淺談大跨隧道雙側壁導坑法施工方案優化

趙瑞文， 張 翼， 劉湘林， 向學文， 巫華平， 蔡佳良

(1.北京建工土木工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大學土木工程學院交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

淺談大跨隧道雙側壁導坑法施工方案優化

趙瑞文1， 張 翼1， 劉湘林1， 向學文1， 巫華平1， 蔡佳良2

(1.北京建工土木工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大學土木工程學院交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

大跨隧道在開挖過程中若支護方式和開挖方法的不合理易造成隧道塌方、大變形等失穩現象，保證隧道施工期間的穩定性是隧道工程施工的核心目標，文章以貴陽市南埡路三號隧道為工程依托，采用數值模擬并結合現場實際施工展開研究，研究表明：對開挖步距及一次性拆除臨時支撐長度進行優化，可確保施工安全，同時，施工進度顯著提高。

大跨隧道； 雙側壁導坑法； 施工優化

1 工程概況

南埡路工程屬于貴陽市中心城區“暢通工程二期”道路基礎設施建設系統中1.5環的北線，是貴陽市道路網主骨架的重要組成部分，起連接放射的作用，既承擔部分市內交通，又擔負著來自于公路的出入境和過境交通。南埡路第三合同段起訖里程為K2+979.3-K4+817.053,主要工程包含南埡路三號隧道、楊柳井互通立交等(圖1)。

圖1 南埡路三號隧道

隧道進口起點位于貴州財經學院后貴州省植物園，并下穿貴州省植物園十字山，出口位于貴陽市北二環楊柳井采石場附近，隧道設計為單線四車道隧道，兩側布置人行道，設計車速60 km/h，開挖寬度21.878 m，高度為14.321 m，為貴陽市第一座四車道隧道，為本合同段控制性工程。

三號隧道左線起止里程為LK2+979.3-LK4+150.4，全長1171.1 m；右線起止里程為RK2+966.6-RK4+108.8，全長1142.2 m。工程內容具體包括套拱施工、隧道開挖、初期支護、二次襯砌、路面、照明等市政管線、交通安全與管理及附屬設施。

2 工程地質

隧道處地質為三疊系安順組白云巖，巖石中節理裂隙較發育，主要為構造節理，節理一般呈閉合狀，裂隙一般為方解石脈充填，膠結一般～好，巖體總體較破碎。軸夾角30°～35°，巖芯主要呈柱狀～短柱狀，少量長樁狀，巖芯采取率65 %～83 %，RQD=12 %～52 %；三疊系松子坎組白云巖平少量泥灰巖，巖石中節理裂隙較發育，主要為構造節理，節理一般呈閉合狀，裂隙一般為方解石脈及黏土充填，膠結一般～好，巖體總體較破碎。軸夾角30°～40°，巖芯主要呈柱狀～短柱狀，少量長樁狀，RQD=8 %～40 %。

圍巖穩定性較差～較好，不支護拱部局部易產生小坍塌、掉塊，可局部噴混凝土，系統錨桿加鋼筋網，并澆筑混凝土襯砌支護。

3 工程重難點

3.1 工程重點

三號隧道為分離式雙向八車道隧道，開挖寬度21.878 m，高度為14.321 m，是貴陽市第一座四車道隧道，也是南埡路工程的工期控制性工程和重要節點工程，工期緊，施工安全和質量要求高。

3.2 工程難點

本工程因隧道處于喀斯特地貌地區，地下巖溶較發育，巖石中節理裂隙較發育，局部地段圍巖較差，且隧道斷面和跨度大，不支護時拱部局部穩定性差，易產生小坍塌、掉塊，因此巖體破碎、巖溶發育、隧道斷面大、穩定性差是隧道設計和施工的難點之一。

此外，隧道進口段下穿省植物園，且屬于超淺埋段，埋深最小處僅1.8 m，且該園內正修建蓄水渡槽(將蓄水700 t)及多棟玻璃建筑物，施工時必須做好超前支護施工，嚴格控制開挖進尺、爆破振動，并加強監測，襯砌緊跟，以確保施工及結構安全、減小對環境的影響，故此超淺埋段安全施工是本工程的另一大難點。

4 施工組織方案

4.1 施工原則及工藝原理

由于本項目工程隧道為超大斷面隧道，對于Ⅴ級圍巖地段，采用雙側壁導坑法施工，并遵循“弱爆破、短進尺、強支護、早閉合、勤測量”的施工組織設計[1-2]。

工藝原理：以巖體力學理論為基礎，應用新奧法原理指導施工，充分發揮圍巖自承載能力，運用光面爆破技術，及時進行噴錨初期支護，防止圍巖松動，應用監控量測及時反饋信息，充分發揮圍巖和初期支護的作用[3]。原施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

