趙瑞文， 張 翼， 劉湘林， 向?qū)W文， 巫華平， 蔡佳良

(1.北京建工土木工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

淺談大跨隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案優(yōu)化

趙瑞文1， 張 翼1， 劉湘林1， 向?qū)W文1， 巫華平1， 蔡佳良2

(1.北京建工土木工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

大跨隧道在開(kāi)挖過(guò)程中若支護(hù)方式和開(kāi)挖方法的不合理易造成隧道塌方、大變形等失穩(wěn)現(xiàn)象，保證隧道施工期間的穩(wěn)定性是隧道工程施工的核心目標(biāo)，文章以貴陽(yáng)市南埡路三號(hào)隧道為工程依托，采用數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工展開(kāi)研究，研究表明：對(duì)開(kāi)挖步距及一次性拆除臨時(shí)支撐長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，可確保施工安全，同時(shí)，施工進(jìn)度顯著提高。

大跨隧道； 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法； 施工優(yōu)化

1 工程概況

南埡路工程屬于貴陽(yáng)市中心城區(qū)“暢通工程二期”道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)系統(tǒng)中1.5環(huán)的北線，是貴陽(yáng)市道路網(wǎng)主骨架的重要組成部分，起連接放射的作用，既承擔(dān)部分市內(nèi)交通，又擔(dān)負(fù)著來(lái)自于公路的出入境和過(guò)境交通。南埡路第三合同段起訖里程為K2+979.3-K4+817.053,主要工程包含南埡路三號(hào)隧道、楊柳井互通立交等(圖1)。

圖1 南埡路三號(hào)隧道

隧道進(jìn)口起點(diǎn)位于貴州財(cái)經(jīng)學(xué)院后貴州省植物園，并下穿貴州省植物園十字山，出口位于貴陽(yáng)市北二環(huán)楊柳井采石場(chǎng)附近，隧道設(shè)計(jì)為單線四車道隧道，兩側(cè)布置人行道，設(shè)計(jì)車速60 km/h，開(kāi)挖寬度21.878 m，高度為14.321 m，為貴陽(yáng)市第一座四車道隧道，為本合同段控制性工程。

三號(hào)隧道左線起止里程為L(zhǎng)K2+979.3-LK4+150.4，全長(zhǎng)1171.1 m；右線起止里程為RK2+966.6-RK4+108.8，全長(zhǎng)1142.2 m。工程內(nèi)容具體包括套拱施工、隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌、路面、照明等市政管線、交通安全與管理及附屬設(shè)施。

2 工程地質(zhì)

隧道處地質(zhì)為三疊系安順組白云巖，巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為構(gòu)造節(jié)理，節(jié)理一般呈閉合狀，裂隙一般為方解石脈充填，膠結(jié)一般～好，巖體總體較破碎。軸夾角30°～35°，巖芯主要呈柱狀～短柱狀，少量長(zhǎng)樁狀，巖芯采取率65 %～83 %，RQD=12 %～52 %；三疊系松子坎組白云巖平少量泥灰?guī)r，巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為構(gòu)造節(jié)理，節(jié)理一般呈閉合狀，裂隙一般為方解石脈及黏土充填，膠結(jié)一般～好，巖體總體較破碎。軸夾角30°～40°，巖芯主要呈柱狀～短柱狀，少量長(zhǎng)樁狀，RQD=8 %～40 %。

圍巖穩(wěn)定性較差～較好，不支護(hù)拱部局部易產(chǎn)生小坍塌、掉塊，可局部噴混凝土，系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)，并澆筑混凝土襯砌支護(hù)。

3 工程重難點(diǎn)

3.1 工程重點(diǎn)

三號(hào)隧道為分離式雙向八車道隧道，開(kāi)挖寬度21.878 m，高度為14.321 m，是貴陽(yáng)市第一座四車道隧道，也是南埡路工程的工期控制性工程和重要節(jié)點(diǎn)工程，工期緊，施工安全和質(zhì)量要求高。

3.2 工程難點(diǎn)

