尧建敏 胡江焕 冉路尧

(中交第二航务工程局有限公司 武汉 430000)

软弱围岩超浅埋隧道洞口施工工序繁多，由于围岩多次扰动，围岩应力及支护受力情况复杂，因此选择合理的开挖方法是保证隧道洞口稳定性的必要前提。对于当今国内外长大公路隧道洞口的施工方法，尽管开挖方法多种多样，但对于隧道洞口段的软弱岩土层，均需经过适当的地层预加固处理，并采用双侧壁导洞法、CD法或CRD法、台阶法、弧形导洞超前法或组合方法开挖。其出发点是尽可能地借助于辅助施工方法改良土体，将大断面化大为小，并尽快地沿开挖轮廓形成封闭或半封闭的承载结构，再开挖核心部和仰拱。

肖伯强等[1]针对大跨度隧道施工过程中，由于跨度较大而引起较多的不利因素导致施工进展困难，应用有限元法对长大隧道的完整开挖过程进行了动态模拟研究，模拟开挖采用能保证施工安全的双侧壁导坑法对围岩的位移、初期支护的剪力、弯矩及锚杆轴力动态变化进行监控，提出长大隧道施工中容易出现的问题及相应的解决措施。钟东雄[2]结合工程实际，进行黄土连拱隧道的关键施工力学问题的研究，正洞上下台阶法与侧壁导洞法施工方案比较研究；先左洞(靠山一侧)施工方案和先右洞施工方案的对比。计算结果表明对于偏压黄土连拱隧道应采用先开挖靠山一侧的侧壁导洞法进行施工。罗洪成等[3]通过建立大断面隧道三维施工开挖模型，采用三维有限元模拟隧道开挖施工，分析大断面隧道开挖过程中单侧壁导坑法和双侧壁导坑法各自的施工工况，以及在施工过程中分别引起的地表沉降。最后发现2种方法引起的地表沉降数值相差不大，但考虑到单侧壁导坑法施工工序少，施工成本较低，所以优先选择单侧壁导坑法施工。

借鉴邓洪亮等[4]浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究，段宝福等[5]隧道穿越富水破碎带施工工艺与数值分析，任建喜等[6]软岩隧道围岩变形规律及支护技术模拟分析，本文依托武深高速嘉通段TJ-5标段内南山隧道，针对进口段的残坡积软弱围岩，结合现场实际监控量测数据，提出“三台阶七步开挖法”，增设双层锁脚锚杆及临时仰拱保证施工过程中围岩的稳定性，为山岭隧道进口段施工提出了一种新的思路。

1 工程概况

南山隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路长隧道。隧道左线起讫桩号ZK61+205-ZK62+970.732，长1 765.732 m，纵坡为+2.26%、+1.728%的单向上坡，最大埋深210 m；隧道右线起讫桩号YK61+210-YK62+975，长1 765 m，纵坡为+2.25%、+1.77%的单向上坡，最大埋深214 m。隧道左、右线净距25 m，其中左线进口位于直线上，接Rr为4 000 m圆曲线，出口位于Rr为4 000 m圆曲线；右线进口位于直线上，接Rr为4 000 m圆曲线，出口位于Rr为4 000 m圆曲线。

根据区域地质、地调及钻孔揭示，隧道区地层由上而下依次为：第四系残积含碎石粉质黏土、碎石土(Qel+dl)；下伏基岩为寒武系下统清虚洞组(∈1q)白云岩及五里牌组(∈1w)粉砂岩、粉砂质页岩、钙质页岩、炭质页岩、炭质粉砂岩。

隧道右线进口段20 m范围内近北向斜坡下部靠近坡脚地带，地形较缓，自然地面坡度20°～25°，坡体物质主要由残坡积含碎石粉质黏土、碎石土及强风化白云岩构造，围岩破碎，为V级围岩，埋深为5～30 m，为超浅埋段。

2 方案比选

隧道进口段围岩主要由残坡积含碎石粉质黏土、碎石土及强风化白云岩构成，围岩破碎、等级为V级。初期支护的参数：采用18工字型钢，纵向间距为0.5 m；采用直径为42 mm的超前小导管注浆，长度为3.5 m，环形间距为0.4 m，纵向间距为0.5 m，梅花型布置；采用双层直径8 mm，间距为20 cm×20 cm的钢筋网片，并喷射26 cm厚的C20混凝土，拱架落底处锁脚锚管采用直径42 mm钢管，长度为3 m。

隧道开挖断面为12.26 m(宽)×10.4 m(高)。进口段开挖工法可以采用CD法或三台阶七步开挖法，将2种方案进行比选，在保证质量、安全、进度的前提下选择最优的方案。

