王仁杰，劉志強，楊錦程

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

對于斷面面積超過300 m2的大跨度隧道目前國內尚未形成統(tǒng)一的設計與施工標準。對大跨度隧道的研究以三、四車道公路隧道[1-3]、地鐵區(qū)間與車站隧道[4]為主，主要探究大跨度斷面圍巖壓力、結構內力與跨度的關系以及對施工方法、支護結構的優(yōu)化[5]。國內外專家學者在施工方法和支護參數(shù)上做了很多嘗試。謝旭強等[6]通過對某大跨隧道雙側壁導坑法施工進行彈塑性數(shù)值模擬，證明雙側壁導坑法有利于控制圍巖的變形；譚忠盛等[7]通過現(xiàn)場試驗，對大跨度隧道支護體系進行了優(yōu)化；甘騰飛等[8]通過對不同工法進行數(shù)值模擬，得出雙側壁導坑法控制變形的效果優(yōu)于CRD法。蘭渝鐵路新城子隧道在擠壓性圍巖環(huán)境下調整了雙側壁導坑法的開挖順序，致使施工中出現(xiàn)了大變形。本文分析不同開挖順序下隧道變形和襯砌結構受力。

1 工程概況

蘭渝鐵路新城子隧道位于甘肅省宕昌縣境內，全長 9 166 m，最大埋深749 m[9]。該隧道地處青藏歹字型構造體系之疏勒南山—日月山—尖扎山斷褶帶，山高溝深。隧道起止里程為DK268+010—DK277+176。其中DK275+720—DK275+815段為單洞雙線段與雙洞單線段的過渡區(qū)段，開挖跨度為21.06～22.66 m，開挖面積最大達到358 m2，屬于大跨度隧道。

該大跨段位于高地應力區(qū)，洞身最大水平主應力為11.45～21.28 MPa，最小水平主應力為6.81～12.14 MPa，最大水平主應力方向與隧道軸線方向近似平行。掌子面出露的三疊系炭質板巖呈薄層碎片狀，傾角陡，走向與隧道軸線大致平行，巖體強度極低。

2 施工情況

該大跨段自大里程向小里程方向采用雙側壁導坑法開挖。其中：DK275+815—DK275+770段作為工法過渡段，分層依次開挖導洞1，3，5，2，4，6，7，8，9(見圖1)，開挖跨度達22.66 m；DK275+770—DK275+720段按常規(guī)順序依次開挖導洞1～9，開挖跨度為21.06 m，開挖面積為291.79 m2。隧道大跨段平面示意如圖2。

圖1 大跨段施工方法設計

圖2 隧道大跨段平面示意(單位：cm)

該大跨段采用雙層初期支護，開挖預留變形量40 cm，初噴30 cm厚C25混凝土，拱墻設置φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；全環(huán)設格柵鋼架或型鋼鋼架，間距為0.6 m/榀，鋼架接頭處設R38N自進式錨桿進行鎖腳，長8 m,共計14根。拱部設φ42超前小導管并預注水泥漿，小導管長4.0 m，環(huán)向間距30 cm，縱向間距1.2 m[10]。

DK275+815—DK275+770段具體施工步驟：①在超前支護的保護下，進行左上側導洞1的開挖，開挖進尺為2.8 m，及時施作初期支護和臨時支撐，使導洞封閉成環(huán)，施作錨索并張拉。②開挖導洞3，及時施作初期支護和錨索，完成張拉。③開挖導洞5，及時施作初期支護和錨索，完成張拉。至此導洞1，3，5封閉成環(huán)。④開挖導洞2，及時施作初期支護和錨索，完成張拉。⑤開挖導洞4，及時施作初期支護和錨索，完成張拉。至此所有錨索施作完畢。⑥依次開挖導洞6，7，8，9，每步開挖完成后均及時施作初期支護，待全環(huán)開挖完成之后施作二次支護，隧道成洞8～10 m時逐榀拆除臨時支撐，施作襯砌。該施工方法簡稱工況1。

DK275+770—DK275+720段依次開挖導洞1至導洞9，并在每步開挖完成后及時施作初期支護，該施工方法簡稱工況2。可以看出，2種工況的區(qū)別在于前5步的開挖順序不同。

3 現(xiàn)場測試結果

施工過程中在DK275+815—DK275+770段每隔5 m 對拱頂沉降和水平收斂進行監(jiān)測，并分別對斷面DK275+784(工況1)、DK275+759(工況2)的襯砌受力進行測試。

3.1 初期支護變形

2種工況初期支護變形對比見表1。

表1 2種工況初期支護變形對比

由表1可以看出:工況2相比工況1拱頂沉降減小了31.3%，水平收斂減小了23.4%。

3.2 襯砌受力

對斷面DK275+784和DK275+759各項測試受力最大值和最大月增速進行統(tǒng)計，分別列于表2、表3。

表2 襯砌各項應力最大值

表3 襯砌各項應力最大月增速

由表2、表3可見：工況2襯砌各項應力最大值均明顯小于工況1，其中鋼筋應力和混凝土應力分別減小了53%和30%。工況2襯砌各項應力的最大月增速也明顯小于工況1。其中鋼筋應力和混凝土應力最大月增速分別減小了77%和80%。

4 數(shù)值計算

由于現(xiàn)場測試位于不同斷面，為排除斷面面積不同造成的影響，采用數(shù)值模擬方法采取相同的參數(shù)，分析雙側壁導坑法在2種不同開挖順序時隧道變形和襯砌受力。

