软弱围岩大跨隧道安全施工技术

2020-09-17谭常喜

国防交通工程与技术 2020年5期

谭常喜

(中铁十四局集团第三工程有限公司，山东济南 272100)

近些年来，随着我国综合国力的不断增强，之前修建的两车道公路已不能满足现在经济发展和交通运输业的需求。为改变这一现状，更多的三车道、四车道公路的建设已经成为今后发展的趋势[1]。为使隧道内部净空尽量贴近限界，两车道的公路隧道断面一般比双线铁路隧道断面形状扁坦，特别是随着车道数量的增加，公路隧道断面形状则更加扁坦，跨度更大。在相同围岩条件下，大跨度扁坦隧道与接近卵圆形的隧道其受力及变形特征是具有较大差异的[2-3]，主要表现为隧道拱顶沉降远大于断面水平收敛，从而对隧道围岩的稳定及支护结构的受力都会产生不利影响[4-5]。因此对软弱围岩大跨度扁坦隧道，应采取合理的施工方法，掌握其施工过程中的支护受力及变形特点，以保证隧道施工安全。本文以隧道右洞YK47+150～+240Ⅴ级围岩段为工程依托对软弱围岩大跨隧道安全施工技术进行研究。

1 工程概况

昆楚高速勤丰特长隧道为分离式双向六车道公路隧道。左洞里程：ZK41+910～ZK47+370，全长5 460 m；右洞里程：K41+935～K47+415，全长5 480 m，隧道左右两洞相间33 m，最大埋深361 m。Ⅴ级围岩段隧道最大开挖跨度17.15 m，洞高11.68 m。隧道穿越粉质粘土、强中风化泥岩等。隧道穿越区地层以震旦系下统澄江组泥岩、砂岩、微-强风化岗岩为主。隧址区域内山势陡峭，沟谷纵横，植被及地下水较发育，在沟渠之中常年流水不断且流量受雨季影响较大。

隧道右洞YK47+150～+240段主要为强风化花岗岩，属Ⅴ级，埋深98～110 m。由于Ⅴ级围岩段隧道开挖跨度大及自稳性差的特点，须对常用施工方法的适应性进行对比分析以确定合理施工方法。

2 隧道施工方案选择

2.1 隧道设计参数

由于勤丰隧道为三车道隧道，开挖跨度大，Ⅴ级围岩稳定性差，因此隧道断面设计为强支护。隧道采用小导管注浆超前支护，在拱部120°范围内布置。小导管采用∅42 mm、壁厚4 mm、长度4.5 m无缝钢管制作，环向间距30 cm，搭接长度不少于1.5 m。初期支护参数：C25喷纤维混凝土厚度29 cm，钢拱架采用I22b型钢钢架，纵向间距60 cm；双层∅8 mm钢筋网，网格间距15 cm×15 cm；中空注浆锚杆，环、纵向间距100 cm×60 cm，锚杆长4 m，梅花形布置。C30钢筋混凝土二次衬砌厚度60 cm。隧道复合式衬砌断面如图1所示。

图1 勤丰隧道断面支护参数(单位：cm)

2.2 隧道施工方案比选

软弱围岩隧道施工方法的选择主要取决于其地表有无构筑物、隧道埋深、围岩稳定特性、隧道断面几何形状及尺寸以及隧道支护参数等。软弱围岩大跨度隧道多采用环形开挖预留核心土法、三台阶法、CD法及CRD法等[6]，下面对这几种开挖方法从工序复杂性、适用条件、控制变形能力和机械化作业条件等四个方面进行对比分析，其特点比较列于表1。

表1 4种工法适用性对比

由表1可以看出，对于隧道变形控制要求不是很严格的山岭隧道，如果严格进行施工过程中的工序管理，做好各种工序之间的衔接，保证隧道施工安全，三台阶法不仅可以大大简化隧道施工工序，从而加快施工进度，还可节约如采用CD法或CRD法所必需的临时支护。

三台阶法施工以“短开挖、强支护、勤量测、紧封闭”为原则进行施工，主要施工歩序(见图2)为：利用已安装的I22b钢架座支架施作注浆小导管超前支护；分别依次开挖断面上台阶①～③部及④部落底，施作初期支护Ⅰ～Ⅳ；架立初支钢架(I22b)，间距0.6 m，在两侧分别打设长4.0 m的∅42 mm锁脚注浆锚管各2根并与钢架焊接牢靠，分次喷混凝土达到设计厚度，打设各部锚杆；分段浇筑仰拱二衬Ⅴ和仰拱填充Ⅵ，浇筑拱墙部二衬Ⅶ，完成隧道施工。

