城市地下軟弱圍巖超大斷面隧道施工工法

張君寶，李昌存，李韞芃，郭愛鵬，李 勇，陶志剛

（1. 華北理工大學礦業工程學院， 河北 唐山 063200；2. 中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100089；3. 深圳市綜合交通設計研究院有限公司，廣東 深圳 518003）

21世紀以來，隨著中國經濟的不斷騰飛，越來越多的人口涌入城市，城市的交通壓力越來越大。傳統的兩車道小斷面隧道已經明顯不能解決現在的交通擁堵問題，對單洞三車道、四車道超大斷面隧道工程的需求日益增加（田四明等，2020；張鐵柱等，2012；Naylor et al., 1981）。但是超大斷面隧道由于其自身的特點，在跨越軟弱圍巖地層時更容易發生圍巖大變形，在隧道開挖過程中，開挖工法的選擇對隧道圍巖造成的擾動影響占有很大比重，目前分析圍巖穩定性的方法有理論分析、工程類比和數值模擬等，其中數值模擬分析法是最適合研究隧道圍巖穩定性的方法（LI Pengfei, 2016；WANG Bo et al., 2017）。

在隧道施工時，對圍巖的擾動在時間和空間上的影響是不可逆的（宗澤，2019）。因此，為對隧道圍巖的變形進行控制，開挖工法的選擇在超大斷面軟弱圍巖隧道施工過程中十分重要（朱寶合，2020）。

另外，對國內大斷面軟弱圍巖隧道工程的開挖工法進行了一系列調查分析。在蘭渝鐵路木寨嶺隧道段對上下臺階預留核心土法、三臺階法和三臺階七步法進行了對比研究（沙鵬等，2015；黃明利等，2016）；在宜巴高速公路的峽口隧道部分，研究的隧道開挖工法有上下臺階預留核心土法和環形開挖預留核心土法（李鴻博等，2011）；根據數值模擬及現場檢測，認為在蘭新鐵路的大梁隧道部分適用三臺階七步法施工（李鵬飛等，2013）；在汶馬高速公路的鷓鴣山隧道對三臺階預留核心土法和上下臺階預留核心土法進行對比實驗認為三臺階預留核心土法最為合適（孟陸波等，2017）。依托實地工程，利用 FLAC3D建立隧道三維數值模型，對不同開挖工法在深埋超大斷面隧道的開挖過程中圍巖擾動的情況進行研究（管新邦，2018）；利用FLAC3D軟件對臺階法、CD法和CRD法3種施工工法進行對比分析，得出在相同的支護條件下，CD法施工相較于臺階法和CRD法，對圍巖的擾動影響較小（劉希亮，2018）。通過FLAC3D軟件中對隧道施工工法以及圍巖變形支護進行模擬計算研究，證明FLAC3D在地下工程方面具有很強的適用性（吳小萍等，2018；LI Weiteng et al., 2017）。

以往學者對軟弱圍巖超大斷面隧道圍巖施工工法進行有限元模擬研究時，并未通過實地勘探獲取地層參數、劃分詳細地層，所建立隧道模型粗糙，使得模擬結果往往達不到現場施工的預計要求，后期維護成本較大。

因此為使數值模擬結果更接近實際工程，本文進行實地勘察，借助測井資料詳細劃分地層，并通過室內物理力學試驗得到地層巖體物理參數，再采用建模軟件Rhino 6與有限差分軟件相結合的方法，建立極為細致的隧道模型，并進一步分析僑城東路隧道的位移、應力場分布特征，之后進行相似比物理模型實驗，對比數值模擬結果，探究最適合僑城東路東線隧道標準段的施工工法，為深圳立體交通項目整體施工提供了數據支撐。

1 工程概況

僑城東路北延通道工程隧道最大開挖跨度達32 m，為世界之最，相關設計標準超出現行規范范疇。隧道大多位于部九窩渣土場下方，隧道拱部為強風化、全風化花崗巖甚至素填土，且地下水位高，圍巖級別差，隧道設計、施工風險高，如圖1所示。

圖1 僑城東路—寶鵬通道立交處隧道工程概況Fig. 1 An overview of the tunnel works at the East Qiaocheng Road - Baopeng Passage Interchange

2 僑城東路北延通道工程圍巖大變形機理

2.1 隧道圍巖物理力學特性

圍巖的力學特性是影響隧道變形的根本因素。因此對原位鉆探所取巖石樣品的巖性、巖石參數進行了試驗研究（圖2），主要包括：單軸抗壓強度（巖芯較破碎，可取巖樣做點荷載試驗）；隧道工點選擇部分樣品作密度、彈性模量（E）、泊松比、抗拉試驗、單三軸等試驗。隧道從上到下依次是素填土、塊狀強風化中粒花崗巖、全風化中粒花崗巖、中風化中粒花崗巖、微風化中粒花崗巖。試驗結果如表1所示。

