摘要：針對超大斷面山嶺隧道開挖方案設(shè)計進(jìn)行研究，并經(jīng)過現(xiàn)場實際施工后監(jiān)控量測及數(shù)值模擬進(jìn)行驗證。結(jié)果表明：（1）三臺階拉中槽法與三臺階七步開挖法在超前支護(hù)輔助施工前提下，完全可以適用于超大斷面隧道結(jié)構(gòu)開挖；（2）超大斷面隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)將拱頂沉降作為超大斷面山嶺隧道開挖時圍巖穩(wěn)定性判定的主要因素；（3）三臺階七步開挖法相比于三臺階拉中槽法，其拱頂沉降較大，最終累計能達(dá)到12.62mm。但是后者相比于前者工序較為繁雜，隧道建設(shè)需依據(jù)實際情況擇優(yōu)而用。

關(guān)鍵詞：超大斷面山嶺隧道；開挖工法；拱頂沉降；水平收斂；圍巖穩(wěn)定性

中圖法分類號：U452"""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）05?0262?04

Design and Research on Excavation Method of Super Large Cross Section Mountain Tunnel

YUAN Fengbin WANG Jian

（1. Beijing Jianda Road amp; Bridge Consulting Co.， Ltd.， Beijing 100195， China; 2. China Highway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100195， China; 3. Zhongzi Huake Transportation Construction Technology Co.， Ltd.， Beijing 100195， China）

Abstract： Research on the design of the excavation scheme of the super?large cross?section mountain tunnel， and verify the monitoring and measurement after the actual construction on site. The results show that： （1） The three?step stretch?in?groove method and the three?step seven?step excavation method are fully applicable to the excavation of super?large section tunnels under the premise of advanced support auxiliary construction; （2） the settlement of the arch crown should be considered as the main factor in determining the stability of the surrounding rock during the excavation of a super large cross-section mountain tunnel structure; （3） compared with the three step central groove method， the three step seven step excavation method has a larger settlement of the arch crown， and the final cumulative energy can reach 12.62mm. However， compared to the former， the latter process is more complex， and the actual tunnel construction needs to be selected based on the actual situation.

Key words： super large section mountain tunnel; excavation method; vault settlement; horizontal convergence; surrounding rock stability

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，我國公路隧道建設(shè)迎來快速發(fā)展期，隨著隧道里程在公路長度中所占比例越來越大，隧道的建設(shè)規(guī)模與結(jié)構(gòu)形式更是變得多種多樣。單車道隧道首次出現(xiàn)在歷史舞臺中，隨著時間的推移逐漸發(fā)展為雙車道隧道，之后不斷地向著三車道、四車道隧道進(jìn)發(fā)。隨之而來的是山嶺隧道開挖方法的改進(jìn)，從最初的傳統(tǒng)礦山法不斷優(yōu)化為新奧法及掘進(jìn)機法（TBM）。但是，目前現(xiàn)有的公路隧道規(guī)范及技術(shù)文件在施工開挖方法設(shè)計方面僅對雙車道隧道及三車道隧道做了明確規(guī)定及說明，而四車道超大斷面隧道施工開挖方法設(shè)計并未有規(guī)定[1?2]。因此，四車道超大斷面隧道的施工開挖方法設(shè)計尚需更加深入的研究總結(jié)。

