摘要 為解決我國(guó)交通運(yùn)輸量激增導(dǎo)致原兩車(chē)道高速公路運(yùn)力不足問(wèn)題，滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略需求，超大跨隧道工程數(shù)量逐漸增多。由于超大跨隧道工程案例較少，新建工程施工可以參考的施工經(jīng)驗(yàn)匱乏。文章針對(duì)某超大跨隧道工程斷面特征及圍巖穩(wěn)定性，分析了隧道施工面臨的難題并提出了解決途徑，采用工程類(lèi)比法確定隧道施工方案。為驗(yàn)證施工方案的可行性，采用FLAC3D軟件建立三維計(jì)算模型對(duì)隧道施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道變形、支護(hù)應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)分布特征等的分析結(jié)果表明，所采用的施工方案能保證隧道施工安全。隧道施工過(guò)程中拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證明所選施工方案的可行性。

關(guān)鍵詞 超大跨隧道；施工技術(shù)；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0123-03

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，交通體系的不斷完善，原來(lái)兩車(chē)道公路的運(yùn)力已不能滿足交通運(yùn)輸量快速增長(zhǎng)的需求，因而近些年來(lái)三車(chē)道、四車(chē)道的高速公路隧道建設(shè)數(shù)量逐漸增加，此類(lèi)隧道的開(kāi)挖跨度一般在20～26 m^[1-4]。另外，國(guó)家促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略建設(shè)的需求，使得超大跨甚至巨跨隧道工程不斷投入建設(shè)，如已經(jīng)建成通車(chē)的最大開(kāi)挖達(dá)32.7 m的京張高鐵八達(dá)嶺地下車(chē)站。廈門(mén)蘆澳路—海滄疏港通道2#分岔段為單跨5車(chē)道公路隧道，最大開(kāi)挖跨度30.46 m。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于隧道跨度的統(tǒng)一劃分尚缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，該文參考劉永勝等^[5]提出的隧道跨度劃分標(biāo)準(zhǔn)：小于15 m為常規(guī)跨度，15～25 m為大跨，25～50 m為超大跨，50 m以上為巨跨。該文以開(kāi)挖跨度33.5 m、開(kāi)挖高度17.5 m的某項(xiàng)目隧道工程為依托，對(duì)超大跨隧道施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

某項(xiàng)目的超大跨度隧道工程地處干旱山區(qū)，屬典型大陸性暖溫帶荒漠氣候，無(wú)霜期可達(dá)219 d，年平均氣溫為15.3 ℃，年平均降水量?jī)H有8.7 mm，年均風(fēng)速8 m/s。工程區(qū)屬于高山地帶，地勢(shì)總體南高北低，海拔1 000～1 800 m，區(qū)內(nèi)溝深坡陡，地形起伏相對(duì)較大，植被稀疏，地形地貌特征復(fù)雜。隧道穿越圍巖主要為微～弱風(fēng)化花崗巖，巖體較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，圍巖級(jí)別主要為Ⅲ級(jí)，巖石強(qiáng)度最大達(dá)116 MPa。隧道最大埋深380 m，未穿越斷裂帶。

該工程項(xiàng)目由一系列不同斷面形式的隧道組成。其中隧道A的斷面開(kāi)挖跨度33.5 m，開(kāi)挖高度17.5 m，長(zhǎng)度43 m，斷面開(kāi)挖面積435.5 m2，斷面矢跨比為0.328。按照前述隧道跨度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，該隧道屬于超大跨隧道斷面。拱部及邊墻初期支護(hù)為厚度為25 cm的雙層φ8網(wǎng)噴混凝土（鋼筋網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm），噴混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，底板噴混凝土層厚15 cm。直徑φ25的中空注漿錨桿，長(zhǎng)度分別為6 m和9 m，間距1.2 m，呈梅花形布置。二次襯砌為C40鋼筋混凝土，拱部及兩側(cè)邊墻處厚度為1.5 m，底板厚度為0.2 m。