本工程因隧道處于喀斯特地貌地區(qū)，地下巖溶較發(fā)育，巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部地段圍巖較差，且隧道斷面和跨度大，不支護(hù)時(shí)拱部局部穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生小坍塌、掉塊，因此巖體破碎、巖溶發(fā)育、隧道斷面大、穩(wěn)定性差是隧道設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)之一。

此外，隧道進(jìn)口段下穿省植物園，且屬于超淺埋段，埋深最小處僅1.8 m，且該園內(nèi)正修建蓄水渡槽(將蓄水700 t)及多棟玻璃建筑物，施工時(shí)必須做好超前支護(hù)施工，嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺、爆破振動(dòng)，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，襯砌緊跟，以確保施工及結(jié)構(gòu)安全、減小對(duì)環(huán)境的影響，故此超淺埋段安全施工是本工程的另一大難點(diǎn)。

4 施工組織方案

4.1 施工原則及工藝原理

由于本項(xiàng)目工程隧道為超大斷面隧道，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖地段，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，并遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早閉合、勤測(cè)量”的施工組織設(shè)計(jì)[1-2]。

工藝原理：以巖體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用新奧法原理指導(dǎo)施工，充分發(fā)揮圍巖自承載能力，運(yùn)用光面爆破技術(shù)，及時(shí)進(jìn)行噴錨初期支護(hù)，防止圍巖松動(dòng)，應(yīng)用監(jiān)控量測(cè)及時(shí)反饋信息，充分發(fā)揮圍巖和初期支護(hù)的作用[3]。原施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

4.2 施工注意事項(xiàng)

在開(kāi)挖導(dǎo)坑時(shí)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，導(dǎo)坑斷面近似橢園，周邊輪廓園順，避免應(yīng)力集中。初期支護(hù)采用格柵鋼架、掛網(wǎng)噴混凝土柔性支護(hù)體系，及時(shí)施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承能力，控制圍巖變形。建立一整套圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行信息化施工管理，隨時(shí)掌握施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，合理安排，調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，確保施工安全。

(1)側(cè)壁導(dǎo)坑形狀宜近于橢圓形斷面，導(dǎo)坑斷面寬度宜為整個(gè)斷面寬度的1/3。

(2)側(cè)壁導(dǎo)坑、中槽部位宜采用短臺(tái)階法開(kāi)挖，各部距離應(yīng)根據(jù)隧道埋深、斷面大小、結(jié)構(gòu)類型等選取。各部開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，并盡早封閉成環(huán)。

(3)兩側(cè)壁導(dǎo)坑各部位須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)臺(tái)階長(zhǎng)度施工，可獨(dú)立同步開(kāi)挖和支護(hù)；中槽部位采用臺(tái)階法開(kāi)挖，并保持平行作業(yè)。

(4)中槽開(kāi)挖后，拱部鋼架與兩側(cè)壁鋼架的連接時(shí)難點(diǎn)，在兩側(cè)壁導(dǎo)坑施工中，鋼架的位置應(yīng)準(zhǔn)確定位，確保各部架設(shè)鋼架連接后在同一個(gè)垂直面內(nèi)，避免鋼架發(fā)生扭曲。

(5)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)信息，初期支護(hù)穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支護(hù)，一次拆除長(zhǎng)度不得大于6 m，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

(6)臨時(shí)支護(hù)拆除完成后，應(yīng)及時(shí)施作仰拱及二次襯砌。

4.3 施工參數(shù)優(yōu)化

為找到合理的施工參數(shù)，保證隧道施工期間的穩(wěn)定性，同時(shí)加快施工進(jìn)度，針對(duì)開(kāi)挖步距、拆撐距離等主要施工控制參數(shù)，建立不同工況，利用計(jì)算模型進(jìn)行研究分析[4]。

