宿钟鸣，薛晓辉

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原030006)

小净距隧道是一种新颖的结构形式，相对于连拱隧道，其具有工程造价低、施工风险较低、防排水处理简单等特点，在山区高速公路建设中的应用越来越广泛［1－2］.隧道进出口段一般采用超前大管棚预支护，由于地质勘探的局限性，隧道开挖过程中不可避免地会遇到复杂多变的地质情况，实际暴露出来的围岩状况往往与设计的围岩级别有较大出入.因此，原设计工法的合理性和经济性就值得思考和研究.笔者根据小净距林屋隧道洞口段开挖时实际暴露出的围岩等级和现场监控量测结果，结合有限元数值分析对洞口段的原设计开挖方法进行优化，以期为超前大管棚支护下小净距隧道洞口段开挖方法的变更提供指导和借鉴.

1 工程概况

林屋隧道是乐昌至广州高速公路樟市至花东段清远北江大桥先行工程中的越岭高速公路隧道［3］.该隧道采用双洞单向三车道，为左、右幅分离的小净距隧道，轴线间距为19.52 m，隧道单向行车面净宽13.64 m，设计行车速度120 km/h. 左洞起讫里程ZK223+802.5—ZK224+678，右洞起讫里程YK223+800—YK224 +680，隧趾置于第四系残坡积和全风化花岗岩中，第四系残坡积主要为砂质黏性土，土质较均匀，含少量砂粒，全风化花岗岩呈砂土状，主要为砂质黏性土.

2 洞口段开挖监测

2.1 原开挖支护方案

原洞口段(50 m)设计围岩级别为V 级，在超前大管棚预支护下隧道开挖方案(CRD 法)如图1所示，初期支护方案见表1.

图1 洞口V 级围岩段开挖方案

图1中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ代表洞口段原设计开挖方案的施工步序.其中，Ⅰ表示左侧导坑上部开挖及初期支护和临时支护;Ⅱ表示右侧导坑上部开挖及初期支护;Ⅲ表示中槽开挖;Ⅳ表示左侧侧墙开挖;Ⅴ表示右侧侧墙开挖;Ⅵ表示下部仰拱开挖.

表1 原洞口V 级围岩段初期支护参数

2.2 爆破振动监测

在上导坑钻爆法施工时，按光面爆破的设计要求，合理地选用爆破参数，实现了光面爆破的效果.爆破作业时在邻近洞上导坑靠近中隔壁侧布置能完全涵盖爆破振动所需全部量程的TC－4850 爆破测振仪(量程0.001 ～35.400 cm/s)，测试结果显示爆破振速的最大值为5.042 6 cm/s，其值符合《爆破安全规程》(GB 6722—2011)的要求.

随着开挖不断进行，距洞口8 m 处暴露出的围岩即为未风化花岗岩，虽稍有裂隙，但完整性较好，与设计文件显示的洞口段25 m 范围内的围岩均为全风化花岗岩出入很大. 导坑开挖时爆破产生的应力波衰减较慢，振动对中隔壁的影响较大，致使中隔壁临时支护钢支撑上的喷射混凝土大面积剥落，降低了临时支护的效果. 需在导坑每循环爆破开挖后对中隔壁进行复喷，不仅造成了材料的浪费，而且导致了施工进度非常缓慢.

2.3 拱顶沉降和水平收敛监测

采用原设计开挖方案施工时，在ZK224 +660断面左导坑中隔壁与拱顶连接部位分别布设了沉降观测点，同时在导坑底部布设了水平收敛监测点，并按《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)要求对其进行日常监测.监测结果表明，在导坑循环爆破开挖中，监测断面的拱顶沉降速率和水平收敛速率波动较大，拱顶沉降稳定后的累计值仅为3.68 mm，而水平收敛稳定后的累计值为1.35 mm. 监测过程中未发现因围岩变形过大而导致围岩失稳的现象.

因此，结合爆破振动、拱顶沉降和水平收敛的监测结果，在超前大管棚的预支护作用下，洞口50 m范围内的原设计开挖方案(CRD 法)存在一定的优化空间，笔者就此提出台阶法施工方案.