图2 Ⅴ级围岩地段隧道施工顺序

3 隧道施工过程三维数值模拟

3.1 计算模型及计算参数

先利用ANSYS进行建模，再将数值模型导入FLAC3D中进行开挖及支护模拟计算。隧道模型的尺寸为：模型水平宽100 m，向右为x轴正向；模型高90 m，隧道拱顶到模型上表面的距离为52 m，向上为z轴正向；y方向为隧道轴线方向，正向为隧道开挖方向，开挖长度为84 m。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，地表为应力边界。由于此段隧道平均埋深为102 m，上部50 m高度围岩自重作用采用在模型上表面施加1.0 MPa的面力来间接考虑隧道总埋深。此段落围岩为花岗岩，将围岩简化为上层强风化和下层中风化花岗岩。

围岩、初期支护均采用实体单元来模拟。注浆超前小导管预支护简化为拱部120°加固圈，厚度为0.5 m。

围岩及加固圈视为摩尔—库仑理想弹塑性材料，支护及二衬结构视为弹性材料。初期支护的钢架在计算模拟时根据抗弯刚度相等原则提高初期支护的弹性模量以间接考虑钢架的作用。围岩物理力学参数参照地质资料及《公路隧道设计细则》确定，隧道超前支护加固圈，地层和支护的物理力学指标见表2。

表2 地层和支护的物理力学性能指标

3.2 模拟施工步骤

隧道注浆小导管超前支护每次施工4.5 m，开挖3.0 m，开始施工下一循环的超前支护，搭接长度1.5 m。每个台阶模拟开挖进尺1.2 m，相邻两个台阶开挖面错开3.6 m，上台阶开挖36 m后开始施作二衬，每次施作长度9 m。

3.3 计算结果分析

在模拟隧道施工过程中，为获得围岩开挖后的应力释放效果，各部支护施作滞后一个进尺。记录每个计算步的结果信息，以分析隧道模型中部断面上位移及支护的应力变化规律。

3.3.1 变形分析

隧道开挖后断面周边的变形特征直接反映了隧道的稳定性，因而在研究隧道施工过程中的力学行为时，拱顶沉降及水平收敛曲线的变化规律都是重要研究对象。隧道施工过程中拱顶沉降和中台阶水平收敛变化曲线分布如图3所示。

图3 拱顶沉降与水平收敛曲线

从图3可以看出：隧道拱顶沉降及断面水平收敛大部分发生在开挖前后，因而对于软弱围岩大跨隧道，隧道开挖后必须及时进行强支护以控制围岩过度变形；隧道施工引起的拱顶沉降显著大于断面水平收敛，拱顶沉降最大值为84 mm，因而对于三车道隧道而言，监测施工过程中的拱顶沉降是现场变形监测的重点。

3.3.2 初期支护受力分析

隧道模型模拟开挖及支护完成后，模型中部断面初期支护的第一主应力和第三主应力分布如图4所示。

图4 支护结构的主应力

从图4可以看出：支护结构最大拉应力出现在拱顶内侧，与拱顶产生较大变形相对应，最大拉应力为1.05 MPa；而最大压应力出现在断面两侧拱脚处，最大压应力为9.8 MPa。不管是拉应力还是压应力，都在安全范围之内，由此可见初期支护结构是安全的。

3.3.3 围岩塑性区

图5为隧道施工计算模型完成施工及支护计算模拟后，模型中部断面上隧道断面周边地层的塑性区分布特征。

图5 围岩塑性区分布

由于隧道断面及施工方案的对称性，施工完成后断面周边围岩塑性区分布为蝴蝶状的对称塑性区。塑性区深度最大处为断面两侧拱肩处，其次为两侧墙角下方处。

以上对V级围岩段隧道施工过程中支护变形、受力及围岩塑性区分布规律等的三维数值模拟结果表明，采用三台阶法施工可以保证隧道施工安全。

4 隧道施工监测

4.1 测点布置

为了验证数值计算结果的可行性，在隧道施工过程中在YK47+170设置监测断面，进行隧道拱顶沉降、围岩与初期支护间围岩压力和钢架翼缘应力监测。测点位置对称于隧道中线，分别在拱顶和两侧拱腰、拱脚、墙中和墙脚共计9个应力测点。在隧道上台阶开挖并施作初期支护后即安装位移测点、压力盒及钢筋计等应力传感器。

4.2 拱顶沉降

YK47+170断面拱顶沉降曲线如图6所示，拱顶沉降受工序影响明显，每次开挖后拱顶沉降均有一个快速增长随后趋缓的过程。拱顶最大沉降值72.4 mm，小于数值模型计算值84 mm，二者较为接近，说明隧道施工过程的三维数值计算结果可以作为施工方法选择的一个重要参考。

图6 拱顶沉降曲线

4.3 围岩压力

图7为隧道断面各点处围岩与初期支护之间围岩压力的变化曲线。拱顶处围岩压力最大，为119.3 kPa；两侧拱腰处接触压力较为接近，其量值大小仅小于拱顶处。总体来说，由于隧道开挖遵循了“多打孔、少装药、充分利用围岩自稳能力”的原则，且开挖后进行强支护，使得围岩松动范围得到了较好控制，因而围岩与初支间的围岩压力不是很大。