蒋佑文 韦炳钰 章 敏

(1.中铁五局集团建筑工程有限责任公司 贵阳 550081; 2.太原理工大学土木工程学院 太原 030024)

对于老旧隧道扩(改)建、分岔隧道、盾构隧道扩建地铁车站等工程，不可避免地存在变截面扩挖施工。由于变截面隧道施工工序繁复、结构体系受力转换频繁，围岩变形机理复杂，其扩挖方案选择往往事关隧道施工全局性。目前，有关隧道扩建的研究主要集中在扩挖方案、支护形式、辅助工法等方面，通过分析扩挖各阶段的位移、变形及受力特征来验证施工方案的可行性。

在既有隧道扩挖方面，Lee等[1]根据不同扩挖宽度和扩挖方向对既有平行隧道扩建力学行为和岩柱稳定性进行了有限元分析。Wu等[2]分析了某大跨变截面地铁隧道群施工相互作用机理和地层变形规律。林从谋等[3]以大帽山原位二扩四隧道为背景，研究了CD工法开挖时软弱围岩的稳定性，并优化了锚杆支护参数。刘泉声等[4]研究了全断面法、中隔壁法和交叉中隔壁法3种施工方案下隧道扩建过程对既有隧道的影响。赖勇等[5]研究了渗流环境下既有隧道的变形CRD法、层层剥皮法、三台阶法3种扩挖方式。闫明超等[6]分析了由4个依次扩大断面构成的超大断面隧道变截面施工的技术要点。杨利福等[7]采用离散元法分析了隧道拓宽改造过程中围岩变形规律、支护结构受力特征及中夹岩柱应力状态。在盾构隧道扩挖地铁车站方面，李习伟等[8]提出了采用洞桩法(PBA工法)扩挖盾构隧道以建造地铁车站。在分岔隧道方面，柯明等[9]提出了OC型断面解决隧道反向开挖的施工方法。闫自海等[10]针对地下立交隧道提出了隧道交叉口导洞爬坡反向施工方法。通过文献调研发现，目前有关隧道扩挖施工的相关研究多借鉴单洞隧道，对三线小净距隧道扩挖方案及变截面处封堵墙厚度等参数的影响尚缺乏深入研究。

本文以贵阳东站S1、S2线区间隧道为依托，通过建立三维小净距变截面隧道模型，针对S2线隧道小进大采用的“横向+反向”扩挖施工技术，考虑工法转换(台阶法转CRD法)，讨论不同施工阶段下变截面处围岩周边收敛、衬砌内力及中岩柱位移的变化趋势、分析岩体质量指标、端墙厚度、拱顶锚杆长度等参数的影响，以及拆撑过程中初支内力及位移变化，验证并优化临时门架支撑的拆除方案。

1 工程概况

贵阳东站S1、S2线区间隧道是由S1左、右线隧道(小洞)和S2线隧道(小进大)组成的三线不等跨并行隧道。S2线隧道位于S1线左、右线中部，沿线路走向由双线转折加宽断面(小洞)过渡到停车线B型断面(大洞)，其中大洞开挖跨度达到20 m，中间夹岩仅为1.65 m，线路坡度2%，拱顶埋深9～48 m。隧道围岩为V级中风化岩层，以(泥质)白云岩、(泥质)灰岩为主，地质构造简单。岩体节理较为发育，以倾斜为主，多成微张型，局部密封。S2线隧道开挖方案采用台阶法(小洞)变为CRD法(大洞)，并按照S1右→S1左→S2的先后顺序组织施工。计算选取的隧道断面形式和衬砌类型图见图1。

图1 小净距隧道断面及衬砌断面图(单位：mm)

2 模型建立与施工过程

2.1 数值模型建立

数值模型采用目前流行的岩土工程三维分析软件FLAC3D建立。该软件能够考虑复杂的隧道结构和地质条件，较好地模拟实际开挖过程。模型中围岩材料特性按均质弹塑性体考虑，上层人工填土采用Mohr-Coulomb屈服准则，其他岩层采用Hoek-Brown屈服准则。计算模型宽116 m、高66 m、长57 m。围岩采用实体单元模拟，通过对开挖区域预先进行分组，并将材料参数赋值为0来实现开挖模拟。锚杆采用cable单元模拟，初支及临时支护采用shell单元模拟，管棚支护等效为围岩材料性质的提高。考虑到二衬安全距离较远，计算中未考虑二衬作用，仅作为安全储备。模型上边界为自由面，侧面及下边界分别施加法向移约束。由于隧道埋深较浅，初始应力场可视为重力场。根据岩土工程勘察报告，并结合设计资料确定围岩及支护参数，围岩及支护参数分别见表1～表3。

