方毓澄，尹道林

（1 廣東省高速公路有限公司，廣東廣州 510623；2 中鐵十一局集團第四工程有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

中國自21 世紀初開始興建四車道及以上的公路隧道，經(jīng)過近二十年的演進，我國的四車道公路隧道建設(shè)已步入長隧道時代[1]。然而，在國內(nèi)大多數(shù)大斷面四車道隧道的施工中，仍然使用的傳統(tǒng)方法，如CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等小斷面多分步開挖工藝。

李合銀等[2]采用數(shù)值模擬對超大跨度公路隧道IV 級圍巖采用CD 法、上臺階CD 法和三臺階七步開挖法施工的隧道變形和支護結(jié)構(gòu)受力情況進行分析，通過開展現(xiàn)場試驗分析施工方法的可行性。燕新等[3]基于烏魯木齊西山隧道對單洞四車道在CRD 開挖工法下的支護結(jié)構(gòu)進行了分析。陳國政等[4]深入分析了三臺階七步開挖法實際應(yīng)用過程中在超大斷面扁平結(jié)構(gòu)Ⅳ級圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)中高效施工的優(yōu)勢。李建軍等[5]針對特大斷面隧道，通過對掌子面圍巖深入分析，結(jié)合現(xiàn)場工法的改進，首次提出將雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法變更為部分直CD 導(dǎo)坑法。王辛堂等[6]分析了大斷面隧道的開挖及支護施工技術(shù)，對隧道建設(shè)中面臨的復(fù)雜地質(zhì)條件和嚴格施工要求進行了深入剖析，提出了詳細的解決措施。袁楓斌等[7]針對超大斷面山嶺隧道開挖方案設(shè)計進行研究，并經(jīng)過現(xiàn)場實際施工后監(jiān)控量測及數(shù)值模擬進行驗證。牛富生等[8]為研究交叉中隔墻法（CRD）在淺埋大跨雙洞隧道Ⅴ級圍巖條件下的適應(yīng)性，采用ANSYS 開展了洞室開挖各施工工序下“圍巖-支護”系統(tǒng)的動態(tài)施工力學(xué)行為研究。劉夏冰等[9]綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，研究Ⅴ級圍巖在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖下的初期支護體系力學(xué)特性，推導(dǎo)出考慮導(dǎo)坑掌子面三維開挖影響的圍巖壓力計算方法。由上述研究可知，目前國內(nèi)外對于雙洞八車道公路隧道開挖的施工工法研究較少，尤其是結(jié)合機械化進行開挖。傳統(tǒng)的單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工設(shè)計和開挖輪廓并不利于機械化設(shè)備的連續(xù)作業(yè)[10]，施工步序多，施工效率低，目前隧道機械化[11-17]施工普遍采用全斷面法來進行圍巖開挖，其次采用臺階法。

基于此，本文針對雙洞八車道超大跨度公路隧道機械化單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)進行了研究，論述了機械化單側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工原理及施工工藝流程，并通過數(shù)值模擬驗算開挖過程中各工序的安全性，最后通過現(xiàn)場監(jiān)控量測驗證了其合理性，可為相關(guān)工程提供參考與指導(dǎo)。

1 工程概況

城仔山超大跨度公路隧道起于汕尾市海豐縣梅龍鎮(zhèn)進口，止于深汕合作區(qū)赤石鎮(zhèn)出口。該隧道采用雙洞八車道分離式設(shè)計，左線隧道的起止里程為ZK52+289 至ZK54+616，全長2 327 m；右線隧道的起止里程為K52+322 至K54+693，總長2 371 m。隧道主要穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，占比分別為48%、25%、27%。隧道的最大開挖寬度為22.6 m，最大開挖面積達254.54 m2，屬于超大跨度公路隧道。相關(guān)工程的詳細概況可參見圖1。

圖1 城仔山雙洞八車道公路隧道工程概況圖

2 施工原理

機械化單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖斷面及具體施工原理如下：

2.4 m 每3 個循環(huán)即7.2 m 進行一次10 m 超前導(dǎo)管施工，前后搭接長度為2.8 m；每一循環(huán)都需要進行洞身錨桿、鎖腳錨桿的施作。

開挖左導(dǎo)坑上部（1-1），開挖高度8～8.5 m，立臨時支撐，并施加支護；左導(dǎo)坑上部開挖10 m 后重復(fù)上述工作開挖左導(dǎo)坑中部（1-2），開挖高度2.2～2.3 m，開挖15 m 后重復(fù)上述工作開挖左導(dǎo)坑下部（1-3），開挖高度3.7～4 m，然后進行仰拱初至，左導(dǎo)坑開挖31 m 后，重復(fù)上述工作開挖右導(dǎo)坑。

初支封閉成環(huán)距掌子面61 m 后，對后方12 m 的區(qū)域進行拆撐，并在后預(yù)留12 m 的錯車區(qū)域，錯車區(qū)后方40 m 為仰拱施工區(qū)域，緊接其后方22 m 為防排水、鋼筋施工區(qū)，最后方12 m 為二襯施工區(qū)，具體見圖2、圖3。