2 隧道施工難點(diǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施

2.1 超大跨隧道施工指導(dǎo)理論匱乏

新奧法在大量的常規(guī)跨度巖質(zhì)隧道施工中起到了巨大的指導(dǎo)作用。新奧法的核心要義是充分發(fā)揮和利用圍巖本身的自穩(wěn)能力，控制圍巖的損傷，隧道開(kāi)挖后允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，以便減小地層作用在支護(hù)上的圍巖壓力。因而新奧法的主要支護(hù)措施是柔性的錨噴網(wǎng)支護(hù)，此類(lèi)支護(hù)屬于圍巖的表層面支護(hù)，靠圍巖進(jìn)一步的變形被動(dòng)產(chǎn)生抗力，從而約束圍巖的進(jìn)一步變形，以防止圍巖出現(xiàn)過(guò)大范圍的塑性區(qū)，從而形成圍巖松動(dòng)區(qū)。而對(duì)于超大跨或巨跨隧道來(lái)說(shuō)，若仍簡(jiǎn)單地遵循新奧法原理，讓圍巖釋放一定的變形，那么必然要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具備巨大剛度才能滿足圍巖和結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形。但是，對(duì)于超大跨度隧道工程，目前的支護(hù)手段很難提供如此巨大剛度的抗力。

開(kāi)挖后隧道周邊圍巖由三維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，要使其快速回到三維應(yīng)力狀態(tài)，以變形為前提的被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)手段不能奏效，及時(shí)地利用預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索對(duì)圍巖進(jìn)行加固，使隧道周邊圍巖的壓力拱不向圍巖深部轉(zhuǎn)移，則可能有效控制圍巖力學(xué)性能的劣化，避免隧道圍巖失穩(wěn)。

2.2 多次爆破引起圍巖損傷嚴(yán)重

由于隧道斷面開(kāi)挖面積大，該隧道A斷面開(kāi)挖面積更是達(dá)到435.5 m2，因而必須采用多分塊的爆破開(kāi)挖方法。分塊多、爆破次數(shù)多，多次爆破開(kāi)挖引起圍巖振動(dòng)及應(yīng)力調(diào)整而出現(xiàn)圍巖較大損傷度，使圍巖的力學(xué)性能劣化，從而降低圍巖的穩(wěn)定性。為此，可采取數(shù)碼雷管控制爆破技術(shù)，對(duì)爆破時(shí)刻進(jìn)行精準(zhǔn)控制，一方面可以使爆破后的斷面輪廓圓順，另一方面還可以有效控制圍巖的超欠挖和降低圍巖的爆破損傷度。

2.3 隧道斷面分塊開(kāi)挖順序難以確定

對(duì)于超大跨或巨跨隧道工程來(lái)說(shuō)，由于工程案例較少，設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)匱乏，能夠借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)較少。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于超大跨隧道的開(kāi)挖，主要有兩種方法：一是先在斷面一側(cè)或兩側(cè)開(kāi)挖導(dǎo)洞，然后再對(duì)斷面中部圍巖采用跳挖方式進(jìn)行施工；另一種方法就是直接把斷面劃分成若干分區(qū)，按照一定的順序進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)，一般多從斷面中部開(kāi)始開(kāi)挖，然后進(jìn)行兩側(cè)部分開(kāi)挖。

在隧道A正式施工之前，在斷面左側(cè)已經(jīng)形成了一個(gè)寬5.3 m，高9.6 m的貫通導(dǎo)洞，為隧道后續(xù)開(kāi)挖施工提供了便利條件。參考既有超大跨或巨跨隧道開(kāi)挖施工經(jīng)驗(yàn)，遵循“先上后下，先中部后兩側(cè)，快挖快支，控制松動(dòng)”的原則，綜合上述兩種開(kāi)挖方法，確定斷面開(kāi)挖順序（如圖1所示）。為了驗(yàn)證此開(kāi)挖方案的安全性，采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型，對(duì)施工過(guò)程的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 隧道開(kāi)挖施工過(guò)程的數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型的建立

將隧道圍巖視為各向同性的、均勻的連續(xù)介質(zhì)。隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程的力學(xué)分析采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，利用大型商業(yè)差分軟件FLAC3D建模?？紤]隧道施工力學(xué)模型的尺寸有限，因而將隧道分析模型頂面以上巖體的重力作用視為由其產(chǎn)生均布的豎向力，并作用在模型上表面。

