超大跨度隧道上臺階CD法直墻式臨時支護研究

李九超，臧春雷，余鸞鸚，劉亞輝

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重慶 401120； 2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

根據JTG 3 370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》[1]的規定，超大跨度隧道是指開挖跨度>18m的隧道，常見的單洞四車道公路隧道大多屬于此類。這類隧道具有跨度大、扁平率低、薄拱的特點，同時現場地質情況復雜，開挖過程中施工順序復雜多變。因此如何采用合理的開挖方法是目前施工中的難點。合理的施工方法應同時滿足施工的安全性與經濟性要求，同時利于不同方法之間的轉換，以免影響工程進度，又可以降低工程造價。目前國內在隧道開挖方法的研究方面已經有了一定的發展，并取得了一些研究成果[2-9]。然而現階段我國超大跨度公路隧道施工方法沒有可供遵循的標準或規范，主要依靠工程類比法，因此在實際施工中容易造成施工方法偏于保守。

上臺階CD法作為一種比較先進的施工方法，能夠減少不必要的臨時支撐，在工期、技術經濟效益等方面均優于傳統的CD法施工。正因如此，近年來上臺階CD法在公路隧道領域運用的越來越廣泛，但是目前對上臺階CD法的研究還相對較少，尤其是對超大跨度公路隧道上臺階CD法臨時支護的研究目前還處于空白狀態。因此，對上臺階CD法臨時支護的變形規律和安全性的研究是很有必要的。

采用直墻式臨時支護相比曲墻式臨時支護具有減少施工步驟、提高立架效率、節省材料等優勢，已廣泛應用于施工中，但是其變形規律、支護效果及其安全性的研究尚滯后于工程實踐。因此，本文以濱萊高速改擴建工程佛羊嶺隧道為依托，通過現場監控量測和數值模擬，對直墻式臨時支護的變形規律及穩定性進行分析研究。

1 工程概況

佛羊嶺隧道是雙洞八車道公路隧道，左線長772m，右線長775m，兩洞間距8.4～19m，隧道最大開挖跨度21.48m，最大開挖高度14.3m，最大埋深66.6m。

隧址區為剝蝕低山丘陵地貌區，土體以第四系殘坡積層含砂粉質黏土、殘積土為主，地表多為耕植土，土體類型為松散土體。隧址區主要巖性為太古代混合花崗巖，屬于Ⅲ～Ⅴ級圍巖無滑坡、崩塌、泥石流等影響場地穩定的不良地質現象。隧道整體位于地下水水位以上，無溶洞發育現象。

佛羊嶺隧道Ⅳ級段采用直墻式臨時支護的上臺階CD法開挖，現場施工如圖1所示，隧道設計斷面及開挖工序如圖2所示。

圖1 直墻式臨時支護現場施工

圖2 隧道設計斷面及開挖工序

開挖工序為：①先導坑上臺階開挖；②后導坑上臺階開挖；③先導坑下臺階開挖；④后導坑下臺階開挖；⑤核心土與仰拱整體開挖。

2 隧道變形監測結果分析

拱部沉降與凈空收斂量測是隧道監控量測的主要的監測內容[10]，能夠直接反映隧道施工過程中的穩定性情況，同時為隧道施工質量與安全提供必要依據。為了確定上臺階CD法直墻式臨時支護的效果，本文以佛羊嶺隧道為依托，對Ⅳ級圍巖段進行拱部沉降和凈空收斂現場監控量測。

2.1 變形監測方案

根據佛羊嶺隧道的結構特點及施工方法，確定監測項目和方法。在隧道拱部布置了3個沉降變形監測點0，1，2；拱腰和拱腳處布置了3-3’，5-5’，3-4，5-6共4條水平收斂測線，如圖3所示。

圖3 監測點布置

2.2 監測結果分析

2.2.1沉降變形

整理佛羊嶺隧道右線Ⅳ級圍巖段拱部沉降變形現場監控量測數據，得到各斷面沉降變形的最大沉降速率與最終沉降值，如表1所示，其中將典型斷面YK115+815監測結果繪制成沉降時態曲線如圖4所示。

表1 拱部沉降監測結果

圖4 拱部沉降時態曲線

由表1可以看出，各監測斷面的拱部各點最大沉降速率為3.8mm/d，最終沉降最大值為13.3mm，可知監測斷面在初期支護階段的拱部沉降變形相對較小，均能滿足設計和施工要求。

根據圖4中的沉降時態曲線可以看出，拱頂偏左(1號測點)的沉降值相對較大，穩定后的沉降值分別在7.5mm左右，其他兩個監測點的沉降幅度則相差不大。各監測點的沉降時態曲線大體上呈現為：“初期快速增長→中期緩慢增長→后期趨于穩定”3個階段，雖受施工過程中爆破振動等因素的影響，沉降時態曲線有微小波動，但整體變化規律一致，且均遠小于設計預留變形量150mm。

2.2.2收斂變形

整理佛羊嶺隧道右線Ⅳ級圍巖段收斂變形監測結果，如表2所示，其中典型斷面YK115+815的收斂變形時態曲線如圖5所示。因為后導洞開挖以后臨時支護受爆破振動等因素的影響，變形雜亂無規律，故在后導洞開挖以后，重點監測主斷面收斂變形。