圖2 隧道鉆孔及樣品整理Fig. 2 Tunnel drilling and sample arrangement drawing

表1 隧道圍巖力學性質試驗結果Tab. 1 Physical parameters of tunnel surrounding rock mass

通過對現場進行地應力測量，可知隧道周圍最大水平主應力為13.28 MPa，垂直應力為25.98 MPa，通過對比分析單軸抗壓強度與隧道應力大小得出：隧道開挖后，圍巖的最大應力超過了隧道頂部的全風化花崗巖，因此圍巖會很快發生大變形，且中風化與微風化中粒花崗巖的抗壓強度均大于圍巖的最大應力，則隧道位移應該表現為拱頂沉降量最大，拱底的收縮量最小。隧道周圍巖體抗壓強度高，拱底隆起小，隧道頂周圍的應力難以向下釋放，會集中在隧道的兩側，并對隧道的兩側進行擠壓，導致水平位移較大。

2.2 隧道圍巖大變形機理

基于上述測試與研究成果，分析得出僑城東路北延通道工程超大斷面隧道軟弱圍巖大變形的主要原因為：

（1）隧道地應力高，素填土、塊狀強風化與全風化中粒強度較低。因此在隧道開挖后極易發生破壞，并向下發生沉降，隧道拱頂變形量最大，拱底的變形量相對較小，隧道兩側受到擠壓，也會發生一定程度的大變形。

（2）在擬建隧道場地附近主要發育有多條斷裂，多與隧道呈大角度相交，受地質歷史上多次區域構造運動的影響，場地基巖構造裂隙普遍較發育，錨索排距過密可能會導致巖體破碎，且圍巖裂隙除成為地下水的蓄水空間及滲水通道外，對洞身圍巖的穩定會產生一定的不利影響。

3 數值模擬

3.1 建立數值模型

模型根據僑城東路隧道標準段K3+355—K3+395段實際地質條件進行建模處理。為保證數值模擬結果精確，建立146 m×140 m×40 m的隧道模型，開挖跨度達20.97 m，高10 m，隧道橫向方向左右各留63 m（3倍洞徑，消除邊界影響），底部留42 m（2倍洞徑，消除邊界影響），拱頂至地表，隧道縱向長度取40 m，整體進行網格加密。模型計算分析采用mohr-coulomb（摩爾-庫倫）準則，null（挖空/刪除）模型模擬隧道開挖工法，cable（錨索）單元和shell（襯砌）單元共同模擬圍巖支護控制。在隧道底和4個側方向上施展約束力，頂部施加自重力，形成模型初始應力場。其中模型初始位移場作為土體固結產生的原始位移，在隧道開挖施工時已經經過多年變形完成，因此在隧道開挖工法模擬開始時將位移化為零。該隧道結構斷面圖及圍巖初支如圖3所示，隧道圍巖支護參數如圖4所示。

圖3 隧道結構模型Fig. 3 Tunnel structure section drawing and initial support control drawing

圖4 支護方案及數值計算模型Fig. 4 Support scheme and numerical calculation model

3.2 開挖工法模擬

為研究不同的開挖工法對超大斷面隧道軟弱圍巖穩定性的影響，分別對全斷面法、CRD法、三臺階法和三臺階七步預留核心土法進行模擬計算。對比分析模擬結果，得出最安全合理的施工工法。具體開挖方案如圖5所示。

圖5 4種工法開挖方案Fig. 5 The excavation plan of four construction methods

4 結果與討論

4.1 不同施工工法下隧道圍巖位移分布

采用全斷面法，CRD法，三臺階法，三臺階七步預留核心土法施工時的圍巖位移云圖如圖6、圖7所示。

圖6 隧道垂直位移云圖Fig. 6 Tunnel vertical displacement cloud map

圖7 隧道水平位移云圖Fig. 7 Tunnel horizontal displacement cloud map

通過圖6可知，4種不同的開挖工法，隧道頂部垂直位移均大于底部垂直位移，在隧道頂部形成了冒落拱。采取全斷面法開挖隧道時拱頂的縱向位移量最大，為0.51 m；CRD法和三臺階法拱頂下沉位移量相差不多，位移分別為0.48 m和0.49 m，三臺階七步預留核心土法拱頂下沉位移量最小。采用CRD法和三臺階法施工時對隧道巖土體開挖高度較大，因此導致隧道頂部位移變大。因此在該隧道施工中應特別注意隧道拱頂以及拱肩的圍巖變形情況，采取有效的控制手段。

通過圖7可知，采用全斷面法、三臺階法、CRD法和三臺階七步預留核心土法進行隧道開挖時，圍巖在橫向方向上的位移主要集中于隧道的拱肩和拱腰位置，且左右兩側橫向變形大致呈對稱分布，隧道左側水平位移略大于右側，隧道兩側向隧道內部發生擠壓。在水平方向上，全斷面施工引起的位移最大，為0.39 m；CRD和三臺階法接近，分別為0.36 m和0.38 m，三臺階七步預留核心土法在水平方向上引起的位移最小，為0.27 m。

