軟弱圍巖大跨隧道安全施工技術

譚常喜

(中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟南 272100)

近些年來，隨著我國綜合國力的不斷增強，之前修建的兩車道公路已不能滿足現在經濟發展和交通運輸業的需求。為改變這一現狀，更多的三車道、四車道公路的建設已經成為今后發展的趨勢[1]。為使隧道內部凈空盡量貼近限界，兩車道的公路隧道斷面一般比雙線鐵路隧道斷面形狀扁坦，特別是隨著車道數量的增加，公路隧道斷面形狀則更加扁坦，跨度更大。在相同圍巖條件下，大跨度扁坦隧道與接近卵圓形的隧道其受力及變形特征是具有較大差異的[2-3]，主要表現為隧道拱頂沉降遠大于斷面水平收斂，從而對隧道圍巖的穩定及支護結構的受力都會產生不利影響[4-5]。因此對軟弱圍巖大跨度扁坦隧道，應采取合理的施工方法，掌握其施工過程中的支護受力及變形特點，以保證隧道施工安全。本文以隧道右洞YK47+150～+240Ⅴ級圍巖段為工程依托對軟弱圍巖大跨隧道安全施工技術進行研究。

1 工程概況

昆楚高速勤豐特長隧道為分離式雙向六車道公路隧道。左洞里程：ZK41+910～ZK47+370，全長5 460 m；右洞里程：K41+935～K47+415，全長5 480 m，隧道左右兩洞相間33 m，最大埋深361 m。Ⅴ級圍巖段隧道最大開挖跨度17.15 m，洞高11.68 m。隧道穿越粉質粘土、強中風化泥巖等。隧道穿越區地層以震旦系下統澄江組泥巖、砂巖、微-強風化崗巖為主。隧址區域內山勢陡峭，溝谷縱橫，植被及地下水較發育，在溝渠之中常年流水不斷且流量受雨季影響較大。

隧道右洞YK47+150～+240段主要為強風化花崗巖，屬Ⅴ級，埋深98～110 m。由于Ⅴ級圍巖段隧道開挖跨度大及自穩性差的特點，須對常用施工方法的適應性進行對比分析以確定合理施工方法。

2 隧道施工方案選擇

2.1 隧道設計參數

由于勤豐隧道為三車道隧道，開挖跨度大，Ⅴ級圍巖穩定性差，因此隧道斷面設計為強支護。隧道采用小導管注漿超前支護，在拱部120°范圍內布置。小導管采用?42 mm、壁厚4 mm、長度4.5 m無縫鋼管制作，環向間距30 cm，搭接長度不少于1.5 m。初期支護參數：C25噴纖維混凝土厚度29 cm，鋼拱架采用I22b型鋼鋼架，縱向間距60 cm；雙層?8 mm鋼筋網，網格間距15 cm×15 cm；中空注漿錨桿，環、縱向間距100 cm×60 cm，錨桿長4 m，梅花形布置。C30鋼筋混凝土二次襯砌厚度60 cm。隧道復合式襯砌斷面如圖1所示。

圖1 勤豐隧道斷面支護參數(單位：cm)

2.2 隧道施工方案比選

軟弱圍巖隧道施工方法的選擇主要取決于其地表有無構筑物、隧道埋深、圍巖穩定特性、隧道斷面幾何形狀及尺寸以及隧道支護參數等。軟弱圍巖大跨度隧道多采用環形開挖預留核心土法、三臺階法、CD法及CRD法等[6]，下面對這幾種開挖方法從工序復雜性、適用條件、控制變形能力和機械化作業條件等四個方面進行對比分析，其特點比較列于表1。

表1 4種工法適用性對比

由表1可以看出，對于隧道變形控制要求不是很嚴格的山嶺隧道，如果嚴格進行施工過程中的工序管理，做好各種工序之間的銜接，保證隧道施工安全，三臺階法不僅可以大大簡化隧道施工工序，從而加快施工進度，還可節約如采用CD法或CRD法所必需的臨時支護。

三臺階法施工以“短開挖、強支護、勤量測、緊封閉”為原則進行施工，主要施工歩序(見圖2)為：利用已安裝的I22b鋼架座支架施作注漿小導管超前支護；分別依次開挖斷面上臺階①～③部及④部落底，施作初期支護Ⅰ～Ⅳ；架立初支鋼架(I22b)，間距0.6 m，在兩側分別打設長4.0 m的?42 mm鎖腳注漿錨管各2根并與鋼架焊接牢靠，分次噴混凝土達到設計厚度，打設各部錨桿；分段澆筑仰拱二襯Ⅴ和仰拱填充Ⅵ，澆筑拱墻部二襯Ⅶ，完成隧道施工。

圖2 Ⅴ級圍巖地段隧道施工順序

3 隧道施工過程三維數值模擬

3.1 計算模型及計算參數

先利用ANSYS進行建模，再將數值模型導入FLAC3D中進行開挖及支護模擬計算。隧道模型的尺寸為：模型水平寬100 m，向右為x軸正向；模型高90 m，隧道拱頂到模型上表面的距離為52 m，向上為z軸正向；y方向為隧道軸線方向，正向為隧道開挖方向，開挖長度為84 m。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為應力邊界。由于此段隧道平均埋深為102 m，上部50 m高度圍巖自重作用采用在模型上表面施加1.0 MPa的面力來間接考慮隧道總埋深。此段落圍巖為花崗巖，將圍巖簡化為上層強風化和下層中風化花崗巖。