表1 围岩计算参数表

表2 初支参数表

表3 锚杆参数表

2.2 施工过程

根据施工组织方案，S1左、右线隧道采用全断面开挖法，S2小断面隧道采用台阶法，S2大断面隧道采用CRD工法，其中S2隧道的具体开挖过程为：开挖支护S2小断面上台阶至变截面处，中、下台阶保留台阶长度3 m；随后开挖支护大断面I部时，以3 m为循环进尺开挖支护小断面；当开挖支护I部至10 m时横向+反向扩挖II部至变截面处；在I、II、III部继续往前开挖支护8 m时，横向+反向开挖支护IV部至变截面处；在开挖支护V部6 m时，开挖支护VI部2 m；初支封闭成环后以1 m为循环进尺整体向前开挖支护，最终以6 m为循环进尺拆除临时支撑。

横向扩挖II部的工序为：①开挖并支护I部(长度8 m)；②继续向前开挖并支护I部(长度2 m)，拆除I部2～8 m处的临时竖撑，横向扩挖II部(跨度6 m)，并施加临时门架、锚杆及初衬；③反向扩挖II部至变截面里程处(长度2 m)，并进行支护；④恢复I部2～8 m处的临时竖撑。扩挖IV部的工序为：①向前开挖并支护I、II、III部(长度8 m)；②向前开挖并支护I、II、III部(长度2 m)，拆除III部5～8 m处的临时竖撑，并横向扩挖IV部(跨度3 m)，同时恢复该扩挖范围内的临时竖撑；③拆除III部2～5 m处的临时竖撑，反向扩挖并支护IV部(跨度3 m)；④反向扩挖并支护IV部0～2 m，恢复III部2～5 m范围内的临时竖撑。横向扩挖流程及S2隧道施工三维模型分别见图2、图3。

图2 S2线隧道开挖模型图

图3 隧道扩挖工序示意图(单位：mm)

3 结果分析与讨论

3.1 S2隧道变截面处受力变形分析

S2线隧道变截面处测点位移变化趋势图见图4。

图4 S2线隧道变截面处测点位移变化趋势图

由图4a)可知，大、小断面拱顶沉降随施工步的变化几乎相同，在初支成环前，横向扩挖II、IV部是拱顶沉降变形的主要阶段；由图4b)可知，大、小断面左拱腰位移变化曲线基本相同。由于先行开挖的隧洞周边围岩受后行隧道开挖的重复扰动，且大断面隧道右侧围岩在施加封堵墙的基础上加设了锚杆，提高了该区域围岩的稳定性，导致小断面拱腰水平变形大于大断面，且大断面左侧拱腰变形大于右侧。此外，在开挖初期，围岩变形急剧增大，当S2线隧道开挖至距变截面处1D时，变形基本趋于稳定。临时支撑的拆除将导致拱顶沉降和拱腰水平位移骤增，对初支安全性影响较大。由于隧道断面的低扁平率，竖向受力较大，在向两侧传递的过程中抵消了由于洞室开挖而产生的围岩向内的变形挤压力，导致拱腰部位向外扩张。

3.2 拆撑分析

S2线隧道变截面处大、小断面初衬拆撑前后的内力分布图分别见图5、图6。

图5 S2小断面变截面处轴力(单位：kN)及弯矩分布图(单位：kN·m)

图6 S2大断面变截面处轴力(单位：kN)及弯矩分布图(单位：kN·m)

由图5可知，拆撑前小断面拱顶及拱底受拉，拱腰受压，弯矩呈不均匀分布。由图6可知，大断面轴力分布规律与小断面相似，受拉区轴力相对较小，受压区轴力则相对较大；左、右两侧拱腰弯矩不对称，最大负弯矩位于左拱脚处。拆撑后，小断面拱腰处轴力明显增大，拱顶受拉区范围及拉力均同步增大，而拱底受拉区范围及拉力则同步减小；而大断面各测点轴力均大幅增大，拱底轴力变化尤为显著。临时竖撑的拆除使拱部中隔墙与初支交接处由负弯矩变为正弯矩，拱底交接处弯矩值由31.3 kN·m突增至103 kN·m。此外，大小断面洞周弯矩在拆撑后，其不均匀性仍然较为明显，拆撑前后最不利位置均位于拱脚。由于变截面右侧拱腰区域存在封堵墙及中岩柱锚杆，拆撑对该区域的扰动减弱，使得大小断面左侧初支轴力普遍大于右侧。