4.2 不同施工工法下隧道圍巖應力分布

隧道在進行施工之后，其圍巖應力會發生重分布，原來的平衡狀態不復存在，隧道的局部應力會突然增加。僑城東路隧道標準段屬于淺埋地下工程，其垂直應力大于水平應力。4種開挖工法的應力分布云圖如圖8、圖9 所示。根據應力云圖可知，在隧道的拱頂、拱底和拱腰處都出現了應力集中現象。可見即使在淺埋的情況下，隧道頂底部和拱腰位置也都出現了拉應力，其中最大拉應力都集中在隧道的拱腰處，頂底部的拉應力小于兩側，應力云圖整體沿隧道中線呈現對稱分布。

圖8 隧道垂直應力云圖Fig.8 Tunnel vertical stress cloud map

圖9 隧道水平應力云圖Fig. 9 Tunnel horizontal stress nephogram

由圖8可知，隧道開挖后造成圍巖最大垂直主應力：全斷面法為25.2 MPa，三臺階法為20.1 MPa，CRD法為19.3 MPa，三臺階七步預留核心土法為18.9 MPa。施工造成的垂直應力集中現象，三臺階七步預留核心土法較輕，全斷面法較重。由圖9可知，在隧道開挖完成后造成的圍巖最大水平應力：全斷面法最大為11.72 MPa，其次為三臺階法為11.02 MPa，CRD法為10.90 MPa，三臺階七步預留核心土法最小為10.07 MPa。

4.3 室內相似比物理模型試驗

在數值模擬方法尚未完全成熟可靠的現階段，室內相似比物理模型試驗具有重要作用，是了解巖土工程相關力學特征的重要手段，也可以對數值模擬的結果進行對比驗證。室內相似比物理模型試驗是一種將工程問題簡化然后按一定相似比例縮小的實驗方法，通過物理模型實驗能夠獲得工程現場中無法獲取的相關數據，從而反饋設計。采用幾何相似理論以及應力相似條件獲得模型受力后的變形及應力分布特征，從而反饋至實際巖土工程中，是了解巖土工程相關力學特征的重要手段。實驗設備及結果如圖10所示。

圖10 相似模擬實驗Fig. 10 Similar simulated experimental

為節約實驗成本，實驗加載設備尺寸為：長×寬×高為1.6 m×1.6 m×0.4 m。加壓方式采用垂直加壓及兩側加壓，垂直加壓模擬隧道所受垂直應力，水平加載模擬水平最大主應力。通過對地勘資料分析，垂直地應力為13.28 MPa，最大水平應力25.98 MPa。根據2.1節隧道圍巖物理力學特征知，隧道所處微風化中粒花崗巖單軸抗壓強度約為54.25 MPa，選取強度相似比為30，因此相似材料單軸強度應該在1.8 MPa左右。通過對不同配比下的相似材料試驗分析，最終選取重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水作為相似材料。

由實驗結果可以看出，在無錨索支護下，隨著時間的增加，隧道左拱肩以及拱腰處附近出現了離層現象，右拱肩以及拱腰處巖石塊體有滑移現象。隧道拱頂處發生明顯剝離現象，變形破壞嚴重。通過與數值模擬結果進行對比發現，在數值模擬與模型實驗中，隧道的拱頂在開挖后均發生了大變形，隧道底變形不明顯。但數值模擬中隧道兩側出現的大變形情況，在物理相似比模型實驗中并未出現，這是由于只選擇了隧道所在巖層微風化中粒花崗巖進行相似比實驗，不能將隧道施工后的情況完整的展現。

5 結論

綜合4種施工工法，對僑城東路隧道標準段開挖過程中圍巖的位移、應力的分布規律和應變的變化進行對比分析：

（1）從位移云圖來看，三臺階七步預留核心土法引起的位移變化量最小，CRD法和三臺階法接近，全斷面法最大。在隧道周圍巖體上都有應力集中現象，在埋深較淺的情況下，都產生了拉應力。全斷面法施工造成的應力集中現象較重，三臺階七步預留核心土法施工時所產生的應集中現象較輕。

（2）4種開挖工法下圍巖位移均表現為拱頂下沉，拱底隆起，兩側向隧道內擠入。隧道頂部、底部和兩側是應力集中的主要部位，與理論分析結果相同。室內相似比物理模型實驗，驗證了數值模擬的結果，也證明PR錨網索支護體系不適用于軟弱圍巖超大斷面隧道的初期支護。

（3）總體來看，三臺階七步預留核心土法因為其開挖距離短，開挖高度低，因此對圍巖擾動較另外3種工法較小，初期支護工序操作便捷；當圍巖變形較大時，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，也可盡快調整閉合時間，更避免了施工后的大量拆除工作。因此選擇三臺階七步預留核心土法是僑城東路北延通道工程的最佳施工工法。但隧道圍巖仍然發生了大變形，因此需要特別注重初期支護方案的設計。

致謝：本研究依托于《復雜地質條件下城市大型地下互通立交特大斷面隧道設計施工關鍵技術研究》項目，在此感謝合作單位——深圳市綜合交通設計研究院深圳有限公司提供的幫助。