超大斷面隧道最初出現(xiàn)在日本、韓國等地，如：日本的東名靜岡隧道，韓國的清溪隧道。而國內(nèi)關(guān)于四車道超大斷面隧道建設(shè)相關(guān)技術(shù)的研究較為遲緩。李志業(yè)等[3]以模型試驗為手段，研究了大跨度公路隧道在不同開挖方案下，隧道結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)特性。朱澤兵等[4]以工程類比分析法，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，提出了一種針對超淺埋大跨度地鐵隧道施工的方法，具體如下：上部斷面采用側(cè)壁導(dǎo)坑法，下部剩余的未開挖部分開中槽，先拱后墻并以超前大管棚作為輔助進(jìn)行施工。吳夢軍等[5]利用有限元分析并結(jié)合公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實驗系統(tǒng)，深入地分析了開挖方法不同時四車道隧道結(jié)構(gòu)的受力變形特性，認(rèn)為最安全的開挖大斷面隧道方法是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，臺階法開挖仍需討論。袁勇等[6]通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)大扁平率的超大斷面隧道采用臺階法、CD法等施工時，對圍巖擾動較大，需要采取現(xiàn)成預(yù)應(yīng)力型支護(hù)結(jié)構(gòu)。趙巖[7]深入研究了大斷面隧道施工過程中荷載釋放規(guī)律，揭示了不同施工方法開挖過程中隧道力學(xué)特性變化機理。葉勇[8]將有限元分析與監(jiān)控量測相結(jié)合，對比分析后得出，三臺階法施工也可用于大斷面隧道斷面開挖。張俊儒等[9]等綜合整理分析了國內(nèi)外四車道超大斷面隧道建設(shè)技術(shù)的發(fā)展歷程，明確指出四車道大斷面隧道施工方法、力學(xué)特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)等方面仍需要更加深入的研究。

綜上，目前關(guān)于四車道超大斷面隧道的開挖工法，大多數(shù)工程建設(shè)者認(rèn)為保守安全的CRD法更適合，但是CRD法在施工過程中繁雜的開挖、支護(hù)即拆卸工序無法避免，雖然盡可能地保證了施工安全，卻極大地犧牲了隧道工程建設(shè)效率。因此，怎么樣才能既保證安全，又能高效地進(jìn)行超大斷面隧道的施工建設(shè)，將作為隧道開挖工法設(shè)計研究的重點。

本文以道吾山特長隧道為依托工程，針對超大斷面隧道開挖工法設(shè)計進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬驗證不同工法的適用性，為類似超大斷面隧道施工方法設(shè)計提供系統(tǒng)性借鑒。

1 工程概況

道吾山特長隧道為上、下行分離式六車道一級公路隧道。

隧址圍巖巖體為強風(fēng)化砂質(zhì)板巖、中風(fēng)化砂質(zhì)板巖、微風(fēng)化砂質(zhì)板巖、強風(fēng)化花崗巖，中風(fēng)化砂質(zhì)板巖為隧道洞身段圍巖的主要組成部分，砂質(zhì)板巖地層占隧道總長的90%，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露巖體情況顯示，砂質(zhì)板巖巖質(zhì)較硬，巖體較完整。隧道緊急停車帶設(shè)計凈寬17.69m，設(shè)計凈高11.16m，扁平率為0.63，開挖斷面最大面積為163.55m²，屬于低扁平率超大斷面隧道。

在行車方向右側(cè)設(shè)置隧道緊急停車帶，有效長度40m，總長度50m。本隧道左右洞各設(shè)置5處緊急停車帶，分布于Ⅲ、Ⅳ級圍巖中。

2 超大斷面山嶺隧道開挖工法設(shè)計

基于傳統(tǒng)CRD開挖法，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取消CRD法開挖時的臨時支撐。分別選取兩個隧道斷面，將處于Ⅳ級圍巖中的緊急停車帶斷面開挖優(yōu)化為“三臺階拉中槽”法與“三臺階七步開挖”法，對比分析兩種方法的優(yōu)劣。

2.1 三臺階拉中槽法

Ⅳ級圍巖超大斷面隧道開挖前，利用上循環(huán)鋼架施作超前支護(hù)，超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管注漿輔助施工，對周圍地層預(yù)先加固。小導(dǎo)管的材料必須采用熱軋無縫鋼管加工而成，水平搭接不小于1.0m。

首先要完成為了輔助施工的超前支護(hù)，再采用弱爆破和機械施工相結(jié)合的方法進(jìn)行隧道斷面開挖。首先弱爆破分部開挖1部（上臺階 中臺階左右中槽），確保預(yù)留核心土6部。之后為了避免周圍圍巖體失穩(wěn)塌方，盡快分部施作1部周邊初期支護(hù)。