3.3 围岩稳定性分析

GSI值提高了隧道围岩分级的效率和精细化程度，其大小可结合岩体结构类型和风化状况综合确定，并以此估算岩体Hoek-Brown准则参数s、a和mb，其中mb、s分别反映了岩体的软硬程度和破碎程度。变截面处测点最终竖向位移随地质强度指标GSI的变化图见图7。

图7 测点竖向位移随GSI的变化

由图7可知，随着GSI的增大，拱顶沉降位移均逐步减小。当GSI>30时，拱顶沉降的变化基本趋于稳定，且拱顶3个测点之间的位移差逐渐降低。由图7还可知，岩体块度大小及结构面条件是影响隧道稳定性的关键因素，岩体块体尺寸越小，岩体风化状况越差，使得GSI越小，mb、s随之越小，则岩体松散压力越大，使得隧道拱顶沉降越大。

II部扩挖时需要拆除纵向跨度6 m的竖撑，且II部初支衬砌不能及时封闭成环，施工中提出以下4种支护方案：①临时门架+掌子面锚杆(原方案)；②仅施作临时门架；③仅施作边墙掌子面锚杆；④无支护。其中，临时门架采用间距0.5 m/榀的I20工字钢架，边墙锚杆为间距1 m×1 m布置的2 m长直径22 mm砂浆锚杆。以上4种不同GSI下，距变截面4 m处拱部竖向位移分布图见图8。

图8 距变截面4 m处拱部位移分布

由图8可知，当GSI=45时，距中隔墙4.5 m范围内拱顶发生沉降，而两侧则发生隆起；当施作临时门架后，边墙加锚对围岩变形几乎没有影响，方案一、二沉降曲线几乎重合。当GSI=10时，拱部围岩均发生沉降，当不施加临时门架时，边墙锚杆可大幅减小围岩变形。此外，除GSI=10、无支护条件工况(方案4)，扩挖引起的拱部左侧位移普遍大于右侧沉降增量，说明先行开挖的左侧断面围岩受到后续右侧断面开挖的多次扰动。总体而言，对于本隧道围岩条件，仅施作临时门架便可控制拱顶沉降，选择方案二较为合理。

当GSI=10，45时，不同扩挖阶段(工序说明见图4)临时中隔墙顶部竖向位移沿隧道走向的分布图见图9。

图9 不同GSI参数条件下扩挖时中隔墙顶部竖向位移分布

由图9可知，扩挖II部和IV部时，两类GSI下中隔墙顶点位移均在距变截面4 m处达到最大。拆除临时竖撑时(第二步)位移发展迅速，尤其是在岩性较差的情况下(GSI=10)，如扩挖II部时增长近30%，但后期施做门形刚架后各工序位移差均小于1 mm。可见，不同岩性的围岩在同一开挖方式下其变形规律基本相同，但量值差异较大。当岩性参数降低时，拆除临时竖撑是扩挖的关键工序，易引起围岩失稳破坏。

不同封堵墙厚度对变截面处拱顶水平位移的影响图见图10。

图10 不同封堵墙厚度时变截面处拱顶测点竖向位移对比

由图10可知，随着封堵墙厚度的增加，拱顶沉降逐渐降低，但速率逐渐变缓，同时封堵墙锚杆加固效果随之提高，说明封堵墙可较好地维持变截面处围岩的稳定。此外，封堵墙施加后与初支结构协同作用，改善了隧道变形和受力状态，减小了后行导洞开挖对先行导洞周边围岩的扰动，提高了围岩的稳定性。相对于无封堵墙支护，有封堵墙支护时测点1、2、3的竖向位移差大幅度增加，说明封堵墙锚杆支护特性得到了充分发挥。

4 结论

1) 施工过程中初支结构受力不利部位为S2大、小断面隧道拱脚、拱顶及拱顶与临时支撑的连接处，易发生失稳破坏，且横向扩挖及拆撑将导致初支结构位移突增，内力突变，应重点关注。

2) 围岩变形随GSI的增加而减小，当围岩较差时(GSI=10)，在扩挖过程中应同时施加临时门架及边墙锚杆，当围岩岩性较好时(GSI=45)，可仅施加临时门架。

3) 随着封堵墙厚度的增加，变形控制的提高效果逐渐减弱，但封堵墙锚杆加固效果随之提高。