假設(shè)圍巖為彈塑性材料，服從Mohr-Coulumb屈服準(zhǔn)則。計(jì)算模型寬170 m，高128 m，縱向長(zhǎng)度43.2 m，模型中隧道拱頂?shù)侥Ｐ蜕媳砻娴木嚯x為60 m，模型上表面施加7.2 MPa的面力來(lái)模擬上方圍巖的自重作用。圍巖采用六面體等參數(shù)實(shí)體單元模擬，C25噴混凝土層采用彈性的二維殼單元（shell）模擬，錨桿采用一維結(jié)構(gòu)桿單元（cable）模擬。模型中共劃分了157 680個(gè)實(shí)體單元，166 315個(gè)節(jié)點(diǎn)，31 068個(gè)結(jié)構(gòu)單元。該次力學(xué)分析是基于隧道開(kāi)挖實(shí)現(xiàn)光面爆破效果之上，隧道周邊圍巖受爆破影響后的力學(xué)性能劣化被有效控制。

3.2 模擬施工過(guò)程

模型中隧道斷面的每一分部的單次開(kāi)挖進(jìn)尺均為3.6 m。計(jì)算模擬隧道施工過(guò)程如下：先開(kāi)挖并支護(hù)斷面左側(cè)平導(dǎo)，直至平導(dǎo)貫通—開(kāi)挖并支護(hù)斷面上部中部—開(kāi)挖并支護(hù)斷面上部右側(cè)—開(kāi)挖并支護(hù)斷面上部左側(cè)—開(kāi)挖并支護(hù)斷面下部右側(cè)—開(kāi)挖并支護(hù)斷面下部左側(cè)—開(kāi)挖并支護(hù)斷面下部中部—開(kāi)挖并支護(hù)斷面下部右側(cè)。每部的支護(hù)施作滯后本部一個(gè)開(kāi)挖步（即3.6 m），以模擬開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力釋放現(xiàn)象。每一分部的開(kāi)挖面超前下一部開(kāi)挖面3個(gè)掘進(jìn)進(jìn)尺，即10.8 m。隧道斷面每一部開(kāi)挖后的初期支護(hù)包括噴混凝土和打設(shè)錨桿。平導(dǎo)施工模擬共13個(gè)計(jì)算步，正洞施工模擬共31個(gè)計(jì)算步。

3.3 計(jì)算參數(shù)確定

隧道圍巖為微風(fēng)化～弱風(fēng)化花崗巖，圍巖級(jí)別劃分為Ⅲ級(jí)，噴混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25，參考中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）對(duì)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)取值，噴混凝土及錨桿的參數(shù)取值主要參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2016）取值。圍巖及噴混凝土層的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

錨桿桿體彈模200 GPa，錨桿直徑φ25，注漿體直徑φ42，注漿體黏聚力400 kPa，內(nèi)摩擦角30 °。隧道變形及受力分析針對(duì)模型中部斷面進(jìn)行。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1 變形分析

在平導(dǎo)施工階段，僅左側(cè)墻中水平位移處于顯著增大態(tài)勢(shì)，但總的量值均較小，由于此階段其他各測(cè)點(diǎn)均有圍巖支撐，所以其他各點(diǎn)位移均很小，拱頂沉降為0.78 mm。隨著正洞各部的相繼開(kāi)挖施工，各點(diǎn)處位移開(kāi)始趨于增大，除了拱頂沉降變化顯著外，其他各點(diǎn)的水平位移均較小。施工完成后拱頂沉降最大值為30 mm。拱部豎向位移較大，拱頂處最大，為30 mm，豎向位移分布近似對(duì)稱(chēng)；水平位移最大值出現(xiàn)在隧道左側(cè)墻中部位，位移值為3.9 mm，斷面左側(cè)水平位移大于右側(cè)水平位移。

3.4.2 噴混凝土層應(yīng)力

平導(dǎo)及正洞施工完成后，隧道拱部及邊墻處噴混凝土層最大應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)拱腰部位和左側(cè)拱腰靠近拱頂側(cè)部位，最大應(yīng)力為3.59 MPa，由于噴混凝土層中鋼筋網(wǎng)的存在及鋼筋彈模遠(yuǎn)大于噴混凝土的彈模，因而噴層在承受拉應(yīng)力時(shí)首先由鋼筋承擔(dān)，然后再轉(zhuǎn)移給混凝土噴層，但在施工過(guò)程中應(yīng)注意觀察噴混凝土層是否出現(xiàn)裂紋，如果出現(xiàn)裂紋，則需進(jìn)一步監(jiān)測(cè)其擴(kuò)展情況，必要時(shí)采取初支補(bǔ)強(qiáng)措施。

