大斷面國道隧道穿越接觸帶段施工開挖計算分析

■徐禮華 童淑萍

(撫州市公路局黎川分局，黎川 34460)

大斷面國道隧道穿越接觸帶段施工開挖計算分析

■徐禮華 童淑萍

(撫州市公路局黎川分局，黎川 34460)

本文以江西某隧道工程穿越不整合接觸帶區段的施工方案為例,選定計算模型及開挖模型后，依次改變導洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖深度三個方面計算隧道拱頂沉降量、水平收斂度并進行分析對比，最后確定最佳的導洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖深度等重要參數，施工方案由實際施工效果驗證，表明方案的可行性。

大斷面國道隧道 接觸帶 施工方案 開挖高度

1 引言

在國道施工中，因穿越多種地質地貌，所遇特殊區段多種多樣，施工情況較為復雜。針對特殊情況，需要考慮工程實際情況選用經濟合理的施工方案。當國道中隧道工程穿越接觸帶段時需要考慮的情況較多，研究此種特殊情況下的施工方案，為國道類似的施工提供參考。

國內關于國道隧道施工的研究相對較多，并取得一定成果。鐘元慶[1]針對隧道穿越國道的情況，應用淺埋暗挖法控制地表下沉量，以維持國道交通運營正常。趙紀平[2]解決隧道穿越高速公路、國道等問題，借助CRD法開挖、支護，并進行后期監測手段進行反饋式施工。蘇興矩[3]對于隧道工程穿越國道的情況，采用爆破減震技術降低對國道交通的影響，保證運行安全。熊慧中[4]等人借助大型有限元軟件進行施工數值模擬，前期分析隧道工程穿越國道中各力學參數，利用大管棚超前支護、中導洞-雙側導洞法與地層注漿法，有效控制地面下沉量。

本文以江西某隧道工程通過不整合接觸帶區段的施工方案進行探討分析。選定計算模型及開挖模型后，依次改變導洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度三個方面計算隧道拱頂沉降量、水平收斂并進行分析對比。最后確定最佳的導洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度等相關參數，其實際施工效果驗證了方案的可行性。

2 項目情況

某隧道是江西省內320國道中西南山區重要的一條隧道，其總體軸線方向是211～215°右線公里標范圍K159+456～K159+715段與左線公里表范圍K159+451～K159+720段斜穿不整合接觸帶，方向夾角120°，其厚度達11.5m，坡度20°，隧道埋深范圍是55～100.2m。山體地質為碎裂巖，泥質膠結。

某隧道斜穿接觸帶應用雙側壁導坑方式，每個導洞掌子面間隔距離8.5m，并且每次開挖高度2.5m。前期階段支護斷面選用直徑30mm的中空注漿錨桿，長度是4.25m，選定I23a型鋼拱架，間距70cm放置，并在其上掛置兩層直徑是10mm的鋼筋網，布設成邊長為25cm的方形，表面噴30cm厚度的C30型噴射混凝土，確定噴射55cm厚度的C25型鋼筋混凝土實現二次襯砌。應用I14型鋼拱架以間隔55cm布設，并掛置兩層直徑是10mm的鋼筋網布設成邊長為25cm的方形，表面噴20cm厚度的C325型噴射混凝土實現側導洞支護。

3 計算模型選定

(1）計算模型與參數標定

在確定施工方案前，必須依據工程實際情況計算其各參數。工程情況如下：隧道埋深是85m，超前注漿厚度是2.1m，拱墻網噴混凝土32cm。模型大小是X=160m，Y=25m，Z=128m，模型網格劃分見圖1，其中包含126328個單元和22548個節點。為了結合工程實際及計算方便，應用摩爾-庫倫模型進行計算，各計算參數值具體如表1所示。

表1 各計算參數表

圖1 隧道網絡模型

(2）監測點分布

隧道穩定性指標選定圍巖位移，為消除計算模型邊界效應，其研究斷面選在模型中部，并分別在中導洞、左側導洞、右側導洞拱頂布設1個沉降監測點。在拱腳出設置一條水平收斂測線，各監測點分布見圖2.