3 台阶法施工数值模拟

为模拟超前大管棚预支护作用下，洞口段台阶法开挖方案的合理性，采用有限元软件ANSYS 对其进行数值模拟.初期支护参数仍采用原设计参数，不考虑钢筋网片及纵向连接筋的作用，以钢拱架左、右侧各一半的拱架间距为研究对象，其横截面示意图如图2所示.研究对象的等效弹性模量及密度分别按式(1)和式(2)求得，计算结果见表2.

式中:Eg，Ec分别为工字钢和喷射混凝土的弹性模量，GPa;Sg，Sc分别为工字钢和喷射混凝土的横截面面积，m2;ρg，ρc分别为工字钢和喷射混凝土的密度，kg/m3;Sg+c为研究对象的横截面面积，m2.

图2 研究对象的横截面示意图

表2 围岩及支护结构力学参数表

围岩采用Plane42 单元模拟，设置为平面应变模式，按照经典Drucker-Prager 准则计算，喷射混凝土采用Beam3 单元模拟. 模型边界条件:上部为自由边界，侧面与底面均为法向约束边界.上台阶开挖高度6 m，其余为下台阶开挖. 根据圣维南原理，建立的有限元分析模型如图3所示. 埋深较浅侧为先行洞，埋深较深侧为后行洞.初期支护结构的弯矩及轴力分布情况分别如图4和图5所示.

数值分析结果表明，后行洞开挖支护完毕后，先行洞拱顶沉降值仅为1.25 mm，左侧起拱线位置处向净空方向的收敛值为0.42 mm，右侧起拱线位置处背向净空方向的收敛值为0.13 mm;后行洞拱顶沉降值稍大，为1.83 mm，左侧起拱线位置处向净空方向的收敛值为0.21 mm，右侧起拱线位置处向净空方向的收敛值为0.41 mm;先、后行洞的拱顶沉降值及收敛值均处在可控范围之内.

由图4—5 可知，先、后行洞初期支护所受的弯矩均较小，轴力最大值为112.814 kN，折算压应力为0.752 MPa.先、后行洞仰拱位置及后行洞拱顶位置附近初期支护结构呈受拉状态，最大拉力33.203 kN，折算拉应力0.221 MPa.

图3 有限元分析模型

图4 初期支护弯矩分布图(单位:N·m)

图5 初期支护轴力分布图(单位:N)

由此可知，在超前大管棚预支护作用下，此隧道洞口段采用台阶法开挖方案可行. 按台阶法开挖方案施工，现场监测表明，每循环作业时爆破振动的最大速度仍满足《爆破安全规程》(GB 6722—2011)的要求，监测断面的拱顶沉降和水平收敛值较原设计方案(CRD 法)变化不大，围岩和支护结构稳定性较好，未出现围岩坍塌和支护结构失稳现象.

4 结 语

1)开挖暴露出的围岩状况有时会与设计围岩级别相差较大，施工时应以实际围岩级别为准，及时调整开挖方案和支护设计参数.

2)在超前大管棚预支护作用下，将洞口段隧道原设计CRD 方法变更为台阶法的施工方案可行.采用变更后的台阶法施工，最大限度地降低了爆破振动对围岩的扰动，减少了临时支护，降低了工程造价，加快了施工进度.

［1］张兴来，钟云健.小净距并行隧道围岩稳定的分析方法及应用［J］.重庆交通学院学报，2003，22(1):5－8，27.

［2］潘雪峰.小净距隧道设计与施工浅谈［J］.山西交通科技，2007(6):64－66.

［3］中交第一公路勘察设计研究院有限公司. 乐昌至广州高速公路樟市至花东第A3 设计合同段—两阶段施工图设计［R］.西安:中交第一公路勘察设计研究院有限公司，2009.

［4］刘国华，王振宇.爆破荷载作用下隧道的动态响应与抗爆分析［J］.浙江大学学报:工学版，2004，38(2):204－209.

［5］靳晓光，刘伟，郑学贵，等.小净距偏压公路隧道开挖顺序优化［J］.公路交通科技，2005，22(8):61－64.