4.2 施工注意事項

在開挖導坑時，盡量減少對圍巖的擾動，導坑斷面近似橢園，周邊輪廓園順，避免應力集中。初期支護采用格柵鋼架、掛網噴混凝土柔性支護體系，及時施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承能力，控制圍巖變形。建立一整套圍巖支護結構監控量測系統，進行信息化施工管理，隨時掌握施工過程中的動態變化，合理安排，調整施工工藝和設計參數，確保施工安全。

(1)側壁導坑形狀宜近于橢圓形斷面，導坑斷面寬度宜為整個斷面寬度的1/3。

(2)側壁導坑、中槽部位宜采用短臺階法開挖，各部距離應根據隧道埋深、斷面大小、結構類型等選取。各部開挖后應及時進行初期支護及臨時支護，并盡早封閉成環。

(3)兩側壁導坑各部位須嚴格按照設計臺階長度施工，可獨立同步開挖和支護；中槽部位采用臺階法開挖，并保持平行作業。

(4)中槽開挖后，拱部鋼架與兩側壁鋼架的連接時難點，在兩側壁導坑施工中，鋼架的位置應準確定位，確保各部架設鋼架連接后在同一個垂直面內，避免鋼架發生扭曲。

(5)根據監控量測信息，初期支護穩定后拆除臨時支護，一次拆除長度不得大于6 m，并加強監控量測。

(6)臨時支護拆除完成后，應及時施作仰拱及二次襯砌。

4.3 施工參數優化

為找到合理的施工參數，保證隧道施工期間的穩定性，同時加快施工進度，針對開挖步距、拆撐距離等主要施工控制參數，建立不同工況，利用計算模型進行研究分析[4]。

根據工程實際情況，隧道斷面凈高為14.321 m，最大跨度處寬度為21.878 m。隧道拱頂距地表29 m，隧道仰拱底部距模型下端取3倍跨度42 m，模型左右兩邊寬度各取3倍跨度40 m，沿隧道掘進方向取80 m，縱向劃分間隔為1 m，數值模型尺寸為X×Y×Z=243 m×80 m×65 m。模型上邊界為自由，下邊界約束豎向位移，左右邊界約束水平向位移。計算參數見表1，整個模型及隧道周邊網格如圖3所示。

表1 計算參數

圖3 隧道有限元模型

4.3.1 開挖步距優化

根據類似項目工程經驗，現對施工中3種常用的工法進行數值模擬研究，比選出最優施工步距，不同工況施工臺階參數見表2。

表2 不同工況參數選取 m

數值模擬中考察隧道拱頂及地表沉降，對比分析各工況考察點的最終沉降值(表3)。

表3 不同工況沉降值結果 mm

從表3可看出，針對本項目工程而言，一次開挖進尺的步距越大，產生的變形和沉降也越大，開挖步距越小，越容易控制開挖引起的變形。然而，從力學角度考慮，開挖步距選取過小，對掌子面的擾動較大，掌子面將發生失穩，這一點在數值模擬的結構內力變化得到了驗證。另外，若步距過小，將影響人員和機械在隧道中施工，影響施工效率。因此，針對本項目的施工步距采取工況1的方案。

4.3.2 中隔撐拆除距離對比分析

與前述小結相同，初支穩定后，選取一次拆除采取臨時支撐3 m、6 m、8 m三種不同工況進行數值模擬分析研究，考察隧道拱頂沉降，計算結果見表4。

表4 不同工況沉降結果

從表4可看出，當一次性拆除臨時支撐長度超過6 m時，拱頂沉降值變化明顯，與前述的施工注意事項，將拆除長度控制在6 m之內基本符合。另外，分析數值模擬的應力云圖，可發現拆除支撐后，應力集中位置為臨時支撐與隧道連接部位，因此，在施工過程中需對該部位支護進行加強。

本項目工程施工中，采取上述兩種優化措施，將隧道拱頂及地表沉降值控制在安全范圍之內，同時施工進度顯著提高。

5 結束語

基于數值模擬和工程經驗，對南埡路三號大斷面隧道雙側壁導坑法主要施工參數優化進行研究，得到如下結論：

(1)雙側壁導坑開挖步距最好選擇4.3.2節中工況1的參數，這樣既發揮了圍巖自承能力，同時又減少了工序循環時間和施工干擾，大大加快了施工進度。

(2)一次性拆除臨時支撐長度控制在6 m以內，對于臨時支撐與初支接觸部位，應格外注意保護，防止該處發生破壞。

(3)施工參數優化后的方案應用于工程施工中取得較好的效果，沉降值得到較好控制，同時大大地縮短了工期。

[1] 王夢恕.隧道施工要點集[M].北京: 人民交通出版社, 2002.

[2] 賴金星, 吳明先.大斷面公路隧道施工技術[J].施工技術,2006, 35(2): 59- 61.

[3] 郝小蘇,金露,何遠康. 雙向八車道公路隧道雙側壁導坑法施工優化[J]. 現代交通技術,2008(1):61-64.

[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]. 福建建設科技,2012(6):78-80.

[定稿日期]2017-08-09

趙瑞文(1976～)，男，大學本科，高級工程師，主要從事市政隧道施工管理工作。

U455.2

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