復雜破碎圍巖條件下大斷面公路隧道初期支護的合理時機分析

李善斌

（中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建 廈門 350000）

目前國內高速公路快速發展，設計、環保理念進一步提高，隧道在高速公路中所占比例越來越多，同時隨著設計速度目標值越來越高，開挖斷面也越來越大，提高隧道開挖的安全性及施工效率十分重要。為此，國內外眾多學者以及工程人員對其進行了較多的研究，雖然這些研究成果為高速公路隧道的安全快速施工提供了較好的指導，但專門針對復雜破碎圍巖條件下大斷面公路隧道雙側壁導坑法開挖支護時機的研究則較為少見，因此有必要針對復雜破碎圍巖條件下大斷面公路隧道開挖支護進一步進行分析和優化，以期為類似施工環境下的隧道建設提供技術參考。

1 工程概況

洋溪隧道線路基本呈南北走向，設計為分離式隧道，雙向六車道。單洞裸洞跨度16.37m，洞高11.66m。穿越地層主要為全風化、強風化至微風化花崗閃長巖地層，全線Ⅳ～Ⅴ級圍巖占全隧道72%。其中通過一些斷層帶及其影響帶，巖體受構造影響較強烈，部分地段圍巖較破碎，易發生突水、突泥，整體上隧道通過段的圍巖節理裂隙較發育，巖體破碎，部分地段同一開挖斷面上軟下硬，開挖難度大，風險較高，現場采用4部雙側壁導坑法施工。其開挖和支護處置步序如圖1所示。

初支護采用20b工字鋼拱架按縱向間距0.5m一榀布置，噴射厚0.27m的C25混凝土，并布置單層Φ8mm鋼筋網（網格間距20cm×20cm）及模注0.50m厚的二次襯砌混凝土；梅花型布置，間距1.0m（環）×0.5m（縱）、L=4.0m的D25注漿加固錨桿，如圖2所示。

圖1 4部雙側壁導坑法開挖和支護處置步序圖

2 計算模型的建立

2.1 計算模型

圖2 4部雙側壁導坑法襯砌鋼支撐圖

在平面圖上選擇該隧道位置130m×30m的一塊長方形V級圍巖區域為基準建立計算模型，如圖3所示。在立面圖上，模型底面取155.5m高程，頂面高程為243.5m。模型以該隧道出口的右方向為X軸正向，以洞縱軸方向為Y軸正向，以空間豎向向上為Z軸正向，構成笛卡爾直角坐標系。為了計算方便，數值模擬時按單個洞室考慮。

三維彈塑性有限差分數值計算模型中巖土體圍巖采用8節點六面體等參單元離散化模擬；錨桿和初噴混凝土采用FLAC3D軟件內置的結構單元（錨桿采用Cable單元，初噴混凝土采用Shell單元）模擬。在劃分網格時，采用不同精度的網格劃分：在對計算結果影響最大的區域采用了較大的網格密度，在隧道區外對計算結果影響較小的區域采用了相對較低的網格密度，在計算最為關注的隧道及其附近還進行了適當的網格加密，以便保證計算的精度。具體的網格劃分如圖3所示。

圖3 Ⅴ級圍巖雙側壁導坑法開挖計算的幾何模型示意圖

2.2 邊界條件及計算參數

結合實際情況，在模型的左右、前后側直立面上施加水平方向的光滑位移約束，對底平面設置Z方向的豎直約束，模型的頂面取為自由邊界。通過施加重力來考慮自重應力場的作用。

研究區的巖土體物理力學指標依據工程勘察、設計資料選取，如表1所示。

表1 場區花崗閃長巖物理力學指標設計建議值匯總表

為簡化計算，根據已有研究經驗、《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2002）及相關文獻報道：錨桿的彈性模量為20.0GPa，泊松比為0.2；初噴單層Φ8鋼筋焊接網的C25混凝土的彈性模量為25.0GPa，泊松比為0.2，重度為22.0kN/m3；模注二次襯砌混凝土的彈性模量為28GPa，泊松比為0.2，重度為24.0kN/m3。

