郭 杰

(中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳 5 18000)

0 引言

双侧壁导坑法在当前隧道施工过程中应用较为广泛，而传统双侧壁导坑法存在施工工序较多、施工速度较慢、施工循环距离较长、临时支撑较多、断面闭合时间较长等不足，对该工法进一步改进研究具有重要的现实意义。

目前就双侧壁导坑法施工安全与关键施工技术问题，国内外学者主要是采用理论、数值分析法进行研究和对施工工法应用进行探讨。文献［1-5］主要通过对双侧壁导坑法施工过程进行理论分析后建立模型，采用释放荷载法，通过数值模拟分析找出工法中的关键节点和步骤，提出相应的技术措施;文献［6-7］主要通过有限元模拟等数值方法分析围岩的变形、应力及支护结构的受力状况，对双侧壁导坑法各工序的作用机制和效果进行研究，旨在为设计和施工提供参考依据;文献［8-9］主要是在工程实例经验总结的基础上，通过在双侧壁导坑法增加横通道等措施，对开挖工序进行优化分析，并对应用效果进行了对比;文献［10-12］主要是对繁华城区、超大断面、大跨度等特殊条件下应用双侧壁导坑法的关键技术进行研究，如控制爆破技术、留核心岩台的整体式衬砌技术、监控量测技术以及超前地质预报等技术。而对双侧壁导坑法的改进，并从数值分析和工程实例论证2方面进行研究的论文较少。

本文以深圳市红棉路隧道工程为背景，在传统双侧壁导坑法的基础上对隧道的开挖分部进行了适当调整改进，进一步通过二维数值模拟计算分析论证该开挖工法的施工安全性，并对其应用效果进行分析。

1 改进的双侧壁导坑法施工介绍

1．1 传统双侧壁导坑法施工顺序

见图1。

其具体施工工序为:1)施工超前大管棚、超前小导管;2)左侧导坑上台阶开挖支护;3)左侧导坑下台阶开挖支护;4)右侧导坑上台阶开挖支护;5)右侧导坑下台阶开挖支护;6)中部上台阶核心土开挖支护;7)中部下台阶核心土开挖支护;8)拆除临时支护;9)二次衬砌施工。

1．2 改进的双侧壁导坑法施工顺序

见图2。

图2 改进的双侧壁导坑法施工工序图Fig．2 Construction sequence of optimized double side drift method

其具体施工工序为:1)施工超前大管棚、小导管;2)左侧导坑上台阶开挖支护;3)右侧导坑上台阶开挖支护;4)中部核心土上台阶开挖支护;5)中部核心土中、下台阶开挖;6)左侧导坑下台阶开挖支护;7)右侧导坑下台阶开挖支护;8)中部下台阶核心土开挖支护、拆除临时支撑;9)二次衬砌施工。

1．3 两者不同点

改进的双侧壁导坑法不同于传统的施工方法，主要体现在以下方面。

1)从整个隧道开挖断面的分块上，上半断面与传统的双侧壁导坑法一致，但下半断面开挖分块明显不同，左、右两侧的下导坑开挖面积很小，保证能够施作下半断面隧道边墙的初期支护即可。

2)从整个开挖断面临时支护的施作上，仅在上半断面各开挖分部施工时施作临时竖向支撑和水平仰拱。

3)从开挖顺序上，先开挖上半断面左、右两侧的导坑，再开挖上半断面中部的核心土，而后再开挖下半断面左、右两侧的导坑，最后开挖下半断面中部的核心土。

4)为缩短开挖工作面与隧道二次衬砌的距离，各施工工作面基本呈直立状，同时为保证隧道工作面的稳定性，对施工工作面进行了加固处理。

2 改进的双侧壁导坑法安全性分析

2．1 计算模型及参数

2．1．1 计算模型

计算模型为:距离隧道开挖外缘3倍洞跨作为左右边界，距离底板底3．5倍开挖高度作为下边界，地表作为上边界。有限元模型如图3所示。模型高60 m，宽120 m(隧道居中)。位移边界取模型的侧面和底面，水平位移由侧面限制，垂直移动由底部限制，地面为顶面。

