石膏質巖隧道工法優選

趙國軍+陳釩+歐陽汛

摘 要： 石膏質巖的膨脹特性嚴重影響隧道的施工設計及其后期的正常使用，目前該類巖體隧道的設計施工大都偏保守，合理的隧道工法是石膏質巖體隧道安全穩定的有力保障。以重慶梁忠高速公路禮讓隧道石膏段為工程依托，采用數值模擬，進行工法優選并提出相應施工要求，得出以下結論：（1）對石膏段隧道采用全斷面法開挖，支護結構受力最大，變形相對也更大，單側壁導坑法支護受力最小，變形相對要小，但工序復雜，上下臺階法工序相對簡單，變形及受力在允許范圍內。（2）選取斷面進行臺階法開挖現場測試，提出開挖階段嚴格控制爆破及仰拱及掌子面間距，并加強各類支護，加深仰拱等相應現場要求。（3）現場測試結果顯示隧道變形實測值較模擬數值稍有偏小，隧道整體偏安全，禮讓隧道石膏段采用上下臺階法開挖可行。研究成果對類似石膏質巖隧道提供了有益借鑒。

關鍵詞： 石膏質巖； 開挖方法優選； 現場測試

Abstract： The expansion features of the gypsum rocks seriously affect the construction of the tunnel design and its normal use in the late period， the design and construction of these tunnels are mostly conservative at present， Reasonable construction methods are powerful guarantees for gypsum rock tunnels safety and stability. As the gypsum rock section of Lirang tunnel in Chongqing， Liang Zhong highway for the project， using the numerical simulation， to optimize the construction method and put forward something requirements， the conclusions are as follows：（1）when the gypsum section tunnel excavated by the whole section method， the supporting structure is largest forced， the tunnel deformation is relatively more， the supporting force is minimal when the tunnel excavated by the CD method， deformation is relatively smaller， while the process is complicated， up and down the steps method procedure is relatively simple， also the deformation and stress in the allowed range. （2）Select some sections to have a field test with steps method， put forward that the excavation process should strictly controlled blasting and the distance between the inverted arch and constraints spacing， besides， all kinds of the support should be strengthen， also the inverted arch should be deepen and other corresponding requirement on site. （3）The field test results show that the measured values of the tunnel deformation are slightly smaller than the simulation values， the tunnel is in a good security， it is feasible of the Gypsum tunnel section excavated by steps method. Research provides useful reference for similar gypsum rock tunnel.

Keywords： gypsum rock； the excavation method optimization； field test

石膏質巖是一種典型的特殊巖體，在我國各個區域，特別是西南地區廣泛分布著石膏質巖，各類工程建設過程中也時常遭遇此類巖體。目前我國公路隧道大都采用新奧法施工[1]，即通過圍巖與襯砌結構共同承受荷載。對于石膏質巖隧道，我國尚未對其進行針對性設計，也沒有相應的隧道施工工法，而是依靠經驗完成建設，導致隧道常常在施工過程中偏于危險或相對保守[2]。當施工偏于危險時，導致隧道出現安全問題，并需要耗費大量資金進行維修和養護；當施工偏于保守時，支護結構與圍巖共同承載作用不夠充分，還將造成錨桿等支護材料過剩，同樣造成了嚴重的資金浪費[3]，因此，對石膏質巖類特殊隧道進行針對性工法分析研究具有重要意義。

目前隧道施工設計方法多樣，許多學者針對特殊巖體隧道施工進行了相關研究。郭文明[4]進行了全斷面法、核心土方法等工法分析總結，并對各級圍巖下的超大斷面扁平隧道施工工法提出了相應的建議；郭禹呈[5]對回頭溝隧道淺埋偏壓段進行了施工方法對比研究，對工程實際選擇了合適的工法，并詳細進行了施工流程分析指導；王鐵男[6]分別對全斷面法、臺階法及雙側壁導坑等方法進行了隧道開挖穩定性分析，總結了每種開挖方案在分析的各階段的特征；李達[7]對穿越斷層的長大隧道進行了施工方法優化，并提出了隧道穿斷層的相關施工建議；范小偉[8]對長沖隧道進口段分別采用臺階分部法和CD法，優化分析隧道各個部位的變形及受力特性。

