■熊 松

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

1 工程概况

1.1 地理位置

紫之隧道位于杭州市西湖区，北端起自天目山路以北紫金港路，沿紫金港路下穿至西溪路，进入山岭区域灵竺景区，向西绕至大清谷生态区、至梅家坞景区(梅灵南路以西)出山岭区，向东沿之江路、五浦河向南延伸，终于之浦路，隧道全长13.9km，采用双线分离式布置，暗埋段最大开挖宽度为12.8m，最大开挖高度为9.7m。

本工程I标段的浅埋暗挖段为西线K0+792.6～K1+530与东线K0+840～K1+570，分别长 737.4m和730m，其中，东线 K1+073～K1+083、西线 K1+033～K1+043 为Ⅵ级围岩向Ⅴ级围岩过渡段；西线K1+043～K1+073为Ⅴ级围岩段(四台阶法试验段)；东西线剩余为V级围岩段。

图1 紫之隧道I标段平面布置

1.2 地形地貌

本场地地貌类型K0+000～K0+860段属钱塘江冲海积平原地貌，主要为之浦路至五浦河段，地形开阔平坦；K0+860～K1+440段属湖沼积平原地貌，主要为五浦河至梅灵路段，本地貌单元总体靠近山前，沿山前呈带状分布向梅家坞山谷内延伸，地势平坦；K1+440～K1+530段属山前冲洪积斜地地貌，主要为梅灵南路西侧坡麓地带，地层主要为坡积、洪积形成的黏性土混碎石、角砾等，均匀性差，局部有一定风化侵蚀变。

1.3 工程地质

V级围岩段隧道穿越主要地层为：第6层、第12层及第15层。拱顶位置穿越第6层为晚更新世山前冲洪积形成的含黏性土碎石，次棱角状，大小混杂，均匀性较差；第12层为下白垩统朝川组风化泥质粉砂岩，属软质岩类，紫红色，厚层状，粉砂结构，岩石强度低，其中全风化近似残积土状，自上而下风化呈渐变状；第15层为玄武玢岩，属软质岩类，深灰色，块状构造，斑状构造，裂隙十分发育，质软，为第三纪喷出岩浆岩，呈小规模岩脉侵入，岩层自上而下风化渐弱。本段隧道开挖面具有一定的自稳性，但软质岩具有易风化、遇水易崩解的特点。

图2 工程地质纵断面

1.4 水文地质

本标段场区为钱塘江水系，沿线河道主要为云栖溪、五浦河(象山浦)，并最终向南汇入钱塘江。本场地潜水位总体埋深较浅，主要接受大气降水和同层地下侧向迳流的补给。工程区地下水的形式与赋存主要受地层岩性、构造断裂与地形地貌三大因素所控制，本标段第四系地层主要以粘性土类、碎石夹粘性土类为主，富水性很差。

2 施工方案的选择

考虑到I标段V级围岩段隧道开挖断面较大 (开挖断面尺寸101m2)，埋深较浅(1倍洞宽范围内)，围岩自稳性差(上软下硬、拱顶为第6层含黏性土碎石)等特点，原设计采用CRD工法进行施工。

图3 CRD工法施工截面

其主要施工步骤：

(1)①一次性开挖，立即施作上半断面初期支护及中隔墙竖撑及横撑，竖撑及横撑均采用I18型钢；

(2)②一次性开挖，施作初期支护及横撑；

(3)开挖后行导坑③和④部岩体，立即施作初期支护和竖撑；

(4)仰拱及仰拱填充跟进施工。

原设计工法每部循环进尺按0.5m控制，每部采用预留核心土法开挖，上下台阶间距离控制为0.5B。

经过西线1#、2#导洞进入Ⅴ级围岩掌子面情况，综合地质及近期监控量测数据对比分析，掌子面地质情况较好，进入12-2号地层强风化泥质粉砂岩和12-3号地层中风化泥质粉砂岩，围岩自稳能力较强；地下渗水量较少，开挖掌子面稳定；Ⅵ级向Ⅴ级围岩过渡段内，洞内收敛、地表及拱顶沉降等监控量测数据日均变化量均在2mm/d以内，均未超警戒值；洞内初期支护结构稳定，未发现明显裂缝。此外，之江路已于7月初进行了全幅封闭施工，且即将完全穿越之江路，受外围动载影响已基本消失。