圍巖、初期支護均采用實體單元來模擬。注漿超前小導管預支護簡化為拱部120°加固圈，厚度為0.5 m。

圍巖及加固圈視為摩爾—庫侖理想彈塑性材料，支護及二襯結構視為彈性材料。初期支護的鋼架在計算模擬時根據抗彎剛度相等原則提高初期支護的彈性模量以間接考慮鋼架的作用。圍巖物理力學參數參照地質資料及《公路隧道設計細則》確定，隧道超前支護加固圈，地層和支護的物理力學指標見表2。

表2 地層和支護的物理力學性能指標

3.2 模擬施工步驟

隧道注漿小導管超前支護每次施工4.5 m，開挖3.0 m，開始施工下一循環的超前支護，搭接長度1.5 m。每個臺階模擬開挖進尺1.2 m，相鄰兩個臺階開挖面錯開3.6 m，上臺階開挖36 m后開始施作二襯，每次施作長度9 m。

3.3 計算結果分析

在模擬隧道施工過程中，為獲得圍巖開挖后的應力釋放效果，各部支護施作滯后一個進尺。記錄每個計算步的結果信息，以分析隧道模型中部斷面上位移及支護的應力變化規律。

3.3.1 變形分析

隧道開挖后斷面周邊的變形特征直接反映了隧道的穩定性，因而在研究隧道施工過程中的力學行為時，拱頂沉降及水平收斂曲線的變化規律都是重要研究對象。隧道施工過程中拱頂沉降和中臺階水平收斂變化曲線分布如圖3所示。

圖3 拱頂沉降與水平收斂曲線

從圖3可以看出：隧道拱頂沉降及斷面水平收斂大部分發生在開挖前后，因而對于軟弱圍巖大跨隧道，隧道開挖后必須及時進行強支護以控制圍巖過度變形；隧道施工引起的拱頂沉降顯著大于斷面水平收斂，拱頂沉降最大值為84 mm，因而對于三車道隧道而言，監測施工過程中的拱頂沉降是現場變形監測的重點。

3.3.2 初期支護受力分析

隧道模型模擬開挖及支護完成后，模型中部斷面初期支護的第一主應力和第三主應力分布如圖4所示。

圖4 支護結構的主應力

從圖4可以看出：支護結構最大拉應力出現在拱頂內側，與拱頂產生較大變形相對應，最大拉應力為1.05 MPa；而最大壓應力出現在斷面兩側拱腳處，最大壓應力為9.8 MPa。不管是拉應力還是壓應力，都在安全范圍之內，由此可見初期支護結構是安全的。

3.3.3 圍巖塑性區

圖5為隧道施工計算模型完成施工及支護計算模擬后，模型中部斷面上隧道斷面周邊地層的塑性區分布特征。

圖5 圍巖塑性區分布

由于隧道斷面及施工方案的對稱性，施工完成后斷面周邊圍巖塑性區分布為蝴蝶狀的對稱塑性區。塑性區深度最大處為斷面兩側拱肩處，其次為兩側墻角下方處。

以上對V級圍巖段隧道施工過程中支護變形、受力及圍巖塑性區分布規律等的三維數值模擬結果表明，采用三臺階法施工可以保證隧道施工安全。

4 隧道施工監測

4.1 測點布置

為了驗證數值計算結果的可行性，在隧道施工過程中在YK47+170設置監測斷面，進行隧道拱頂沉降、圍巖與初期支護間圍巖壓力和鋼架翼緣應力監測。測點位置對稱于隧道中線，分別在拱頂和兩側拱腰、拱腳、墻中和墻腳共計9個應力測點。在隧道上臺階開挖并施作初期支護后即安裝位移測點、壓力盒及鋼筋計等應力傳感器。

4.2 拱頂沉降

YK47+170斷面拱頂沉降曲線如圖6所示，拱頂沉降受工序影響明顯，每次開挖后拱頂沉降均有一個快速增長隨后趨緩的過程。拱頂最大沉降值72.4 mm，小于數值模型計算值84 mm，二者較為接近，說明隧道施工過程的三維數值計算結果可以作為施工方法選擇的一個重要參考。

圖6 拱頂沉降曲線

4.3 圍巖壓力

圖7為隧道斷面各點處圍巖與初期支護之間圍巖壓力的變化曲線。拱頂處圍巖壓力最大，為119.3 kPa；兩側拱腰處接觸壓力較為接近，其量值大小僅小于拱頂處。總體來說，由于隧道開挖遵循了“多打孔、少裝藥、充分利用圍巖自穩能力”的原則，且開挖后進行強支護，使得圍巖松動范圍得到了較好控制，因而圍巖與初支間的圍巖壓力不是很大。

圖7 圍巖壓力隨時間變化曲線

4.4 鋼架應力

圖8為隧道斷面各點處初期支護鋼拱架內側翼緣應力的變化曲線。隧道拱部處鋼拱架壓力主要為拉應力，而兩側邊墻處鋼架主要承受壓應力，穩定后最大拉應力量值為69.4 MPa，遠小于Q235鋼材的抗拉強度；兩側邊墻處的壓應力最大值也僅有46.2 MPa。

5 結束語

昆楚高速勤豐三車道隧道采用三臺階法施工，既保證了隧道施工安全，又節約了工程施工成本，實現了較好的經濟效益。

圖8 鋼拱架應力隨時間變化曲線