐標Z方向)開挖40 m。其中，三臺階七步模型共40 009個節點，36 890個單元。

2.2.2.3 計算過程及結果

考慮有限元計算的邊界效應，研究Z=15 m斷面處拱頂沉降及變形發展情況。

將一個完整的開挖循環定義為:各個工法的2部(1部先于2部)開挖至Z=15 m。

1)拱頂沉降。各工法的拱頂沉降曲線見圖7—9。

圖7 三臺階七步法拱頂沉降Fig.7 Crown settlement of 3-bench 7-step excavation method

圖8 CRD法拱頂沉降Fig.8 Crown settlement of CRD excavation method

圖9 雙側壁導坑法拱頂沉降Fig.9 Crown settlement of double-side-drift excavation method

由圖7—9可知，3種工法產生的拱頂最終沉降分別為 150.76，105.55，91.30 mm。顯然，雙側壁導坑法控制沉降變形的能力優于三臺階七步法和CRD法。

從沉降曲線變形量累計規律來看，三臺階七步法第1部開挖產生的拱頂沉降量達到62.29 mm，占最終沉降量的41%;CRD工法第1部開挖產生的拱頂沉降量為25.98 mm，占最終沉降量的25%;雙側壁導坑法第5部開挖產生的拱頂沉降量為27.08 mm，占總沉降量的30%。因此，拱頂分塊部位開挖產生的變形對于最終沉降影響最大的為三臺階七步法，這與其無豎向臨時鋼撐設置有關。

對于設置臨時鋼支撐的工法，拆撐工序中所引起的沉降變形不容忽視。對于CRD工法，因拆撐工序而累計產生的沉降為55.45 mm，占總沉降量的53%;而雙側壁導坑法在拆撐過程中累計產生的沉降為46.78 mm，占總沉降量的51%。可見，拆撐或換撐工序產生了擾動及約束突變，拱頂支點產生位移釋放，因此，其對最終拱頂沉降的貢獻也就較大，施工中需注意工藝控制。

2)水平收斂。3種工法的水平收斂曲線如圖10—12所示。

圖10 三臺階七步法水平收斂Fig.10 Horizontal convergence of 3-bench 7-step excavation method

圖11 CRD法水平收斂Fig.11 Horizontal convergence of CRD excavation method

圖12 雙側壁導坑法水平收斂Fig.12 Horizontal convergence of double-side-drift excavation method

由圖10—12可知，3種工法的水平收斂值分別為80.10，20.64，28.35 mm。其中，CRD 法和雙側壁導坑法產生的水平收斂值僅為三臺階七步法的25.77%和35.39%。可見，CRD工法能最有效地控制水平收斂的發展，這與其內部臨時鋼支撐的約束作用有關。三臺階七步開挖工法因不設置臨時橫(豎)支撐，故無法控制隧道因開挖而產生的凈空收斂。總之，CRD法在控制水平收斂方面效果最優。

3)塑性區。3種工法1部掌子面開挖到Y=30 m的塑性區分布如圖13—15所示。

圖13 三臺階七步法塑性區分布Fig.13 Distribution of plasticized zone of 3-bench 7-step excavation method

圖14 CRD法塑性區分布Fig.14 Distribution of plasticized zone of CRD excavation method

圖15 雙側壁導坑法塑性區分布Fig.15 Distribution of plasticized zone of double-side-drift excavation method

由圖13—15可知:三臺階七步開挖工法產生的塑性區面積最大，塑性擴展深度最大，最不安全;而CRD工法相對于雙側壁弧形導坑法來說，塑性區較小，沒有擴大的趨勢，且掌子面前方也沒有向雙側壁弧形導坑法前方的塑性區擴展。總之，在擴展面積和深度方面，CRD開挖工法對于塑性區的控制效果最好。

2.2.3 三維數值比選小結

通過上述宏觀位移累計特征及變形發展分布規律可知:1)CRD法和雙側壁導坑法均能有效地控制隧道拱頂沉降;2)CRD工法在控制隧道水平收斂方面最優，其收斂曲線平緩，最終變形量最小;3)CRD工法產生的塑性區面積及擴展深度最小(淺)。

3 隧道二次支護施作時機分析

3.1 二次支護的荷載結構法研究

根據上節研究可知，CRD工法最適用于含水弱膠結粉細砂層隧道施工，故針對CRD工法，采用Ansys進行結構分析，臨時支護(30.7 GPa)、初期支護(36.1 GPa)及二次支護(34.1 GPa)均采用beam3梁單元模擬，采用link10單元模擬地層抗力。