考虑到工期紧迫，原CRD方案施工工序多、工期较长且机械施作空间小，从各方面情况显示，隧道进入Ⅴ级围岩段施工后，各方面均处于安全可控状态下，方案有进一步优化空间。

2.1 方案变更

根据地质情况、现阶段施工工况结合监控量测数据，拟对紫之I标浅埋暗挖Ⅴ级围岩段及Ⅳ级围岩段 (西线隧道K1+043～K1+530，东线隧道K1+083～K1+570)共计974m进行如下优化：

(1)保持原设计超前支护措施不变。

(2)在地质条件变好，埋深增加的条件下，取消原设计CRD工法中的临时支护体系，采用四台阶法施工；根据地质变化情况及满足出渣能力的情况下适当调整台阶高度和拱架分幅；拱脚架立在每台阶坚实的岩层上，控制沉降及收敛等监控量测数据在可控的范围内；上台阶采用机械开挖，以提高施工进度。

(3)增强部分初期支护体系措施，开挖轮廓线外扩5cm；初期支护喷射砼厚度由30cm调整为35cm；双层钢筋网片规格由φ8调整为φ10；拱架中心线外扩2.5cm，根据拱架分幅情况增加连接板和连接螺栓；其余措施与原设计保持一致。

(4)每处锁脚锁腰锚管(锚杆)由2根增加为4根。

(5)根据每台阶高度、宽度配备足够的I18a型工字钢临时竖撑和横撑，根据施工实际情况及监控量测数据，局部设置临时支撑进行加强。

(6)在初支拱架安装时，在相邻拱架单元连接板两侧采用I18型工字钢进行纵向连接，其余位置按原设计采用φ22钢筋进行纵向连接。

在取消临时支撑优化为四台阶法后，洞身周边土压力、有效荷载及相应形变等均集中作用在初期支护体系上，为有效抵抗周边围岩的土压力及相应形变，尽可能降低安全风险，通过采取以上措施，增强初期支护体的整体性、强度及刚度，与周边围岩形成联合支护体系。

图4 四台阶法施工截面

其主要施工步骤：

(1)①一次性开挖，立即施作上半断面初期支护及上台阶临时竖撑；

(2)②、③一次性开挖，预留核心土，初期支护接腿；

(3)⑤、⑥一次性开挖，预留核心土，初期支护接腿；

(4)开挖四层台阶⑨，初支封闭成环。

2.2 施工原理及工艺

四台阶开挖法为平行流水作业，通过采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护，构成较为稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，可采用大管棚、小导管预注浆加固、止水等辅助施工措施，此外，通过量测监控系统信息反馈，指导施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。

其主要技术特点如下：

(1)施工空间大，大型施工机械可在多个作业面平行施工，工效高。

(2)地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道中，施工工法调整灵活，进度稳定，工期保障性强。

(3)适应不同跨度和多种断面形式，不需拆除临时支护，节省工程投资。

(4)利用超前大管棚的施工，能防止拱顶围岩松弛、地应力扩大、土体塌落等现象。

(5)利用锁脚锚管表面积较大的特点，凭借锁脚锚管与土体的摩擦力使初期支护与土体形成一个稳定的整体。

(6)利用上断面设置临时竖撑以稳定初期支护，当拱顶围岩条件改变时，临时竖撑间距可适当调整。2.3 监测分析

根据四台阶试验段监测报告，采用变更方案完成初支后，隧道渗水点较多、有掉块现象，拱架安装后初支变形较严重，拱顶最大沉降达到了138.2mm，最大拱顶沉降出现在K1+057桩号，日沉降量在1mm以内。隧道开挖面的土压力、挖进速度、注浆量、注浆压力、出土量等施工参数均正常，地面无明显裂缝，未见沉陷。