图3 二维计算模型网格图Fig．3 2D calculation model

2．1．2 计算参数

以深圳市红棉路市政工程为实例，其设计参数为:初期支护采用C20喷射混凝土加锚杆，双层钢筋网和格栅钢架支撑(纵向间距为0．5 m)支护，喷层厚度为35 cm，临时支护厚度为25 cm;锚杆长度为4．0 m，直径25 mm;预支护系统采用φ159 mm大管棚+超前小导管注浆进行支护;二次衬砌采用C30模筑混凝土。围岩和支护结构采用的计算参数如表1和表2所示。计算模型中，采用平面应变单元、Mohr-Coulomb材料模拟地层;采用梁单元模拟初期支护和临时支护，弹性材料模拟;采用平面应变单元、弹性材料模拟二次衬砌。

2．1．3 路面荷载

参考C JJ77—1998《城市桥梁设计荷载标准》，根据隧道跨度，取跨度为2～20 m城-A级荷载，并考虑汽车冲击荷载，选取冲击系数为0．4，组合得到最终路面超载模式及量值如图4所示。

表1 围岩物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

表2 支护结构物理力学参数表Table 2 Physical and mechanical parameters of supporting structure

图4 路面荷载Fig．4 Road surface load

2．2 计算结果与分析

2．2．1 竖向位移计算结果与分析

改进的双侧壁导坑法各主要施工步完成后竖向位移如图5所示，并选取了地表中点和拱顶特征点作为监测点，竖向位移变化如图6所示。

图5 改进的双侧壁导坑法主要施工部竖向位移云图Fig．5 Contour of vertical displacement induced by main construction steps of double side drift method

图6 改进的双侧壁导法地表中点及拱顶特征点竖向位移随施工步变化曲线图Fig．6 Vertical displacement of central point of ground surface and crown point of optimized double side drift method Vs construction steps

1)施作二次衬砌以后隧道上方地表出现明显的沉降槽曲线，宽度约为66 m(约4倍洞跨)，地表沉降最大值为223．76 mm，出现在隧道上方地表中点。

2)总体上地表中点和拱顶特征点的沉降随施工步进行逐渐增大，开挖中间上部核心土上台阶、左、右侧导坑下台阶、右侧导坑上台阶这几个工序引起的地表和中部拱顶的沉降较大，为位移控制的关键工序。左、右侧导坑下台阶施工时产生较大沉降的原因在于计算中没有考虑拱脚锁脚锚杆的作用影响，开挖后造成上部支护结构悬空，导坑上部拱脚随荷载释放而产生较大沉降。

3)影响左导坑拱顶沉降最大的工序是开挖左侧导坑上、下台阶，占累计沉降量的82．69%;影响右导坑拱顶沉降最大的工序是开挖右侧导坑上、下台阶以及临时支护拆除，占累计沉降量的86．96%。

2．2．2 水平位移分析

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改进的双侧壁导坑法水平位移如图7所示。

表3 改进的双侧壁导坑法地表中点及拱顶特征点竖向位移变化情况Table 3 Variation of vertical displacement of central point of ground surface and crown point of optimized double side drift method

由图7可知:

1)开挖左、右侧导坑上台阶、中间上部核心土过程中最大水平位移位于临时支护中间位置，且随施工进行有所变化。

2)开挖左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶时，由于没有临时支护对核心土侧向变形的控制，可能导致核心土侧土体产生较大的挤入水平位移，存在一定安全风险。但由于这2个工序开挖面积较小，且最终核心土会被挖除，当导坑上台阶开挖、及时支护并施作锁脚锚杆后造成的地表沉降量应大为减小，只要工序施工时确保快速，根据实际位移变化情况采取喷锚支护等适当措施控制净空收敛位移，可以确保施工安全。

3)开挖中间下部核心土、拆除临时支护并施作仰拱初期支护以后边墙处的水平位移最大，左边墙最大水平位移为 245．82 mm，右边墙最大水平位移为247．36 mm。施作二次衬砌以后，水平位移基本没有变化，最大水平位移为245．76 mm。

4)在模拟施工过程中，由于边墙锚杆仅作为安全储备，所以计算得到的水平位移偏大。

2．2．3 围岩塑性区分析

改进的双侧壁导坑法围岩塑性区分布如图8所示。由图8可知:

1)由于隧道所处软土地层，围岩强度很低，开挖对围岩产生较大扰动，使隧道周边较大范围内的土体应力重分布，开挖轮廓周边很大范围内的土体达到应力屈服状态，形成的塑性区范围较大，易造成失稳破坏。

2)拱脚和墙角的围岩由于应力集中作用，一直处于屈服状态。拱脚塑性区向外扩展范围大，开挖中间上部核心土中、下台阶时最为突出。拱脚不稳下沉很容易造成围岩和支护的整体下沉，对控制地层位移非常不利。因此，应及时施作锁脚锚杆，确保施工安全。

3)开挖隧道下半断面以后，边墙部位也出现了较大的塑性区，应当重视边墙锚杆和注浆对边墙围岩的加固作用，防止塑形变形不断发展，使水平位移过大，造成侵限。

2．2．4 支护内力分析

改进的隧道双侧壁导坑法支护结构的轴力和弯矩分布如图9和图10所示，支护结构各特征部位在临时支护拆除前后内力值分布如表4和表5所示。

图7 改进的双侧壁导坑法主要施工步水平位移云图Fig．7 Cloud of horizontal displacement induced by main construction steps of optimized double side drift method

由表4和表5计算结果可以得出:

1)改进的双侧壁导坑法临时支护拆除后，隧道支护结构的轴力、弯矩绝对值均增大明显。拆除临时支护过程中应密切关注支护结构受力变化，分段拆除。

2)改进的双侧壁导坑法临时支护拆除前后，初期支护轴力从拱顶到拱脚都比较均匀，且均受压，在左、右导坑拱脚偏上方轴力达到最大。初期支护弯矩最大值在临时支护拆除前后都位于墙脚处，可见墙脚处由于围岩应力集中对此处支护受力产生不利影响。

图8 改进的双侧壁导坑法主要施工步塑性区分布图Fig．8 Distribution of plasticized zone induced by main construction steps of optimized double side drift method

由上述分析可知，采用改进的双侧壁导坑法进行施工时，在一定程度上能减少地表沉降，而水平位移则却有一定程度的增大，但可以采取措施控制，隧道支护结构受力处于安全状态，采用改进工法进行施工时隧道的施工安全能够得到保证。

3 改进的双侧壁导坑法应用效果分析

1)缩短了施工循环长度，减小了对地面的影响范围。采用传统的双侧壁导坑法时施工循环距离一般为45～50 m。而采用改进的双侧壁导坑法对工序进行改进以后，将左、右侧导坑上台阶掌子面错距缩小为4 m左右，上半断面中部核心土上台阶掌子面只滞后后开挖导坑上台阶掌子面4 m左右，左、右侧导坑下台阶掌子面再依次滞后2 m，中部下台阶核心土掌子面错开后开挖侧导坑下台阶4 m，拆撑和二次衬砌保持紧跟，再依次滞后2 m和2 m。这样总的施工循环距离大约为16 m，与传统工法相比施工循环距离缩短了一半，由隧道开挖施工引起的地面沉降等影响范围也大大减小。

图9 改进的双侧壁导坑法临时支护拆除前后轴力分布云图Fig．9 Contour of distribution of axial force of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling

图10 改进的双侧壁导坑法临时支护拆除前后弯矩分布云图Fig．10 Contour of distribution of bending moment of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling

2)减小了下半断面左、右导坑的开挖面积，缩短了断面闭合时间，控制地面沉降、增强隧道施工安全效果明显。左、右两侧下导坑开挖施工过程中，上半断面初期支护及临时支护处于悬空状态，此时极易导致隧道产生较大的整体下沉，下导坑开挖面积越大，所需的开挖时间就越长，产生变形和下沉的风险就越高。改进的双侧壁导坑法减小了下半断面左、右导坑的开挖面积，能够加快下导坑边墙初期支护的施作，有利于整个隧道的施工安全;各施工工作面开挖基本呈直立状，缩短了工作面至二次衬砌的距离;同时，该工法大大缩短了整个隧道断面支护结构的闭合时间，对控制地面沉降、增强隧道施工安全效果明显。

表4 改进的双侧壁导坑法拆除临时支护前后特征部位初期支护轴力Table 4 Axial force at critical points of primary support of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling kN