隨后滯后1部一段距離（最大不得超過1.5m），弱爆破左右交錯開挖2、3部，施作初期支護(hù)，開挖核心土6部。隨后滯后3部一段距離（最大不得超過1.5m），弱爆破左右交錯開挖4、5部，施作初期支護(hù)，開挖核心土6部。

待上述工序完成后，立即開挖7部，及時封閉初期支護(hù)，使初期支護(hù)封閉成環(huán)，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最后施作Ⅷ部仰拱及隧道填充，并敷設(shè)防水板，采用模板臺車全斷面一次模筑Ⅺ部二次襯砌混凝土。三臺階拉中槽開挖工序圖如圖2所示。

2.2 三臺階七步開挖法

首先上部弧形導(dǎo)坑開挖：施作隧道拱部需要提前施工的超前支護(hù)，完成后需要將整個環(huán)向的上部弧形導(dǎo)坑開挖成形，預(yù)留出隧道掌子面核心土，其長度宜為3～5m，寬度宜為隧道開挖寬度的1/3～1/2。初次襯砌的鋼拱架間距十分關(guān)鍵，應(yīng)以此確定隧道掌子面每次爆破開挖長度，但是1.5m是上限，不可超越。另一方面隧道圍巖開挖后必須盡快施作初支混凝土，厚度為3～5cm。同時上臺階開挖的矢跨比以0.3為最小界限，圍巖體爆破后立即施作初支結(jié)構(gòu)，并在距離初支鋼架拱腳為30cm的位置，緊貼鋼架兩邊焊接布設(shè)向下傾角30°的鎖腳錨桿，之后再次施作噴射混凝土至設(shè)計厚度。

隨后左右側(cè)中臺階開挖：中臺階開挖時初次襯砌的鋼拱架間距依舊十分關(guān)鍵，仍需以此確定隧道掌子面每次爆破開挖長度，但是1.5m是上限，不可超越。應(yīng)保證3～3.5m的爆破開挖高度，并且要錯開2～3m的距離分別進(jìn)行兩邊的臺階開挖，圍巖體爆破后立即施作初支結(jié)構(gòu)，并在距離初支鋼架拱腳為30cm的位置，緊貼鋼架兩邊焊接布設(shè)向下傾角30°的鎖腳錨桿，之后再次施作噴射混凝土至設(shè)計厚度。

最后進(jìn)行隧底開挖：上中下臺階預(yù)留核心土，待到上中下臺階都各自開挖和支護(hù)完成后，進(jìn)行仰拱隧底開挖，每次爆破開挖進(jìn)尺長度控制在2～3m，隨后需要盡快完成仰拱的初支結(jié)構(gòu)以及仰拱回填等施工步驟，需要注意的是應(yīng)保證4～6m的仰拱分段長度。三臺階七步開挖工序圖如圖3所示。

3 監(jiān)控量測結(jié)果與分析

采用三臺階拉中槽法與三臺階七步法開挖超大斷面隧道，在拱頂及拱部左右兩側(cè)布設(shè)測點，開挖過程中對已施作結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，并對比三臺階拉中槽法與三臺階七步法在超大斷面隧道開挖過程中的優(yōu)劣性。

3.1 三臺階拉中槽法開挖下圍巖變形

三臺階拉中槽法開挖下超大斷面隧道圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂變化曲線圖如圖4所示。

從圖4可看出：采用三臺階拉中槽分步開挖時，開挖1部拱頂 中槽后，拱頂沉降及收斂均開始增加，且開挖前7天內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)變形變化速率較快[10?11]，拱頂沉降與水平收斂變形值極為接近，均達(dá)到了6mm。隨著后續(xù)的部分不斷開挖，以及初期支護(hù)的進(jìn)一步加固隧道結(jié)構(gòu)，拱頂沉降及水平收斂變化趨于穩(wěn)定，但是拱頂沉降累計變化值大于水平收斂累計值，兩者趨于穩(wěn)定時相差約1mm。

3.2 三臺階七步法開挖下圍巖變形

三臺階七步法開挖下超大斷面隧道圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂變化曲線圖如圖5所示。