綜上可知，特殊隧道段合適的開挖方法不僅可以實現新奧法施工過程中圍巖與襯砌結構受載充分，保證隧道的穩定性，還可以節約錨桿、襯砌等支護結構的使用，降低支護成本，并對整個施工過程提出更為詳細縝密的施工要求。本文以重慶梁平至忠縣高速公路深埋石膏質巖段隧道，對新奧法中常用的隧道施工方法分別進行圍巖變形影響分析及支護結構受力分析，進而選擇適合石膏質巖深埋隧道工程的施工方法，并相應地提出現場施工要求，進行現場測試，驗證優選工法的可行性。

1. 工程概況

重慶梁平至忠縣高速公路禮讓隧道進口位于七星鎮金柱村蔣家溝，出口位于禮讓鎮河川村流長溝，屬于特長隧道。石膏主要分布于背斜軸部分布的三疊系下統嘉陵江組四段的地層中，具體分布里程范圍：左線ZK14+582～ZK14+907，右線K14+599～K14+920，穿石膏巖段隧道長度約600m，且屬于禮讓隧道深埋段。石膏段圍巖等級為V級。

2. 禮讓隧道石膏段開挖方法優選分析

2.1 膏巖段隧道模型建立

根據《禮讓隧道施工設計說明》和詳勘資料，建立平面應變模型，分析隧道開挖后圍巖變形及支護結構受力。結合禮讓隧道膏巖段實際地層情況，建立幾何模型如圖1所示，模型寬300m，高160m，尺寸遠大于開挖洞徑，巖層自上而下為灰巖A1（100m）—膏巖A3+A4（40m）—灰巖A2（20m）。由于膏巖具有軟化性，因此取隧道三倍洞徑范圍，對膏巖區進行了軟化區域劃分，其中A4為軟化區，即隧道開挖過程中造成周邊圍巖體軟化，強度降低；A3為非軟化區，表示隧道開挖對該區域圍巖強度基本無影響。

采用桿單元Link1，模擬錨桿支護，梁單元Beam3模擬初襯支護，平面單元Plane42模擬隧道巖體。巖土體采取彈塑性介質模型，DP準則，灰巖、膏巖及支護材料的力學參數見表1。

2.2 膏巖段隧道開挖方法模擬

隧道開挖方法對圍巖穩定性及工程進度影響較大，目前高速公路隧道常用的開挖方法有：全斷面法、上下臺階法、單側壁導坑法。[9]禮讓隧道原始設計中，建議石膏段采用單側壁導坑法施工。本研究分別對全斷面法、上下臺階法、單側壁導坑法進行數值模擬，分析圍巖變形及支護結構的受力特征，并基于模擬結果指導現場施工。

三種開挖方法的具體模擬如下：

（1）全斷面開挖。包括：模擬重力場à模擬全斷面開挖à隧道斷面支護。

（2）上下臺階法。包括：模擬重力場à上臺階開挖à上臺階支護à下臺階開挖à下臺階支護。

（3）單側壁導坑法。包括：模擬重力場à左上側開挖à左上側支護à左下側開挖à左下側支護à右上側開挖à右上側支護à右下側開挖à右下側支護à拆除中隔墻。

2.3 模擬結果及分析

由于本模擬側重研究三種開挖方法對石膏巖隧道的影響，且實際施工過程中同一隧道不允許同時掘進，所以只對隧道左洞的開挖進行模擬。三種開挖方法模擬下各圍巖及支護參數均相同，且基于原設計。