表2 凈空收斂監測結果

圖5 凈空收斂時態曲線

從表2中可以看出：隧道各監測斷面凈空收斂的最終相對收斂值均較小，最大收斂速率為1.4mm/d，最大收斂值為5.1mm，變形遠遠小于設計預留變形量150mm，說明隧道在開挖過程中初期支護能夠滿足要求。

從圖5中可以看出：隨著后導洞的開挖，變形收斂均先急劇增長，之后進入緩慢增長階段，最終達到一個相對穩定的狀態，即呈現為：“初期快速增長→中期緩慢增長→后期趨于穩定”3個階段，且最終均趨于穩定，說明初期支護完全能夠滿足要求。

3 隧道變形數值模擬

為了進一步了解佛羊嶺隧道Ⅳ級圍巖段直墻式臨時支護的上臺階CD法施工變形規律和安全性，采用有限元軟件對現場施工方案進行動態模擬，以便與實際施工中的監測結果進行對比研究。

3.1 建立模型及選取參數

選取佛羊嶺隧道右線典型斷面YK115+815建立有限元典型斷面模型，該隧道開挖跨度為21m，建模時兩側寬度取140m，隧道下方取3倍隧道跨度，隧道上方根據設計圖紙取50m，左右兩側界面施加水平方向約束，底面施加垂直方向約束，初始地應力僅考慮自重應力的影響。視圍巖為理想彈塑形材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則，襯砌結構采用彈性模型，初期支護和臨時支護采用梁單元，錨桿采用植入式桁架單元，荷載釋放系數為4∶3∶3。計算模型如圖6所示，材料參數如表3，4所示。

圖6 計算模型

表3 支護材料物理力學參數

表4 圍巖物理力學參數

3.2 變形結果對比分析

根據佛羊嶺隧道YK115+815斷面上臺階CD法采用直墻式臨時支護施工引起的豎向位移云圖進行分析，可得出以下結論。

1)佛羊嶺隧道YK115+815斷面豎向位移和水平位移均呈現出左右兩側對稱的變形規律。

2)根據豎向位移圖，拱頂處變形量較大，現場施工中應注意采取加固措施。

將數值模擬結果與YK115+815斷面拱部沉降實測值進行對比，豎向位移對比結果如表5所示、水平位移對比結果如表6所示。

表5 拱部沉降模擬值與實測值對比

表6 凈空收斂模擬值與實測值對比

對比拱部沉降和凈空收斂的實測值與模擬值，可以得出以下結論。

1)大部分實測值與模擬值相比結果偏小，原因是在現場實際埋設監控量測設備時，隧道已經開挖并產生變形，這部分變形現場無法監測到。

2)無論豎向位移還是水平位移，盡管數值模擬結果比實測值略大，但均遠小于設計預留變形量150mm，因此佛羊嶺隧道YK115+815斷面上臺階CD法采用直墻式臨時支護施工是安全的。

3.3 安全系數分析

采用JTG/TD70—2010《公路隧道設計細則》中的綜合安全系數法對超大跨公路隧道初期支護進行強度校核與評價。在計算鋼架和噴射混凝土承擔的軸力和彎矩時，將初期支護承擔的總軸力和總彎矩按式(1)～(3)分擔給鋼架和噴射混凝土。

(1)

(2)

Mg=M

(3)

式中：N，M為單位長度內的總軸力和總彎矩；Ah，Ag為噴射混凝土和鋼架的截面面積；Eh，Eg為噴射混凝土及鋼架的彈性模量；Nh，Ng為噴射混凝土及鋼架分別承受的軸力；Mh，Mg為噴射混凝土及鋼架分別承受的彎矩。

噴射混凝土及鋼架強度采用綜合安全系數法進行校核時，其強度應符合式(4)～(6)規定：

KhyNh≤αRhyAh

(4)

(5)

(6)

式中：Rhy為噴射混凝土的抗壓極限強度；Rgy為鋼架鋼材的抗壓極限強度；Rgl為鋼架鋼材的抗拉極限強度；Khy為噴射混凝土的抗壓強度綜合安全系數；Kg為鋼架的抗壓、抗拉強度綜合安全系數；Wg為鋼架截面抗彎剛度；α為偏心影響系數。

從表7，8可以看出，噴射混凝土抗壓安全系數大于規范最小安全系數2.4、鋼架的抗壓和抗拉安全系數均大于規范最小安全系數2，滿足安全施工要求，所以上臺階CD法采用直墻式臨時支護施工受力情況合理，結構整體安全性較好。

4 結語

1)根據現場監控量測和數值模擬的結果可知拱部沉降和凈空收斂變形均較小，遠小于設計預留變形量，說明超大跨度公路隧道在Ⅳ級圍巖段，上臺階CD法采用直墻式臨時支護施工時，圍巖和初期支護變形是滿足要求的。

表7 初期支護內力及安全系數

表8 臨時支護內力及安全系數

2)由監控量測數據可知沉降和收斂變形主要分為3個階段：急劇增長-緩慢增長-相對穩定；隨著后導洞的開挖，先導洞變形持續增長，之后變形緩慢增長，最終達到一個相對穩定的狀態。

3)從安全系數分析結果來看，噴射混凝土抗壓安全系數與型鋼鋼架抗壓和抗拉安全系數均滿足規范要求，說明超大跨度公路隧道在Ⅳ級圍巖段，上臺階CD法采用直墻式臨時支護時臨時支護的安全性是滿足要求的。