分析圖5可看出：采用三臺階七步法開挖時，開挖上部弧形導(dǎo)坑后，拱頂沉降及收斂均開始增加，且開挖前7天內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)變形變化速率較快。隨著后續(xù)部分的開挖，初期支護(hù)的加固，拱頂沉降及水平收斂變化趨于穩(wěn)定，但是整個開挖過程中拱頂沉降累計變化值均遠(yuǎn)大于水平收斂累計值，兩者趨于穩(wěn)定時相差約4mm。

3.3 對比分析

經(jīng)過上述監(jiān)控量測分析，三臺階拉中槽法與三臺階七步開挖法均在前7天變形急劇增大，處于急劇變形階段，隨著后續(xù)部分的開挖，初期支護(hù)的加固，拱頂沉降及水平收斂變化趨于穩(wěn)定。這說明三臺階拉中槽法與三臺階七步開挖法在超前支護(hù)輔助施工前提下，完全可以適用于超大斷面隧道結(jié)構(gòu)開挖。

但是兩種施工方法在整個開挖過程中拱頂沉降累計變化值均大于水平收斂累計值。這說明對于超大斷面隧道結(jié)構(gòu)來說，上部的導(dǎo)坑或中槽的圍巖開挖后圍巖體在自重應(yīng)力場作用下逐漸沖著隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生形變，致使隧道結(jié)構(gòu)側(cè)部圍巖向外擠壓。因此，將拱頂沉降作為超大斷面山嶺隧道開挖時圍巖穩(wěn)定性判定的主要因素是十分必要的。

不同之處在于，三臺階七步開挖法相比于三臺階拉中槽法，其上部弧形導(dǎo)坑開挖范圍較大，導(dǎo)致其拱頂沉降較大，最終累計能達(dá)到12.62mm。但是三臺階拉中槽法上臺階中槽開挖斷面小，其工作面小，相比于三臺階七步開挖法工序較為繁雜。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

結(jié)合道吾山特長隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對超大斷面砂質(zhì)板巖隧道不同施工工法下變形時空效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

4.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，建立40m×40m×60m（長×寬×高）的三維有限元模型。數(shù)值模擬中圍巖材料采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，滿足Drucker?Prager屈服準(zhǔn)則。邊界條件的設(shè)置按照現(xiàn)場實際情況去施加，本次模擬邊界條件的設(shè)置為：模型的側(cè)面為外法向的滑動支座，相當(dāng)于水平方向的位移約束，豎向不受約束；模型底部設(shè)置豎向的滑動支座和水平滑動支座，也就是豎向位移和水平位移同時約束；模型的頂面為自由邊界。

有限元計算模型中，隧道襯砌以及各巖土層的計算參數(shù)依據(jù)地勘資料進(jìn)行取值。

4.2 結(jié)果分析

針對不同開挖工法下超大斷面隧道拱頂沉降進(jìn)行對比分析，得出超大斷面隧道最優(yōu)開挖工法。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，三臺階拉中槽開挖法施工下拱頂沉降最終累計約21mm，三臺階七步開挖法施工下拱頂沉降最終累計約18mm，最終趨于穩(wěn)定，均滿足隧道設(shè)計施工要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合道吾山特長隧道緊急停車帶斷面施工情況，針對超大斷面山嶺隧道開挖方案設(shè)計進(jìn)行研究，并經(jīng)過現(xiàn)場實際施工后監(jiān)控量測及數(shù)值模擬進(jìn)行驗證，主要結(jié)論及工程建議如下：

（１）三臺階拉中槽法與三臺階七步開挖法在超前支護(hù)輔助施工前提下，完全可以適用于超大斷面隧道結(jié)構(gòu)開挖。

（２）超大斷面隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)將拱頂沉降作為其爆破開挖時圍巖穩(wěn)定性判定的主要因素。

（３）三臺階七步開挖法相比于三臺階拉中槽法，其拱頂沉降較大，最終累計能達(dá)到12.62mm。但是后者相比于前者工序較為繁雜，隧道建設(shè)需依據(jù)實際情況擇優(yōu)而用。

（４）建議其他類似隧道工程實踐驗證三臺階拉中槽法與三臺階七步開挖法，進(jìn)一步優(yōu)化完善。

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