（1）圍巖變形分析

圖2為三種開挖方法下，圍巖在豎直方向上的位移云圖。三種方法下最大豎直方向的位移都發生在拱頂處。可以看出全斷面開挖，隧道拱頂最大下沉19.61mm，底部隆起10.84mm，兩者變形值相差不大，這是因為全斷面開挖，斷面一次成型，隧道上下部圍巖受膨脹軟化作用的時間相同。上下臺階法開挖，隧道拱頂最大下沉17.37mm，底部隆起7.75mm，拱頂和拱低變形值相差9.62mm，這是因為上臺階先行，拱頂圍巖變形時間長于拱底。單側壁導坑法開挖，隧道拱頂最大下沉8.50mm，底部隆起6.29mm。對比三種方法，單側壁導坑法下沉量最小，全斷面法下沉量最大。

圖3為三種開挖方法下，圍巖在水平方向上的位移云圖。三種方法下水平方向的最大位移都發生在右側拱墻處，這是因為模擬過程中只對左側單隧道開挖，模型右半部分的圍巖較左半部分多，造成隧洞右側拱墻處位移稍大。全斷面開挖，隧道水平方向最大位移10.91mm，水平收斂21.14mm。上下臺階法開挖，隧道水平方向最大位移7.56mm，水平收斂14.88mm。單側壁導坑法開挖，隧道水平方向最大位移2.01mm，水平收斂3.66mm。可以看出開挖方法對圍巖水平方向變形比對豎直方向變形影響大。

（2）支護結構受力特征分析

圖4為三種開挖方法下的錨桿軸力圖。全斷面開挖法，錨桿的近端軸力大、遠端軸力小，最大軸力為174.54KN，主要分布在拱頂，拱腳處也會出現軸力偏大，最小軸力43.29KN。上下臺階法，錨桿軸力分布均勻，最大軸力為66.07KN，分布在上臺階拱墻側，最小軸力35.53KN，分布在拱腳處。單側壁導坑法，錨桿軸力分布均勻，最大軸力為43.48KN，分布在左側拱墻和拱底中間處，最小軸力25.74KN，分布在拱腳處。可見分步開挖能降低錨桿的軸力，且能有效避免拱腳處錨桿軸力過大。

在模擬結果中，三種開挖方法襯砌的彎矩和剪力都非常小，襯砌的壓應力主要受軸力影響。圖5為襯砌所受軸力圖。全斷面開挖中襯砌最大軸力在拱腳處，為475.90KN，最小在拱墻處，為314.26KN，這是因為隧道斷面一次成型，且圍巖具有膨脹軟化性。上下臺階法，襯砌最大軸力為208.40KN，除了出現在拱腳處，拱頂處軸力也偏大，這是因為先開挖上臺階，上部圍巖受膨脹作用時間長。襯砌最小軸力為136.88KN，在拱肩處。單側壁導坑法襯砌最大軸力149.09KN，在左側拱腳處，這是因為左側先開挖且圍巖受膨脹作用影響，襯砌最小軸力為79.50KN。可見，三種方法中單側壁導坑法對隧道襯砌結構影響最小。

表2為三種開挖方法下，圍巖變形及支護結構受力的結果。全斷面法對圍巖擾動最小，拱頂沉降和水平收斂值都大于另兩種開挖方法；單側壁導坑法對圍巖擾動最大，但圍巖變形相對最小；上下臺階法介于兩者之間；支護結構受力方面，全斷面法對支護結構影響最大，錨桿最大拉應力能達到88.9MPa，襯砌最大壓應力能達到7.1MPa；單側壁導坑法對支護結構影響最小，錨桿最大拉應力能達到22.2MPa，襯砌最大壓應力能達到2.2MPa；上下臺階法介于兩者之間。錨桿最大拉應力能達到33.6MPa，襯砌最大壓應力能達到3.1MPa。對比三種方法，即使采用全斷面開挖，錨桿最大拉應力和襯砌的最大壓應力，都在材料的許可范圍內（錨桿抗拉強度130MPa，襯砌抗壓強度30MPa）。