根據(jù)工程實(shí)際情況，隧道斷面凈高為14.321 m，最大跨度處寬度為21.878 m。隧道拱頂距地表29 m，隧道仰拱底部距模型下端取3倍跨度42 m，模型左右兩邊寬度各取3倍跨度40 m，沿隧道掘進(jìn)方向取80 m，縱向劃分間隔為1 m，數(shù)值模型尺寸為X×Y×Z=243 m×80 m×65 m。模型上邊界為自由，下邊界約束豎向位移，左右邊界約束水平向位移。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，整個(gè)模型及隧道周邊網(wǎng)格如圖3所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖3 隧道有限元模型

4.3.1 開(kāi)挖步距優(yōu)化

根據(jù)類似項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)對(duì)施工中3種常用的工法進(jìn)行數(shù)值模擬研究，比選出最優(yōu)施工步距，不同工況施工臺(tái)階參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同工況參數(shù)選取 m

數(shù)值模擬中考察隧道拱頂及地表沉降，對(duì)比分析各工況考察點(diǎn)的最終沉降值(表3)。

表3 不同工況沉降值結(jié)果 mm

從表3可看出，針對(duì)本項(xiàng)目工程而言，一次開(kāi)挖進(jìn)尺的步距越大，產(chǎn)生的變形和沉降也越大，開(kāi)挖步距越小，越容易控制開(kāi)挖引起的變形。然而，從力學(xué)角度考慮，開(kāi)挖步距選取過(guò)小，對(duì)掌子面的擾動(dòng)較大，掌子面將發(fā)生失穩(wěn)，這一點(diǎn)在數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化得到了驗(yàn)證。另外，若步距過(guò)小，將影響人員和機(jī)械在隧道中施工，影響施工效率。因此，針對(duì)本項(xiàng)目的施工步距采取工況1的方案。

4.3.2 中隔撐拆除距離對(duì)比分析

與前述小結(jié)相同，初支穩(wěn)定后，選取一次拆除采取臨時(shí)支撐3 m、6 m、8 m三種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，考察隧道拱頂沉降，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同工況沉降結(jié)果

從表4可看出，當(dāng)一次性拆除臨時(shí)支撐長(zhǎng)度超過(guò)6 m時(shí)，拱頂沉降值變化明顯，與前述的施工注意事項(xiàng)，將拆除長(zhǎng)度控制在6 m之內(nèi)基本符合。另外，分析數(shù)值模擬的應(yīng)力云圖，可發(fā)現(xiàn)拆除支撐后，應(yīng)力集中位置為臨時(shí)支撐與隧道連接部位，因此，在施工過(guò)程中需對(duì)該部位支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。

本項(xiàng)目工程施工中，采取上述兩種優(yōu)化措施，將隧道拱頂及地表沉降值控制在安全范圍之內(nèi)，同時(shí)施工進(jìn)度顯著提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)值模擬和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)南埡路三號(hào)大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要施工參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖步距最好選擇4.3.2節(jié)中工況1的參數(shù)，這樣既發(fā)揮了圍巖自承能力，同時(shí)又減少了工序循環(huán)時(shí)間和施工干擾，大大加快了施工進(jìn)度。

(2)一次性拆除臨時(shí)支撐長(zhǎng)度控制在6 m以內(nèi)，對(duì)于臨時(shí)支撐與初支接觸部位，應(yīng)格外注意保護(hù)，防止該處發(fā)生破壞。

(3)施工參數(shù)優(yōu)化后的方案應(yīng)用于工程施工中取得較好的效果，沉降值得到較好控制，同時(shí)大大地縮短了工期。

[1] 王夢(mèng)恕.隧道施工要點(diǎn)集[M].北京: 人民交通出版社, 2002.

[2] 賴金星, 吳明先.大斷面公路隧道施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2006, 35(2): 59- 61.

[3] 郝小蘇,金露,何遠(yuǎn)康. 雙向八車道公路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工優(yōu)化[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù),2008(1):61-64.

[4] 王學(xué)斌. 超淺埋大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 福建建設(shè)科技,2012(6):78-80.

[定稿日期]2017-08-09

趙瑞文(1976～)，男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事市政隧道施工管理工作。

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