3.4.3 錨桿應(yīng)力

平導(dǎo)及正洞施工完成后，錨桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)高邊墻中部錨桿，最大應(yīng)力為287 MPa，錨桿材料為HRB400，其屈服強(qiáng)度為400 MPa，抗拉極限強(qiáng)度540 MPa。由此可知，錨桿的受力是安全的。

3.4.4 圍巖塑性區(qū)

平導(dǎo)及正洞施工完成后，圍巖塑性區(qū)分布特征呈蝴蝶狀，塑性區(qū)主要分布在兩側(cè)拱腰和底板以下靠近兩側(cè)邊墻處，拱部塑性區(qū)的大小直接影響隧道的穩(wěn)定性，而底板以下塑性區(qū)大小對(duì)隧道穩(wěn)定性影響較小。由于斷面形狀及施工的非對(duì)稱(chēng)性，斷面右側(cè)塑性區(qū)面積略大于左側(cè)，底板以下右側(cè)塑性區(qū)明顯大于左側(cè)。拱部?jī)蓚?cè)拱腰塑性區(qū)深度近12 m，兩側(cè)邊墻圍巖塑性區(qū)厚度僅有2.9 m。在隧道開(kāi)挖后，應(yīng)及時(shí)施作長(zhǎng)錨桿，以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的緊固作用。

4 監(jiān)控量測(cè)及分析

隧道施工過(guò)程中在K0+467布置監(jiān)測(cè)斷面，主要對(duì)隧道拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在拱部①部開(kāi)挖后，拱頂早期沉降快速增長(zhǎng)，隨后趨緩；隨著②、③部的相繼開(kāi)挖，拱頂沉降又有小幅度的快速增長(zhǎng)，隨后其他部位的相繼開(kāi)挖施工過(guò)程中，拱頂沉降緩慢增長(zhǎng)。由于圍巖穩(wěn)定性較好，因而拱頂沉降很快趨于穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)于拱部①部、右側(cè)②部及左側(cè)③部的相繼開(kāi)挖，拱頂沉降速率均出現(xiàn)峰值，其中拱部①部開(kāi)挖后的增速最大。隧道穩(wěn)定后實(shí)測(cè)拱頂沉降值21.4 mm，小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果的30 mm，其主要原因是在安裝測(cè)點(diǎn)后開(kāi)始量測(cè)時(shí)，拱頂已經(jīng)發(fā)生了一部分彈性位移。若考慮監(jiān)測(cè)前拱頂沉降的丟失位移，則實(shí)測(cè)拱頂沉降值與模型計(jì)算值就會(huì)比較接近。

5 結(jié)語(yǔ)

某超大跨隧道工程開(kāi)挖跨度33.5 m，開(kāi)挖面積達(dá)到435.5 m2，穿越圍巖巖性主要為中風(fēng)化～弱風(fēng)化花崗巖，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)。針對(duì)隧道斷面形狀、跨度大小及圍巖的穩(wěn)定特性，對(duì)隧道施工技術(shù)進(jìn)行研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）針對(duì)隧道斷面及圍巖穩(wěn)定特性，分析了隧道施工所面臨的難題，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)技術(shù)措施。

（2）基于工程類(lèi)比法確定了隧道斷面的開(kāi)挖分部及開(kāi)挖順序。通過(guò)三維數(shù)值模擬方法分析了隧道施工過(guò)程中的隧道變形、支護(hù)受力及圍巖塑性區(qū)分布特征，計(jì)算結(jié)果表明所采用的施工方法能夠保證施工安全。

（3）隧道施工過(guò)程中拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，拱部開(kāi)挖工序?qū)绊敵两涤绊戯@著，相應(yīng)的沉降速率也較大。拱頂沉降實(shí)測(cè)值為21.4 mm，小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果值30 mm。考慮監(jiān)測(cè)實(shí)施之前拱頂沉降的丟失位移，拱頂沉降監(jiān)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果還是比較接近的。

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收稿日期：2024-01-18

作者簡(jiǎn)介：程?hào)|賀（1988—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程隧道開(kāi)挖及支護(hù)。