綜上所述，綜合考慮采用不同開挖方法對隧道圍巖、支護結構的影響以及隧道施工便捷、經濟等因素，采用全斷面法進行隧道開挖，雖然施工進度快，且最具經濟性，但其水平收斂達21.14mm，變形量超出允許值范圍，施工相對偏危險。采用單側壁導坑法進行隧道開挖時，圍巖變形及其支護結構受力相對偏保守，但其施工工序更為繁瑣。因此，對禮讓隧道石膏段選擇上下臺階法進行施工更為合理，施工工序相對原設計中的單側壁導坑法更為簡便，且其沉降收斂值也均處于圍巖允許變形范圍內。

3. 禮讓隧道石膏段臺階法現場測試

根據前節對禮讓隧道石膏段開挖方法進行優選分析，對其提出采用上下臺階法代替單側壁導坑法進行施工，并結合膏巖段現場施工過程中采取的措施，從隧道開挖及支護方面提出相關要求，并驗證臺階法施工的可行性。

3.1 臺階法隧道施工現場要求

（1）臺階法隧道開挖要求

同一段隧道左右洞不許同時掘進，分先行洞和后行洞施工，后行洞控制爆破震速不大于15cm/s。[10]后續洞初期開挖及初期支護超前先行洞二次襯砌。上臺階開挖長度不超過開挖寬度的1.5倍。上臺階每循環開挖進尺V級圍巖不超過1榀鋼架間距，下臺階開挖支護進尺與上臺階一致。隧道開挖后仰拱應及時施做并封閉成環，邊墻每循環開挖支護進尺不大于2榀鋼架。仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，每循環進尺不大于3米，左右兩側分幅開挖。V級圍巖仰拱距離掌子面不大于40m。

（2）臺階法隧道支護建議

①施工時需加強監控量測，嚴格遵循“動態設計、信息化施工原則”；

②增加預留變形量，暫設計為40cm，具體施工時需根據現場監測得到的圍巖膨脹變形量調整確定；

③加強超前支護，采取Φ42小導管和R76自進式錨桿進行超前支護；

④加強初期支護，采用20b密排工字鋼全周封閉支護，4m長Φ25中空注漿錨桿全周布置。施工時根據現場監測情況，若變形量較大引起初噴混凝土開裂，則需沿噴層每隔2m～3m布置一條10cm～15cm寬的縱向變形縫；

⑤加深仰拱，使隧道內輪廓更接近圓形，改善襯砌結構受力。

3.2 臺階法隧道施工現場測試結果分析

根據隧道施工實際情況，進行現場測試來驗證上下臺階法模擬及該方法所得結果的可靠性。在左右洞各選取2個斷面作為測試段進行測試，自測試之日起，記錄各斷面變形情況直至穩定，通過現場測試，得出4個斷面拱頂襯砌結構變形，具體結果對比如表3，拱頂沉降及水平收斂模擬數值較實測值稍有偏大，但圍巖及支護結構基本穩定，可見對禮讓隧道石膏段優選采用上下臺階法施工的方案是可行的。

4. 結語

（1）不同工法對隧道圍巖變形及支護結構受力的影響也不相同，對比全斷面法、上下臺階法、單側壁導坑法對深埋膏巖隧道影響，結果顯示：全斷面法對隧道擾動最小，支護結構受力最大，但隧道變形相對偏危險；單側壁導坑法對隧道擾動最大，支護結構受力最小，隧道變形相對偏保守，上下臺階法圍巖變形及支護結構受力位于二者之間，且與單側壁導坑法開挖結果更為接近。

（2）通過對隧道斷面進行現場測試，對隧道采用上下臺階法施工提出相應的開挖及支護施工要求：建議開挖階段嚴格控制爆破震速及仰拱與掌子面距離；建議支護階段增加預留變形量，加強超前支護、初期支護并加深仰拱，保障隧道的穩定性。

（3）現場測試結果顯示，隧道采用上下臺階法施工，拱頂下沉及水平收斂實測值較模擬數值稍有偏小，隧道整體穩定且偏安全，對禮讓隧道石膏段采取上下臺階法施工合理且可行。

參考文獻：（References）：

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