3 开挖方案的再优化分析

考虑到隧道拱顶位于第6层含黏性土碎石中，四台阶法开挖完成上台阶后，顶部初支整体强度较弱，拱顶沉降不能得到很好的控制，此外，根据以往研究，大跨度隧道周边围岩会出现更大范围的塑性区和更大变形，拱顶围岩存在拉应力区，岩块崩塌的可能性较大，因而本文拟在四台阶法的基础上再提出上台阶中隔壁开挖方案，通过及早封闭拱顶，达到控制拱顶沉降、优化结构受力的目的。

图5 上台阶中隔壁法施工截面

上台阶中隔壁法除上台阶施工措施与四台阶不同，其余台阶均按照四台阶的开挖步骤进行平行流水作业，上台阶不预留核心土，整体一次性开挖，开挖完成后立即对拱顶及临时仰拱喷射30cm厚C20混凝土进行封闭，减少局部应力过大，与此同时，二、三台阶以及仰拱通过采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护，仰拱超前施作及时闭合。

其主要施工步骤：

(1)①一次性开挖，立临时竖撑和临时仰拱1～2榀/次；

(2)②③同时交错掘进，错开距离3～4榀，每次掘进1～4榀；

(3)④⑤同时交错掘进，错开距离3～4榀，每次掘进1～4榀；

(4)仰拱及仰拱填充跟进施工。

4 数值计算对比分析

为对比分析四台阶法与上台阶中隔壁法的结构受力情况，验证上台阶中隔壁法的优化可能性，选取出现最大拱顶沉降的K1+057断面进行分析，该断面隧道埋深12.3m，拱顶为第6层含黏性土碎石，围岩等级V级，局部拱腰位于12-2强风化泥质粉砂岩中，围岩等级V级，隧道大部分位于12-3中风化泥质粉砂岩中，围岩等级IV级，该断面地质分布见图4。计算时作如下基本假定：

(1)采用模型的岩体材料性质均假定为均质、各向同性，不考虑节理、层理、剪切带等地质软弱面；

(2)外部荷载主要考虑自重作用，即模型所受荷载主要是来自岩体的自重应力；

(3)模型的屈服准则采用较为适用的摩尔-库仑准则；

(4)边界选取离隧道中心约4～6D的距离，从计算结果的位移场来看，边界条件对计算结果的影响可以忽略；

(5)假定弹模、岩体密度、摩擦角、粘聚力等物理参量在计算过程中保持不变，不考虑岩体的致密效果；

(6)系统锚杆及管棚的效果采用提高加固圈物理参数的办法进行模拟。

围岩和支护结构计算参数见表1。

图6 四台阶法与中隔壁法计算模型

表1 数值分析中采用的材料参数表

模拟结果及分析如下：

(1)主应力分布

四台阶法开挖最大主应力发生在拱腰，最大主应力值为1.66MPa，而上台阶中隔壁法开挖最大主应力发生在拱脚，最大主应力值为1.42MPa，均为压应力；四台阶法开挖最小主应力发生在拱顶，最小主应力值为0.063MPa，而上台阶中隔壁法开挖最小主应力发生在拱顶，最小主应力值为0.009MPa，均为拉应力。

图7 四台阶法与上台阶中隔壁法最大主应力云图

图8 四台阶法与上台阶中隔壁法最小主应力云图

对比分析两种开挖方式的主应力分布可以发现，同地层条件下，上台阶中隔壁法开挖较四台阶法开挖最大主应力有明显减小，从而能更好地避免压应力集中、减少围岩塑性区分布；上台阶中隔壁法与四台阶法的最小主应力均出现在拱顶正中位置，上台阶中隔壁法的最小主应力较四台阶法稍大，这是因为在上台阶中隔壁法中上台阶不预留核心土、整体一次性开挖，拱顶应力释放较快造成的。拉应力的存在，可能造成拱顶岩块松动，出现塌落现象。对本工程而言，四台阶法与上台阶中隔壁法开挖后，围岩的拉应力虽然较小，但结合施工过程中渗水点较多、有掉块现象的情况，仍应充分加强拱顶的喷混质量，保证钢拱架及临时支撑能够及时到位。

