汕湛公路隧道施工方案優化選擇

崔向陽 ，丁 浩 ，陳 杰

（1.重慶交通大學，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

0 引言

隨著社會經濟的發展，隧道越來越多的出現在各個地方高速公路的建設中。而山嶺隧道中圍巖穩定性差，偏壓等特點使得山嶺隧道在修建過程中施工方法、監測方案的合理運用變得尤為重要[1]，在加快施工進度、保證施工安全、節約資金方面都起到了顯著的作用。因此，有效處理措施的合理運用對后面類似隧道的建設有較大的指導作用[2]。

圍巖穩定性較差隧道的施工方法，國內外學者運用理論與數值模擬在隧道開挖方面做了以下研究：徐瑞寧運用FLAC3D軟件對昔格達組地層上仿真模擬了5種隧道施工工況，得出了設計預留變形量為10～15 cm、10 cm以內時分別采用三臺階法和CRD法[3]。舒東利等通過調研分析和滲流場-附加膨脹應力耦合數值模擬，得出了臺階法更加適合隧道開挖且開挖進尺小于等于1.5 m[4]。卿偉宸等通過數值模擬和現場檢測對烏蒙山特大跨度四線鐵路研究，表明運用撐索轉換和以索代撐等方式實現了特大跨度隧道臺階法施工[5]。牟智恒等通過比選臺階法、CRD法、環形開挖預留核心土法，得出了CRD法在保證安全性方面優于其他兩種工法，且在淺埋偏壓條件下先開挖淺埋側更能保證結構穩定[6]。

對圍巖穩定性差的隧道施工工法雖然也做了以上研究，但是沒有全面、系統地對實際工程中的經濟、監測部位等因素進行分析[7]。本文從汕湛高速公路惠州至清遠段TJ4標段入手，分析了該項工程楓樹坳隧道中3種不同的施工方案和經濟性，通過數值模擬比選出了合適的施工工法，并對隧道施工實時監測分析，總結出了在安全、經濟的基礎上各種工法的使用條件[8-11]。

1 工程概況

楓樹坳隧道穿越丘陵地貌區，小凈距分離式隧道，左線隧道起迄里程ZK68+024—ZK68+770，長746 m，右線隧道起迄里程K68+020—K68+770，進口段洞門采用端墻式，洞門設計標高302.88 m，出口端洞門采用端墻式，楓樹坳隧道隧址區新構造運動強度較弱，構造相對穩定；淺部巖石分化裂隙發育，巖體完整性較差，深部節理裂隙一般發育-較發育，主要發育3組節理裂隙，不利于隧道圍巖穩定。

1.1 工程監測重難點項目

楓樹坳隧道安全專項風險評估等級為高度風險Ⅲ級，隧道淺埋段落較長，地表下沉監控量測為監測重點。

1.2 采取的針對性措施

1.2.1 洞門措施

預埋沉降觀測點，及時監測山體下滑坍塌；應做到早刷坡、早支護、早封閉，有效控制破碎帶失穩；邊仰坡采取藥卷錨桿防護，在設計基礎上合理調整坡度比例，保證邊坡穩定。

加強超前地質預報，做好洞內外防排水工作；開挖后及時施做二次襯砌并做好監控量測。

1.2.2 掌子面監測措施

拍照對掌子面做出準確素描，以便及時有效地監控，防止圍巖發生大變形造成安全隱患；嚴格按照施工圖進行施工，為防止暗挖斷下沉，開挖時按照要求做好初期支護，做好監控量測工作。

備用搶險機械設備、搶險物資，發現情況及時處理，洞外及時加固和做好交通疏解；按照“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤測量”的方針組織施工。