4.1 模擬工況

采用FLAC 3D有限元分析軟件進行模擬。初期支護采用實體單元。為了簡化計算，取單層支護厚度為60 cm，臨時側壁和臨時仰拱厚度均取40 cm。初期支護和臨時側壁的彈性模量E、泊松比ν通過變形量測數(shù)據(jù)由位移反分析得出。初期支護E1=0.3 GPa，ν1=0.25;臨時側壁E2=0.5 GPa，ν2=0.25。巖體強度由大剪試驗給出[11]，黏聚力為0.18 MPa，內摩擦角為24.7°，埋深取540 m。計算模型和網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 計算模型和網(wǎng)格劃分

4.2 計算結果與分析

4.2.1 初期支護變形

隧道初期支護最終變形見表4?？梢钥闯觯汗r2相比工況1拱頂沉降、水平收斂分別減小了28.9%和12.0%，但即便如此，擠壓性圍巖隧道變形絕對值仍然是巨大的。工況2水平收斂超過 1 000 mm，與現(xiàn)場實測的邊墻巨大侵限相吻合，施工中應重點監(jiān)控防護。

表4 隧道初期支護最終變形

為了更好地分析隧道變形過程，計算中對監(jiān)測點在每一開挖步的變形量進行了記錄，結果見圖4。

圖4 初期支護分步變形

由圖4可見：工況1在導洞5開挖后拱頂沉降迅速增大，單步變形量達到258 mm，占開挖后總變形量的40.5%。這是因為此時導洞1，3，5雖有臨時支撐相隔，但實際已貫通形成扁平洞室，不利于結構受力；水平收斂雖然從第4步(開挖導洞2)才開始計算，但其變形量并未因導洞2開挖的延遲而減小，而在導洞2、導洞4開挖后水平收斂迅速增大，超過工況2達到 1 208.7 mm。

工況2變形雖然小于工況1，但水平收斂在導洞2，4開挖后均不同程度突增。這是因為導洞1，2與導洞3，4分別形成橢圓形洞室結構不利于受力，與工況1出現(xiàn)扁平洞室時拱頂沉降增大相佐證。

4.2.2 二次襯砌受力

2種工況二次襯砌全環(huán)平均軸力對比見表5。襯砌軸力分布見圖5。

表5 2種工況二次襯砌全環(huán)平均軸力對比

圖5 襯砌軸力分布

由表5和圖5可見：工況2隧道各部位襯砌軸力均小于工況1，全環(huán)平均軸力工況2比工況1減小了37.8%，2種工況最大軸力工況2比工況1減小了35.1%，且最大值均出現(xiàn)在仰拱，與現(xiàn)場實測相吻合。工況2在不同部位襯砌軸力的最大值與最小值之差為 2 116 kN，小于工況1的 2 619 kN，受力相對均勻。

5 結論

1)實測數(shù)據(jù)顯示：工況2在斷面面積比工況1小18.49%的情況下，其初期支護變形平均減小了23.4%～31.3%。在相同斷面面積下進行數(shù)值計算，得出工況2在控制變形方面優(yōu)于工況1，隧道初期支護最終變形減小了12.0%～28.9%。

2)實測數(shù)據(jù)顯示：工況2比工況1襯砌接觸壓力、鋼筋應力、混凝土應力分別減小了56%，53%，30%，最大月增速分別減小了32%，77%，80%。數(shù)值模擬結果表明：工況2比工況1二次襯砌全環(huán)平均軸力減小了37.8%，兩工況軸力最大值均出現(xiàn)在仰拱。

3)在擠壓性圍巖中施工，為防止變形過大應盡可能避免扁平洞室出現(xiàn)，如無法避免必須率先開挖導洞1，3，5，可在導洞5施作臨時豎向支撐以抵抗變形。

4)在施工工法一定的情況下，隧道邊墻水平收斂均大于拱頂沉降。即使采用變形較小的工況2開挖，水平收斂絕對值依然超過800 mm。施工中應注意初期支護侵限變形，必要時可加強臨時支護。

[1]閆明超,曾鵬,何知思,等.超大斷面隧道變截面段施工技術研究[J].鐵道建筑,2015,55(7):43-45.

[2]喻渝,趙東平,曾滿元,等.客運專線超大斷面隧道施工過程三維力學分析[J].現(xiàn)代隧道技術,2005,42(4):20-24.

[3]周丁恒,曲海鋒,蔡永昌,等.特大斷面大跨度隧道圍巖變形的現(xiàn)場試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28(9):1773-1782.

[4]李文江,賈曉云,劉志春.地鐵區(qū)間大斷面隧道施工力學行為研究[J].地下空間與工程學報,2007，3(1):40-43.

[5]張新亮.大斷面隧道CD法施工圍巖應力行為研究[D].成都：西南交通大學,2008.

[6]謝旭強,王玉富.大跨隧道雙側壁導坑法施工力學行為研究[J].北方交通,2008,31(7):146-149.

[7]譚忠盛,孟德鑫,石新棟,等.大跨小間距黃土隧道支護體系及施工方法研究[J].中國公路學報,2015,28(11):82-89.

[8]甘騰飛,黃世政,崔青玉.大斷面地鐵渡線隧道開挖工法優(yōu)化研究[J].路基工程,2016,34(3):191-196.

[9]汪偉.高地應力軟巖隧道連拱大跨段施工技術[J].鐵道建筑技術,2014,31(增1):148-151，179.

[10]胡小銀.高地應力軟巖隧道大跨連拱過渡段施工技術研究[J].鐵道建筑技術,2017,34(5):64-67，72.

[11]甘肅環(huán)通工程試驗檢測有限公司.蘭渝鐵路炭質軟弱圍巖巖石物理力學參數(shù)測定方法研究報告[R].蘭州:甘肅環(huán)通工程試驗檢測有限公司,2009.