大斷面黃土隧道雙側壁導坑法仰拱及二次襯砌的空間效應分析

【摘 要】本文以蘭新二線某黃土大斷面隧道為研究依據分析仰拱及二次襯砌的空間效應。首先簡要概述了雙側壁導坑法工法操作原理、適用范圍、施工工序、優缺點。后根據監控量測資料的分析，得到仰拱及二次襯砌的有效支撐范圍，拱頂沉降速率隨仰拱及二襯距離的變化規律，大斷面黃土隧道水平收斂的變形特點。

【關鍵詞】大斷面黃土；雙側壁導坑法；仰拱；二次襯砌；空間效應

1.雙側壁導坑法的工法操作原理

雙側壁導坑法是首先在隧道的分臺階開挖左右導坑，并隨時施作初期支護，使左右導坑初期支護閉合成環，具有一定承載力后再分臺階開挖中洞，施作仰拱和二次襯砌。雙側壁導坑法最大的特點就是大斷面的隧道用臨時的中隔壁將大斷面的隧道分割成三個斷面較小的洞室，左右導坑和中洞，保證開挖時圍巖的穩定性和減小地表及拱頂的沉降。

2.雙側壁導坑法的施工工序

雙側壁導坑法跟全斷面法、臺階法、CD工法、CRD工法一樣，根據圍巖的工程地質條件在開挖之前施作超前預支護，如超前大管棚、注漿小導管，以加固圍巖，在拱部位置形成梁式結構，防止開挖過程中圍巖掉塊、坍塌。

雙側壁導坑法開挖分八步，順序為一側導坑上臺階、一側導坑下臺階、另一側導坑上臺階、另一側導坑下臺階、中洞上臺階、中洞下臺階。在每一步開挖后盡快施作初期支護，減少圍巖的暴露時間，使導洞初支盡早成環。初期支護包括噴射混凝土、錨桿、鋼筋網、型鋼鋼架等。在初支完成后盡快布設監控量測測點，按設計進行監控量測，以掌握周邊收斂和拱頂下沉的變化趨勢，作為確定下部的開挖及支護參數的依據。

隧道仰拱初期支護施工長度到4.0～6.0m，施工仰拱二襯和仰拱填充。仰拱及其填充施工后拆除臨時支護，掌子面超前臨時支護35～40m。拆除臨時支護的長度一次不得超過18m，做到二次襯砌緊跟臨時支護[1]。

3.雙側壁導坑法的適用范圍

雙側壁導坑法適合使用在對地表下沉有嚴格要求的淺埋砂質Ⅴ級及Ⅵ級新黃土或難以自穩的飽和黃土圍巖的隧道中，尤其適用于下穿淺埋公路、鐵路和構筑物的大斷面黃土隧道。

4.雙側壁導坑法的缺點

雖然雙側壁導坑法在控制地表下沉的大斷面隧道的施工中有顯著的效果，但是施工工序和臨時支護多，分部施工空間較小，大型機械設備無法使用，且各工序之間的干擾大，架設和拆除臨時支護（中隔壁和橫撐）需要耗掉很長的時間和大量的材料。施工進度緩慢，月進尺25～30m（CRD法月進尺30～45m、弧形導坑法可70m以上），成本比較高[2]。

下面對蘭新第二雙線某隧道的監控量測數據進行分析，包括仰拱施作對于洞內拱頂沉降控制作用，二次襯砌的施作對于洞內拱頂沉降控制作用，大斷面黃土隧道洞內水平收斂變形規律。

5.工程簡介

該工程為蘭新第二雙線新建雙線隧道，該隧道全長5.743km，本文所研究區段為砂質黃土，Ⅵ圍巖，斷面面積159.97㎡，開挖高度12.88m，開挖寬度15.20m。雙側壁導坑法超前支護為Φ89大管棚，環向間距0.4m，縱向間距7m；初期支護拱墻及仰拱噴射C25混凝土厚度35cm；邊墻上安裝R32N自進式錨桿長度4.0m，間距（1.0*1.0m）；網格間距20*20cm；Φ8鋼筋網，全環I25a鋼架，間距0.5m；拱墻二次襯砌使用C40混凝土，厚度60cm，仰拱二次襯砌70cm。

6.監控量測數據分析

6.1仰拱對抑制拱頂沉降效果分析

該隧道進口處是下穿高速公路地段，本文為研究雙側壁導坑法淺埋段地表沉降、拱頂下沉、水平收斂與施工工序關系，切觀測點在高速公路30m以外，忽略高速公路及其運行車輛的影響。此測點拱頂下沉平均速率隨仰拱的推進的變化規律如下：