1.2.3 隧道偏壓措施

在隧道偏壓段范圍內采用鋼管樁注漿加固，防止隧道開挖后偏壓加劇引起隧道變形等危害，加強地表下沉監測。適當減小測點步距，增加監控量測頻率。

1.3 開挖綜合進度分析

不同的施工工法所對應的隧道開挖綜合進度指標見表1所示。

表1 隧道開挖綜合進度指標表

根據以上隧道開挖綜合進度指標得出：三臺階+臨時仰拱法施工空間大，方便機械施工，可以多作業面平行作業，功效較高；單側壁導坑法對于雙側壁導坑法效率提高了一倍。

1.4 安全質量分析

雙側壁導坑法斷面分塊多，施工相互干擾大，且雙側壁導坑上緣尖而窄，成形、出渣及施作系統錨桿很困難。雙側壁導坑法需對側壁導坑靠核心土一側進行臨時支護，支護采用Ф22藥卷錨桿（帶鋼墊板）、I18鋼拱架和Ф50超前注漿小導管，工序多、繁雜、進度緩慢、安全系數高。雙側壁導坑法臨時支護待監控量測證明圍巖穩定后才可拆除，拆除難度大，容易對已穩定圍巖進行二次擾動，有安全隱患。

三臺階+臨時仰拱法就是將大斷面劃分成自上而下3個小單元進行開挖，縮小開挖斷面；采用臨時仰拱就是使每個小單元及時封閉成環，形成環向受力，有效地發揮初期支護整體受力效果，保護圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形，阻止支護結構變形。三臺階+臨時仰拱開挖法分塊少，各部開挖及支護自上而下，步步成環，及時封閉，各分部封閉成環時間短，臨時仰拱能有效阻止支護結構的水平收斂，減少隧道圍巖變形。且三臺階法上、中、下臺階同時進行施工互不干擾，施工空間大，施作方便，系統錨桿的施工質量容易得到保證，且施工工期較短。三臺階加臨時仰拱法下臺階和中臺階拉開10 m，下臺階對中臺階能起到核心土作用；中臺階和上臺階拉開10 m，中臺階對上臺階起到核心土作用，安全上得到保證。

單側壁導坑法就是將大斷面劃分成2個小洞4個單元進行開挖，每個導坑能更快成環，形成環向受力，有效地發揮初期支護整體受力效果，保護圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形，阻止支護結構變形，后行洞鋼架是直接與先行洞鋼架進行對接，就不會出現鋼架連接不順暢的情況，再加上左右側步距較雙側壁短，能夠更早地讓初支、二次襯砌成環，更能保障施工安全，施工工期處于雙側壁導坑及三臺階+臨時仰拱之間。

根據以上安全質量分析得出：三臺階+臨時仰拱法可以使每個單元及時封閉成環，有效地抑制圍巖變形，安全上可以得到保證；雙側壁導坑法施工中相互干擾，會造成二次擾動，有安全隱患。

1.5 經濟效益分析

采取3種不同的施工工法施工時，不同的項目實施過程中所用材料的數量和造價見表2所示。

表2 隧道開挖經濟效益分析

經比對，雙側壁導坑法每延米導洞支護費用為1.57萬元，三臺階+臨時仰拱法每延米支護費用為1.45萬元，單側壁導坑法每延米導洞支護費用為1.496萬元。因此，使用三臺階+臨時仰拱法可以節約費用，雙側壁導坑法花費最大。

2 不同工法數值模擬分析

實際工程中由于經濟、安全、質量等因素對不同的施工工法會有一定的制約。為尋求合適的工法，運用FLAC3D軟件對隧道采用的CD法、雙側壁導坑法、三臺階七步開挖法3種工法進行數值模擬，通過各種的變形特征進行比較，得出優選工法。

2.1 圍巖參數選取

系統錨桿、超前小導管注漿的效果采用模擬其支護效果的方式來進行近似，具體的方法為采取提高加固圈的參數來進行表達支護措施對圍巖的強化效果。根據以往經驗，本次圍巖加固圈c、ψ值按提高30%考慮。數值模擬中采用的實體單元等效剛度等參數見表3所示。