2.1 施工工艺流程

隧道开挖CD法、三台阶七步开挖法工艺流程图见图1、图2。

图1 CD法施工工艺流程图

图2 三台阶七步开挖工艺流程图

2.2 计算模型及计算参数

采用有限元法对隧道支护结构进行计算时，计算区域的左右边界应在离相邻侧隧道毛洞壁面的距离达3～5倍(36.78～61.30 m)以上毛洞跨度的位置设置，下部边界距离隧道毛洞底面的距离应为隧道毛洞高度的3～5倍以上，上部边界宜取至地表。

模型采用实体单元建模，围岩土体采用摩尔-库仑模型；初期支护采用2D板单元模拟，采用弹性本构。模拟使用的模型尺寸为考虑隧道埋深为20 m，模型大小长为40 m、宽为80 m、高为70 m，超前小导管注浆支护的效果采用提高加固圈物理参数的办法来模拟其作用效果，初期支护采用2D板单元模拟，初期支护钢拱架的作用采用等效方法计算，即将钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土。位移边界条件为上表面即地表为自由边界，其余各外表均约束法线方向的位移。

采用midas建立三维模型并划分网格，三维计算模型图见图3。

图3 三维计算模型图

根据勘察报告隧道各类围岩物理力学指标见表1。

表1 围岩物理力学指标

2.3 工法比选

CD法开挖施工引起的地层竖向位移及水平位移图见图4。

图4 CD法施工位移云图(单位：m)

图4分析结果显示，CD法施工隧道拱顶沉降最大值为9.55 mm，小于控制值(10.42 mm)；隧道水平收敛最大值为2.3 mm，小于控制值26.04 mm。CD法开挖施工围岩应力分布图见图5。

图5 CD法施工应力云图(单位：kPa)

从图5主应力云图可以看出，CD法施工产生的最大拉应力为0.09 MPa，最大压应力为2.2 MPa。隧道围岩应力均在安全范围内，岩体不会发生拉压破坏。

三台阶七步开挖法施工引起的地层竖向位移及水平位移图见图6。

图6 三台阶七步开挖法施工位移云图(单位：m)

根据图6三维数值分析结果，三台阶七步开挖法施工隧道拱顶沉降最大值为8.11 mm，小于控制值(10.42 mm)；隧道水平收敛最大值约3.37 mm，小于控制值26.04 mm。

三台阶七步开挖法施工围岩主应力分布图见图7。

图7 三台阶七步开挖法施工应力云图(单位：kPa)

从图7主应力云图可以看出，三台阶七步开挖法施工产生的最大拉应力为0.01 MPa，最大压应力为2.1 MPa。隧道围岩应力均在安全范围内，岩体不会产生拉压破坏。

CD法与三台阶七步开挖法施工拱顶沉降与净空收敛计算值见表2。

表2 计算结果 mm

由表2可见，优化后的三台阶七步开挖法拱顶沉降比CD法大，水平收敛比CD法小，但位移均在规范限值内。综合CD法与三台阶七步开挖法的优缺点对比，改用三台阶七步开挖法施工。

3 工程应用效果分析

基于理论分析，针对进口段的残坡积破碎围岩提出了“三台阶七步开挖法”，即将开挖面分成上、中、下3个台阶，在每个台阶上预留核心土，核心土长度为3 m、宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2，各台阶预留核心土开挖每循环进尺宜与其他分部循环进尺相一致。中、下台阶左、右侧开挖应错开3～5 m，同一榀钢架两侧不得同时悬空。每个台阶开挖之后工字钢落底处需打设双层锁脚锚管，在上台阶和中台阶施做临时仰拱，保证隧道在开挖过程中围岩的稳定。

为了验证实际施工过程中优化的三台阶七步开挖法施工效果，选取浅埋洞口段区域YK61+230、YK210+240 2个断面的拱顶沉降位移、水平位移收敛监测数据进一步验证，2处断面的变形数据见表3～表6。

表3 YK61+230处隧道拱顶变形监测数据

表4 YK61+240处隧道拱顶变形监测数据

表5 YK61+230处隧道水平变形监测数据

表6 YK61+240处隧道水平变形监测数据

由表3～6监控量测数据可知，2个断面的拱顶沉降最终位移值均未超出本工程设定围岩变形的累计预警值，水平收敛最终位移通过后续施做的临时仰拱和双层锁脚锚管得到了控制，满足了掌子面开挖要求。

此外，实际监测数据与数值模拟计算得到的数据所表现出的规律基本一致，表明了优化的“三台阶七步开挖法”符合工程应用要求，具有较强的可操作性与一定的实用性。

4 结语

隧道进口段原设计开挖采用CD法，鉴于CD法分部较多，工序繁杂、开挖面小、临时支撑耗费材料较多且施工进度较慢等缺点，通过数值模拟对比分析了CD法与三台阶七步开挖法在该工程中的适用性，最终选择采用三台阶七步开挖法施工。在实际施工过程中，针对围岩稳定性，优化了“三台阶七步开挖法”，提出施做双层锚管及临时仰拱等辅助工法，保证了隧道进洞时的稳定。