圖2 監測點分布圖

4 計算結果分析

結合工程實際情況，為了保證施工安全在施工前對導洞開挖次序、每次開挖高度以及掌子面的間隔距離依據模型進行計算，分析方案可行性。

(1）導洞開挖次序分析

在選定的模型中，導洞開挖每次深度是1.2m，掌子面間隔距離是4.5m。設定導洞開挖次序依次是1-2-3-4-5-6(1)、3-4-1-2-5-6(2)、5-6-1-2-3-4(3)、5-6-3-4-1-2(4)、1-2-5-6-3-4(5)，計算上述5種開挖次序下的拱頂沉降量、水平收斂，對比分析。

①拱頂沉降

在導洞5種開挖次序下，進行計算導洞1.、3、5拱頂沉降隨開挖步變化的趨勢變化，具體見圖3～5。

圖3 導洞3拱頂沉降量情況

圖4 導洞1拱頂沉降量情況

圖5 導洞3拱頂沉降量情況

由圖3～圖5得到，監測導洞沉降量隨開挖步數增加分為三個階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩；條件1、2、5與3、4比較，其拱頂沉降快速增加階段長，其增長斜率較小，各導洞穩定后增長斜率下降并逐漸趨于零。

在導洞貫通后監測導洞1、3、5在各條件下趨于收斂后的沉降情況如表2所示。

表2 導洞1、3、5各開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

由表2可知，在1、2條件下各導洞沉降量均達到最小，條件1下拱頂沉降量范圍是24.8～31.7mm，條件2下拱頂沉降量范圍是23.2～31.7mm，導洞5在條件1、2條件下導洞沉降量一致，導洞1在條件1下優于條件2下10.1%，導洞3在條件2下優于條件1下12.4%；條件1、2下拱頂沉降量優于其他條件下拱頂沉降量，條件1、2下拱頂沉降量優于條件3、4沉降量24.3%～42.6%，條件1、2下拱頂沉降量優于條件5沉降量0%～32.7%

②水平收斂

不同開挖次序下隧道水平收斂隨開挖步數變化而變化情況，如圖6所示。

圖6 水平收斂隨開挖步數變化趨勢圖

由圖6可知，監測水平收斂與開挖步數呈正相關關系，并且分為三個階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩；條件1、2、5比條件3、4下隧道收斂快速增加階段變短，且增長斜率降低，隧道穩定后的水平收斂下降明顯；條件1下水平收斂最小，達到16.8mm，其余4個條件下水平收斂均高于條件1，尤其是條件3、4水平收斂比條件1下水平收斂高出很多，這表明開挖次序采用先挖中間后再兩邊的順序造成水平收斂很大。

綜合上述拱頂沉降量與水平收斂的考慮，最終確定條件下的開挖次序1-2-3-4-5-6。

(2）掌子面的間隔距離

選定導洞開挖次序1-2-3-4-5-6，每次開挖高度是1.2m，在條件1下選定掌子面間隔距離是4m，改變掌子面間隔距離8m設為條件6，檢測兩種條件下的拱頂沉降量與水平收斂，開挖示意圖見圖7。

圖7 條件1、6下開挖示意圖

①拱頂沉降情況

檢測導洞1、3、5在條件1、6下的拱頂沉降量，并分析其與開挖步數之間的關系，具體情況見圖8～10。

圖8 導洞5拱頂沉降量情況

圖9 導洞1拱頂沉降量情況

圖10 導洞3拱頂沉降量情況

由圖8～圖10可知，監測導洞沉降量與開挖步數呈正相關關系，并且分為三個階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩；條件6與條件1相比，導洞1、3、5拱頂沉降的快速增加階段變長，其斜率變化變小，導洞1、3、5穩定后的變形值與條件1相差不多。

在導洞貫通后監測導洞1、3、5在各條件下趨于收斂后的沉降情況如表3所示。

表3 導洞1、3、5各開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

由表3可知，條件6下監測導洞拱頂沉降量范圍是25.53～32.75mm，條件1下監測導洞拱頂沉降量范圍是24.56～31.59mm，條件6下導洞拱頂沉降量比條件1下導洞拱頂沉降量略有下降，其下降幅度不大，表明掌子面間隔距離增大對拱頂沉降量增加幅度不大。

②水平收斂

在條件1、6下隧道水平收斂與開挖步數變化關系見圖11。

圖11 條件1、6下隧道水平收斂與開挖步數變化

由圖11可知，監測水平收斂與開挖步數呈正相關關系，并且分為三個階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩；條件6下與條件1下比較，隧道水平收斂快速增加階段加長，但其增長斜率變化微小，隧道穩定厚度水平收斂增加；條件6下水平收斂是19.40mm，條件1下水平收斂是16.95mm，條件6下比條件1下水平收斂增長幅度不大，這表明增大掌子面間隔距離對增大水平收斂效果不明顯。