當測點距離仰拱8m時，拱頂沉降平均速率比較大，為12.09mm/d，因為該隧道為Ⅵ軟弱圍巖，緊靠圍巖和初支的承載力無法使拱頂沉降收斂。施作一環仰拱后，該測點距離仰拱4m時，拱頂沉降變形速率得到了有效的控制，僅為距仰拱8m時的18.6%。再施作一環仰拱，此時仰拱超前該測點1m，拱頂沉降速率為1.71mm/d，為距離仰拱4m時的76.0%，僅為距仰拱8m時的14.2%。由以上分析可知，及時跟進仰拱可以有效控制拱頂下沉，仰拱對距其4m范圍內點的拱頂沉降變形抑制作用效果顯著，并且距離4m的沉降速率與超前1m相比變化不大，從4m到8m遠離仰拱，抑制變形的作用逐漸消失，而已經澆筑仰拱的部位，拱頂仍有較小速率的下沉，此處需要及時施作二次襯砌抵抗這部分變形。

6.2二次襯砌對抑制拱頂沉降效果分析

本分析測點同上測點，在高速公路30m以外，忽略高速公路及其運行車輛的影響。

該測點拱頂沉降平均速率隨二次襯砌的向前推進的變化規律如下：

測點距離二次襯砌22.2m時，拱頂平均沉降速率為6.5mm/d，速率較大，施作一板（5.8m）二次襯砌后，平均沉降速率減小到3.00mm/d，為距離二次22.2m時的46.2%，再施作一板（5.5m）二次襯砌后，平均沉降速率減小到距離二襯16.4m時的16.67%，距離二襯22.2m時的0.08%，變形已趨于穩定。由以上分析可知，洞室斷面向掌子面方向離二次襯砌的距離越遠，拱頂沉降的平均速率就越大。二次襯砌對10.9m范圍內的圍巖及初支有較好的支撐作用，從10.9m到22.2m空間效應逐漸消失，所以在二次襯砌與掌子面距離在10.9m至22.2m之間，跟進二次襯砌對控制軟弱圍巖拱頂沉降有重要意義。

6.3黃土隧道洞室收斂變形規律

根據對黃土隧道水平收斂監控量測資料的分析發現，水平收斂速率和收斂值較拱頂下沉和地表沉降都較小，水平收斂值均在2.2～5.9cm，收斂值在4cm以下的居多，水平收斂速率一般在開挖后5～7d內稍高，為2～4mm/d，之后變形速率逐漸減小，基本穩定在1mm/d左右，切1mm/d以下的居多。還有存在一定數量的水平收斂監控量測點至始至終水平收斂速率沒有超過1mm/d。水平收斂速率與距掌子面的距離、距仰拱的距離、二次襯砌的距離關系不大，在距仰拱和二次襯砌較遠距離時收斂值就已穩定。

7.結論

（1）黃土隧道中仰拱對距其4m范圍內洞室的拱頂沉降變形抑制作用效果顯著，從4m到8m遠離仰拱，仰拱的空間效應逐漸消失。因此4m以外的洞室拱頂沉降變形較大時，及時跟進仰拱，縮短與仰拱的距離，使仰拱空間效應得到有效的發揮。

（2）黃土隧道中二次襯砌在10.9m范圍內的空間效應較顯著，從10.9m到22.2m空間效應逐漸消失，在此范圍內及時跟進二次襯砌，可有效的控制沉降變形。

（3）與其他圍巖不同，黃土隧道水平收斂值及收斂速率較拱頂沉降及地表沉降都較小，且水平收斂速率與距掌子面的距離、距仰拱的距離、距二次襯砌的距離關系不大。 [科]

【參考文獻】

[1]王曉州等.大斷面黃土隧道建設技術—北京：中國鐵道出版社，2009.4.

[2]曹鋒，劉鳳奎.雙側壁導坑法在黃土淺埋大斷面隧道中的應用.電子測試，2013（09）.

[3]王華川.超大斷面黃土隧道雙側壁導坑法施工過程受力分析，碩士學位論文，2009.

[4]王學斌.超淺埋大斷面隧道雙側壁導坑法施工參數優化研究[J].市政與交通建設，2012（06）.

[5]王志，杜守繼，張文波，李迎九，吳雪萍.淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J]，地下空間與工程學報，2009（06）.

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[7]張臻榮，沈文釗.鄭西客運專線秦東隧道淺埋偏壓地段雙側壁導坑施工技術[J].隧道/地下工程，2009（04）.

[8]吳夢軍，陳彰貴，許錫賓，趙明階.公路隧道圍巖穩定性研究現狀與展望.重慶交通學院學報，Vol.22.2003.