3 隧道圍巖穩定性分析和判斷依據

參照《錨桿噴射混凝土支護技術規范》（GB 50086—2001）并采用工程類比法，依據翔安海底隧道工程陸域段Ⅴ級圍巖的監控量測拱頂沉降及邊墻收斂的限值作為本研究對象的最大允許閾值。各施工部最大允許拱頂沉降和最大允許邊墻洞周收斂取值如下：（1）Ⅰ部、Ⅱ部導洞高8.88m，最大圍巖跨度約為5.2m，則其最大允許拱頂沉降值為7.1cm，最大允許邊墻洞周收斂值為13.1cm；（2）Ⅲ部導洞高5.383m，最大圍巖跨度約為12.544m，則其最大允許拱頂沉降值為9.33cm，最大允許邊墻洞周收斂值為10.0cm；（3）Ⅳ部導洞高6.083m，最大圍巖跨度約為7.154m，則其最大允許拱頂沉降值為9.33cm，最大允許邊墻洞周收斂值為5.72cm。二襯施作前，整個隧道的最大允許拱頂沉降值為9.33cm，最大允許邊墻洞周收斂值為13.1cm。

4 雙側壁導坑法各部序仰拱設置時機

4.1 第1部初支護最佳仰拱設置時機

第1部無仰拱的初支護7.5延米、9延米和10.5延米施工后洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖4～圖6所示。圖中豎向位移云圖單位為m，負值表示沉降，正值表示隆起，水平位移云圖單位為m，負值表示向左位移，正值表示向右位移，下同。

圖4 第1部7.5延米洞室圍巖

圖5 第1部9延米洞室圍巖

圖6 第1部10.5延米洞室圍巖

4.2 第2部初支護最佳仰拱設置時機

本計算工況各部施工情況：第1部施作初支護和仰拱18延米后進行第2部開挖及無仰拱的初支護7.5延米和9延米。該工況洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖7、圖8所示。

4.3 第3部開挖及初支護施作最佳長度

圖7 第2部7.5延米洞室圍巖

圖8 第2部9延米洞室圍巖

本計算工況各部施工情況：第1部施作初支護和仰拱25.5延米、第2部施作初支護和仰拱18延米、第3部開挖及初支護12延米和13.5延米。該工況洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖9、圖10所示。

圖9 第3部12延米洞室圍巖

圖10 第3部13.5延米洞室圍巖

4.4 第4部開挖及初支護施作最佳長度

本計算工況各部施工情況：第1部施作初支護和仰拱25.5延米、第2部施作初支護和仰拱18延米、第3部開挖及初支護9延米、第4部開挖及無仰拱的初支護6延米和7.5延米。該工況洞室圍巖的豎向、水平位移云圖如圖11和圖12所示。

5 現場應用情況分析

將數值模擬結果進行現場應用，得到各步序對應變形實測值統計如表2所示。

圖11 第4部6延米洞室圍巖

圖12 第4部7.5延米洞室圍巖

表2 雙側壁導坑法各步序變形實測值統計

由監測結果可知，采用前文優化得出的方案進行開挖與支護，各步序變形實測結果與模擬計算結果基本吻合，安全快速通過了洋溪隧道的軟弱破碎Ⅴ級圍巖地段，取得了較好的效果。

6 結束語

結合洋溪隧道的軟弱破碎Ⅴ級圍巖工程實際，通過數值模擬和現場實測資料分析，運用地下結構力學、巖土力學和工程地質學等專業知識，對該工程采用4部雙側壁導坑工法開挖復雜軟弱破碎Ⅴ級圍巖的公路隧道初期支護的合理時機進行研究，并將結算結果進行了現場應用，得出如下結論。

（1）對于軟弱破碎Ⅴ級圍巖隧道，在采用雙側壁導坑法開挖第2部之前，第1部無仰拱的初支護洞段開挖不宜超過9延米，最佳時機是第1部施作7.5延米的初支護和仰拱。

（2）在采用雙側壁工法開挖第3部之前，最佳時機是第1部開挖不超過18延米且至少施作16.5延米的初支護和仰拱、第2部施作7.5延米的初支護和仰拱。

（3）在采用雙側壁工法開挖第4部之前，最佳時機是第1部施作25.5延米的初支護和仰拱、第2部施作18延米的初支護和仰拱、第3部施作12延米的初支護。

（4）進入雙側壁工法開挖的下一循環之前，各部序最佳初支護時機為第1部施作25.5延米的初支護和仰拱；第2部施作18延米的初支護和仰拱；施作第3部12延米的初支護；第4部開挖并施作無仰拱的初支護不宜超過6.0延米。

（5）從現場應用情況來看，文章確定的仰拱設置的時機與施工的合理步長和步序是合理的，可為類似地質及施工環境下的隧道施工提供技術參考和指導。