3.2 分部開挖過程研究

3.2.1 二次支護設置目的

隧道開挖后與初期支護形成組合支撐拱，在一定程度上抑制了圍巖的應力釋放及塑性變形，達到了穩定圍巖的目的。即二次支護利用支護時間差，遵循“先讓后治”的原則，達到“以柔克剛”。

3.2.2 CRD支護施工過程分析

根據表3中的參數，還原二次支護設計斷面及其有限元模型。設計斷面見圖16和圖17。

限于篇幅，本節僅列出分部開挖最終單元分割圖，見圖18。無二次支護下各分部開挖初期支護安全系數曲線如圖19所示。

表3 計算參數Table 3 Parameters of FEM

圖16 襯砌斷面圖Fig.16 Cross-section of tunnel lining

圖17 型鋼鋼架圖Fig.17 Shaped steel arch

圖18 CRD工法分部開挖有限元模型Fig.18 FEM model of CRD excavation method

圖19 無二次支護下各分部開挖初期支護安全系數曲線Fig.19 Curves of safety coefficient of primary support without secondary support

由圖19可知，開挖至第3分部時，初期支護單元安全系數小于1.0(施工過程安全系數控制標準)的單元達到12個，占單元總數的20.7%。此時，應在第1部—第3部開挖時加強初期支護，即設置二次支護，安全系數曲線如圖20所示。

圖20 二次支護下第3部開挖后初期支護安全系數曲線Fig.20 Curve of safety coefficient of primary support after the third part excavation and secondary support

3.2.3 荷載結構分析小結

在第1部和第2部開挖中，一次初期支護能夠保障施工過程的安全，結構安全系數滿足規范關于施工中1.0的控制標準;而第3部開挖產生的應力重分布對第1部和第2部的一次初期支護受力影響較大，洞室拱頂、拱腰、拱腳等不同部位安全系數過低，結構受力偏于不安全，需設置二次支護進行加強。

4 現場施工及效果

鑒于現場圍巖流塑變形較大，設計方建議施工采取將四部交叉中隔壁法演化為六部中隔壁法，見圖21。

通過采用三維數值模擬對不同工法的比選結果進行分析可知，CRD工法對于本工程開挖最優，故現場施工在基于數值預設計結論的基礎上，采用如圖21所示的六部交叉中隔壁法施工，進一步控制臺階進尺及分幅，減小施工擾動對初期支護系統位移的影響。現場位移發展如圖22和圖23所示。

將圖22和圖23與圖8和圖11分別進行對比可知，實測斷面采用六部交叉中隔壁法施工進一步改善了初期支護的承載狀態及位移演變趨勢，實測水平收斂和拱頂沉降分別達到19.13 mm和85.60 mm，相比數值計算的四部交叉中隔壁法的位移減小了7.3%和18.9%。因為現場施工不僅縮小了開挖分幅，而且采用前期真空降、排水措施，提高了粉細砂層的物理力學參數，并改善了地層應力及變形特征。

5 結論與建議

針對含水弱膠結粉細砂巖地層隧道施工，綜合多種數值手段仿真分析不同工法對施工過程襯砌變形、受力的動態響應，得到以下結論和建議。

圖21 六部交叉中隔壁法Fig.21 6-step CRD excavation method

圖22 DK6+322斷面水平收斂(2011年)Fig.22 Horizontal convergence at DK6+322(in 2011)

圖23 DK6+322斷面拱頂下沉(2011年)Fig.23 Crown settlement at DK6+322(in 2011)

5.1 結論

1)采用CRD工法施工，沉降累計曲線符合時序曲線分析中的加速－勻速變形特征，能有效地控制開挖應力影響區內的變形發育及擴展分布。

2)對于軟弱圍巖大變形，應及時施作二次支護，其最佳施作時機在上臺階右半幅斷面(第3部)開挖前。

5.2 建議

1)針對設置橫(豎)向鋼撐的分部開挖法，在拆除臨時鋼撐時，可依據鐵建設［2010］120號文對“軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道關于初期支護封閉成環與掌子面施工步距”的相關規定，進行適當步距調整，同時應加強監控量測，減少因約束釋放調整而產生的位移突變。

2)采用CRD法施工時，宜在條件允許的前提下將四部交叉中隔壁法演化為六部中隔壁法施工。

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