綜上條件1、6下對拱頂沉降量與水平收斂的對比分析，可以看出選用掌子面間隔距離是4m比掌子面間隔距離是8m的條件下位移控制效果不明顯，結合工程投資及施工周期考慮，選用8m作為掌子面間隔距離。

(3）循環進尺距離

導洞開挖次序1-2-3-4-5-6，掌子面間隔距離是4m，在條件1下定每次開挖高度1.2m，取得每次開挖高度2.4m為條件7，監測條件1、7下拱頂沉降量、水平收斂進行對比分析。

①拱頂沉降情況

變化每次開挖高度不影響拱頂沉降量，在條件1、7下導洞1、3、5拱頂沉降量與開挖步數變化情況和圖8～10中條件1一致。以導洞5為例，其拱頂沉降量變化情況見圖12。

圖12 導洞5拱頂沉降情況

由圖12可知，可以得到如下結論：條件1與條件7下導洞5的拱頂沉降量基本一致，監測導洞沉降量與開挖步數呈正相關關系，并且分為三個階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩；條件7下拱頂沉降量大于條件1下拱頂沉降量。

導洞1、3、5在貫通后趨于收斂時其拱頂沉降情況如表4中數據。

表4 不同開挖次序下拱頂沉降情況(mm)

由表4可知，條件1下拱頂沉降量范圍是24.83～31.75mm，條件7下拱頂沉降量范圍是27.34～34.49mm，條件7下拱頂沉降量比條件1下拱頂沉降量增長幅度不大，表明每次開挖高度對拱頂沉降量影響微小。

②水平收斂

在條件1、7下各導洞水平收斂情況見圖13。

圖13 水平收斂情況

由圖13可知，監測水平收斂與開挖步數呈正相關關系，并且分為三個階段，第一階段緩慢增加，第二階段快速增加，第三階段緩慢增加并趨于平穩；在快速增加階段，條件7下導洞 拱頂沉降量增長斜率高于條件1下，且隧道穩定后水平收斂值增加；條件1下水平收斂是16.95mm，條件7下水平收斂是22.30mm，條件7下水平收斂比條件1下水平收斂增加幅度不大，即表明縮小每次開挖高度對水平收斂影響不明顯。

綜上對導洞 1、3、5分別在條件 1、7下的拱頂沉降量、水平收斂的對比分析，得到增加每次開挖高度對控制導洞位移效果不大的結論，確定為每次開挖高度是2.4m。

5 施工效果

綜合考慮導洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度3個因素的影響，，上述試驗結果分析可得到改變導洞開挖次序可有效降低隧道位移量，改變掌子面與每次開挖高度對隧道位移量降低效果不明顯。結合工程投資及工程實際情況，江西某隧確定方案是：不整合接觸帶段時導洞開挖次序是1-2-3-4-5-6，掌子面間隔距離是8m，每次開挖高度是2.4m。

該隧道工程自2015年6月開工后，216年9月份竣工，后期布設點監測不整合接觸帶區段隧道拱頂沉降量在16.2～26.5mm范圍波動，符合施工設計要求，并成功取得專家評審。

6 結論

本文就江西某隧道工程通過不整合接觸帶區段的施工方案進行探討。選定計算模型及開挖模型后，依次改變導洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度三個方面計算隧道拱頂沉降量、水平收斂并進行分析對比，最后確定最佳的導洞開挖次序、掌子面間隔距離、每次開挖高度等關鍵參數。施工方案的實施效果達到施工要求，表明施工方案的可行性。

[1]鐘元慶.金雞嶺隧道下穿G205國道施工技術[J].中外公路，2008，(03)：136-138.

[2]趙紀平.超淺埋隧道下穿高速公路、國道施工技術研究[J].隧道建設，2009，(04)：441-445+465.

[3]蘇興矩.隧道下穿超淺埋國道的爆破減震技術[J].公路，2010，(06)：237-240.

[4]熊慧中，王平，呂鑫，李旺旺.超淺埋大跨度連拱隧道下穿國道沉降控制研究[J].公路工程，2014，(06)：25-28+55.