(2)位移分布

从图9、图10看出，四台阶法与上台阶中隔壁法开挖位移均以竖向位移为主且最大竖向位移均发生在拱顶，四台阶法最大拱顶沉降最大12.3cm，而实测数据为13.8cm，数值计算与实测数据结果较吻合，上台阶中隔壁开挖法的最大拱顶沉降为10.1cm，较四台阶法减少约18%，拱顶及临时仰拱喷射混凝土的前期封闭成环使得拱顶的初支强度得到了有效加强。

从图11拱顶位移变化图中可以看出，由于没有拱顶与临时仰拱的封闭成环，四台阶法的前期拱顶沉降较上台阶中隔壁法增长较快。而正因为上台阶中隔壁法中增加了拆除临时仰拱的这一工序，后期拱顶沉降变化较四台阶法稍大，不利于控制围岩的变形。因而在上台阶中隔壁法中，临时仰拱的拆除应引起足够的重视，在不影响出土效率的前提下，应尽可能将临时仰拱的拆除工作滞后。

图9 四台阶法与上台阶中隔壁法开挖竖向位移

图10 四台阶法与上台阶中隔壁法开挖水平位移

图11 四台阶法与上台阶中隔壁法拱顶位移变化图

(3)塑性区分布

从图12塑性区分布图中可以看出，四台阶法开挖围岩塑性区主要出现在拱腰和拱脚两侧位置，塑性区总面积较大，与此同时，拱顶位置出现了大面积的临塑区；上台阶中隔壁法开挖围岩塑性区则主要出现在拱脚两侧，分布面积较四台阶法有所减小，与此同时，拱顶位置的临塑区较四台阶法有明显减小并集中分布在拱顶正中。

图12 四台阶法与上台阶中隔壁法开挖塑性区分布

5 结论

本文对杭州市紫之隧道工程I标段V级围岩段施工工法由CRD调整为四台阶法，结合该标段上软下硬的围岩特性以及相应的监测数据，对四台阶开挖法进行分析。同时，在四台阶开挖法的基础上提出上台阶中隔壁开挖方案并进行了初步分析，拟通过及早封闭拱顶，达到控制拱顶沉降、优化结构受力的目的。

通过研究，形成以下结论：

(1)同地层条件下，上台阶中隔壁法开挖较四台阶法能更好地避免压应力集中、减少围岩塑性区分布；

(2)四台阶法与上台阶中隔壁法开挖模拟后，隧道拱顶均出现拉应力，数值虽小，但结合施工过程中渗水点较多、有掉块现象的情况，施工过程中仍应充分加强拱顶的喷混质量，保证钢拱架及临时支撑能够及时到位。

(3)上台阶中隔壁开挖法的最大拱顶沉降为10.1cm，较四台阶法减少约18%，拱顶及临时仰拱喷射混凝土的前期封闭成环使得拱顶的初支强度得到了有效加强。

(4)四台阶法的前期拱顶沉降较上台阶中隔壁法增长较快，而上台阶中隔壁法后期由于临时仰拱拆除造成拱顶沉降变化较四台阶法稍大，不利于控制围岩的变形，若采用上台阶中隔壁法，在不影响出土效率的前提下，临时仰拱的拆除工作应尽可能的滞后。

(5)与四台阶法开挖相比，上台阶中隔壁法开挖的围岩塑性区以及临塑区的分布面积均有所减小。现阶段采用上台阶中隔壁法开挖的实际监测数据表明，采用优化方案后，在拱顶破碎的V级围岩条件下该工法能够实现快速掘进并且洞内收敛、拱顶及地表沉降能够得到有效控制，施工中采用的新工艺和新技术保证措施，对拱顶破碎的大断面软岩隧道施工具有参考价值。