表5 改进的双侧壁导坑法拆除临时支护后特征部位初期支护弯矩Table 5 Bending moment at critical points of primary support of tunnel constructed by optimized double side drift method after temporary support dismantling kN·m

3)加快了施工进度，降低了工程投资。在进行下半断面开挖施工时，由于下半断面的竖向临时支撑不再施作，故大大减少临时支护工程量，加快了施工进度，降低了工程投资。

4 工程实例

深圳市红棉路隧道工程下穿机荷高速公路收费站，隧道为上下行双洞六车道。隧道中线与高速公路为45°～58°夹角斜交，左线长约 175 m、右线长约190 m，如此长距离下穿高速公路，在国内尚属首例。隧道中心间距为38．3～43．5 m ，埋深6～8 m，暗洞口位于公路边坡上，埋深2～3 m。隧道断面为椭圆形，跨度16 m，高12 m。一般认为，隧道覆跨比(H/D)小于0．6时为超浅埋，故该隧道属大跨度超浅埋隧道。

地质情况主要为人工素填土、第四系冲洪积淤泥质土、粉质黏土、粗砂及残积黏土，强风化泥质砂岩，松散或松软结构。地下水小股流水或可出现股状流水，少量渗水，围岩开挖后无自稳能力、易坍塌，需进行支护和采取防水措施。隧道洞身基本处在高速公路回填路基内，局部存在软土地基，隧道围岩为Ⅵ级，属于软弱破碎围岩。

针对红棉路隧道下穿高速公路距离长、开挖跨度大、埋深浅、围岩软弱、施工难度高、安全风险大、对周围环境影响显著等特点，设计采用在超前大管棚和注浆小导管的保护下双侧壁导坑开挖法。在工程实践中，经历了2个阶段:第1阶段采取传统的双侧壁导坑法，地表沉降累计最大值为432．79 mm，净空收敛最大值为74．55 mm，拱顶下沉累计最大值为135．72 mm;第2阶段经过研究和试验验证后，采用了改进的双侧壁导坑法进行施工。第2阶段与第1阶段相比，取得了良好的效果。施工过程中，典型断面地表最大沉降为251．83 mm，最大净空收敛为 10．31 mm，拱顶最大下沉量为23．92 mm。监测量测数据反映的地面沉降、拱顶沉降和隧道收敛如图11—13所示。

图11 典型断面地表累计沉降变化曲线图Fig．11 Curves of accumulated ground surface settlement of typical cross-section

图12 典型断面拱顶累计沉降变化曲线图Fig．12 Curves of accumulated crown settlement of typical cross-section

图13 典型断面隧道收敛累计沉降变化曲线图Fig．13 Curves of accumulated convergence of typical cross-section

5 结论与探讨

1)在传统双侧壁导坑法的基础上，提出了改进的双侧壁导坑法。该工法下半断面左、右两侧的导坑只要能保证施作边墙的初期支护即可，因此开挖面积较小;下半断面开挖过程中不再施作开挖断面下部2道临时支撑;另外缩短了开挖工作面与隧道二次衬砌的距离，各施工工作面基本呈直立状。

2)通过数值计算分析得出，在该地层条件下，采用改进的双侧壁导坑法进行施工时，与采用传统工法相比，地表沉降有所减小，而水平位移则有一定程度的增大，隧道支护结构受力处于安全状态，在较硬质地层或风化岩层中能够保证隧道的施工安全。

3)通过工程实践可知，改进的双侧壁导坑法缩短了施工断面闭合时间和施工循环距离，对减小地面沉降和影响范围效果明显，临时支护工程量的减少节省了工程投资，能产生良好的经济效益，同时也加快了施工速度。

改进后的双侧壁导坑法对丰富隧道施工技术具有一定的实际意义，并可为其他类似环境下的隧道施工提供参考。本文对该工法进行安全性分析暂时只考虑在较硬质地层或较好的风化岩层中，并不适用于第四纪地层中。另外，在长距离超浅埋下穿高速公路的情况下，地面车辆动荷载对隧道采用该工法开挖时产生的影响，以及在施工进度指标和经济效益分析方面，还有待进一步探讨。

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