表3 實體單元等效剛度參數

2.2 圍巖塑性區情況

運用FLAC3D軟件對不同施工工法下隧道圍巖塑性區分布進行模擬。雙側壁導坑法塑性區分布情況見圖1所示；三臺階七步開挖法塑性區分布情況見圖2所示；CD法開挖塑性區分布情況見圖3所示。

圖1 雙側壁導坑法塑性區分布

由以上工法隧道圍巖塑性區分布情況以及安全質量分析得出：三臺階+臨時仰拱法可以使每個單元及時封閉成環，有效地抑制圍巖變形，安全上可以得到保證；雙側壁導坑法施工中相互干擾，會造成二次擾動，有安全隱患。因此，應對塑性區的地方應該加強監測，加強支護，隧道應早日封閉成環。

2.3 圍巖裂縫情況

圖2 三臺階七步開挖法塑性區分布

圖3 CD法開挖塑性區分布

針對3種施工工法的開挖特點，分別在楓樹坳隧道拱頂、拱腳處對隧道拱頂沉降、水平位移點監測。監測數據見表4所示。

表4 3種施工工況監測數據

根據以上數據得出：雙側壁導坑法拱頂最大沉降最大，位移發生在左右側壁拱腳處；雙側壁導坑法控制圍巖變形能力較好，適用于圍巖自穩能力差的隧道。三臺階七步開挖法拱頂最大沉降12.3 mm，適用于圍巖自穩能力較好的隧道；CD法介于兩者之間。數值模擬情況與實際情況相符，施工中應勤測量、早支護，注意拱腳處強度。

總結以上分析得出，從塑性區分布和安全質量方面得出三臺階+臨時仰拱法可以使每個單元及時封閉成環，有效地抑制圍巖變形，安全上可以得到保證；雙側壁導坑法施工中相互干擾，會造成二次擾動，有安全隱患；但從監測數據看三臺階法拱頂最大沉降最大，適用于圍巖條件較好的情況；雙側壁導坑法控制圍巖變形能力較好，適用于圍巖自穩能力差的隧道；CD法介于兩者之間；另外經濟效益方面雖雙側壁法花費較大，但是3種工法相差不大。因此，在圍巖條件差時采用雙側壁法施工時應加強監測，早日支護，控制圍巖變形，加強對拱腳支護，保證施工安全。

3 結論

通過以上對楓樹坳、大坪、烏樹頭隧道的綜合分析，研究不同圍巖條件下的施工工法、經濟性、安全性的特點，探究適用于圍巖穩定性差的隧道的施工工法，得出以下結論：

a）總結以上開挖隧道的安全質量、經濟效益對比分析結果，結合數值模擬分析后的結果，該工程中主洞洞身段Ⅴ級淺埋段、土質圍巖段或風化、破碎較為嚴重的洞口段地段采用雙側壁導坑法施工，雖花費較大但是能保證施工安全；Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段采用單側壁導坑法施工，相對于雙側壁導坑法速度提升了一倍且經濟性較好；Ⅳ級深埋硬質巖段采用三臺階法開挖施工，施工進度快，更加經濟。

b）該工程中隧道3種施工工法雖然雙側壁法月進度只有12.5 m，但相對其他工法安全，因該工程采用雙側壁法且左、右導坑宜保持一倍洞跨以上距離，建議按不小于15 m選擇左、右導坑縱向錯距。中導坑與后行導坑m距離不宜小于一倍洞跨，建議中導坑與后行導坑縱向距離為15～20 m。

c）為防掌子面坍塌，噴射混凝土應緊跟開挖作業面，及早封閉巖面，必要時用噴混凝土封閉掌子面和預留核心土，分部開挖等應急方案。

d）對于隧道開挖不能只關注經濟方面因素，雖三臺階法施工方便且速度較快，但控制圍巖變形方面效果較差；在隧道施工中應更加關注安全性因素和開挖過程中圍巖塑性區分布及監控量測等因素，綜合分析掌握每種施工工法要點，保證施工質量和安全，防止隧道開挖過程中變形過大，發生垮塌。