圖2 機械化單側(cè)壁法開挖斷面示意圖

圖3 機械化單側(cè)壁法施工工序縱斷面圖

施工過程注意事項：

1）當隧道處于淺埋、偏壓、土質(zhì)圍巖路段一次性開挖進尺不大于2 榀，破碎石質(zhì)圍巖地段一次性開挖不大于3 榀。當掌子面具備巖性為強風(fēng)化、洞內(nèi)無明顯滲水、埋深大于25 m 條件時，一次性開挖進尺可按3 榀實施，且上臺階長度控制為不大于10 m，初支封閉成環(huán)距掌子面距離不大于62 m。二次襯砌應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果綜合分析，適時施作；

2）臨時鋼拱架應(yīng)在主洞初期支護鋼拱架閉合且變形穩(wěn)定之后方可拆除,一次最大拆除長度不大于12 m（一板二襯施作距離）。當需要進行工法轉(zhuǎn)換時，注意臨時支撐拆除順序，確保施工安全，拆除工藝詳見二襯施工方案；

3）施工過程中應(yīng)嚴格遵循“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，勤量測，早封閉”的原則；

4）施工中應(yīng)根據(jù)圍巖監(jiān)控量測結(jié)果及時調(diào)整預(yù)留變形量、開挖方式和修正支護參數(shù)，確保安全。

3 施工工藝

在施工前，首先進行超前地質(zhì)預(yù)報，對前方巖體進行探測，然后進行左導(dǎo)坑超前支護，緊接著進行左導(dǎo)坑上臺階開挖，并進行支護；接著對中上臺階進行開挖與支護，最后對左導(dǎo)坑三臺階同時進行開挖及支護，右導(dǎo)坑相關(guān)工藝流程同左導(dǎo)坑一致。整體結(jié)束后，對初期支護進行封閉，拆除中隔壁臨時支撐，并進行仰拱澆筑、混凝土回填。對初期支護進行監(jiān)控量測，并施加防水施工、拱墻襯砌，整個施工工藝流程圖如圖4 所示。

圖4 機械化單側(cè)壁導(dǎo)坑法工藝流程圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 數(shù)值模擬建立

采用FLAC3D 5.0 以單洞四車道分離式隧道IVa 復(fù)合式襯砌設(shè)計斷面為準，建立三維數(shù)值模型，模擬隧道單側(cè)壁導(dǎo)坑法分部開挖、超前支護施作、洞身支護施作等施工過程，其中土體采用摩爾庫倫準則，支護結(jié)構(gòu)按照彈性本構(gòu)計算，通過計算特定步數(shù)進行應(yīng)力釋放，計算模型見圖5 所示。

圖5 IVa 復(fù)合式襯砌單側(cè)壁導(dǎo)坑法三維數(shù)值模擬計算模型

4.2 模擬結(jié)果分析

針對深汕西高速公路城仔隧道進口段單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中十二組不同施工階段（開挖左導(dǎo)洞上臺階、開挖左導(dǎo)洞中臺階、開挖左導(dǎo)洞下臺階、左導(dǎo)洞棄渣回填、開挖右導(dǎo)洞上臺階、開挖右導(dǎo)洞中臺階、開挖右導(dǎo)洞下臺階、右導(dǎo)洞棄渣回填、拆除中隔壁、開挖棄渣、仰拱填充、二襯封閉）。通過數(shù)值模擬主要給出這十二組不同施工階段的云圖計算結(jié)果，其中第十二階段的應(yīng)力云圖如圖6 所示，同時總結(jié)歸納各階段計算結(jié)果如表1 所示。

表1 單向側(cè)壁導(dǎo)坑法數(shù)值模擬計算結(jié)果

圖6 單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工（第十二階段）數(shù)值模擬云圖

由圖6 及表1 可以看出，左、右導(dǎo)洞掌子面圍巖剪應(yīng)變增量最大值均未形成潛在的連續(xù)剪切破壞面，故掌子面未發(fā)生整體破壞。洞身處拱頂沉降逐漸增大至0.376 cm，拱頂沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)。鎖腳錨桿的最大拉壓應(yīng)力小于HRB400 鋼材極限強度，且初支應(yīng)力分布均未達到C30 早高強噴射混凝土破壞標準。總體而言，IVa 復(fù)合式襯砌單側(cè)壁導(dǎo)坑法在IV 級中圍巖條件下，整個施工過程中除噴射混凝土最大拉應(yīng)力因應(yīng)力集中而有部分超出，其余部分皆安全。為保證施工的安全性，施工過程中應(yīng)對中隔壁和初支的交接處進行加強處理。

4.3 施工力學(xué)分析

選擇數(shù)值模型中縱向20 m 斷面，提取支護結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)，并分析機械化單側(cè)壁導(dǎo)坑法支護結(jié)構(gòu)施工力學(xué)特征。

1）洞周位移隨工序變化規(guī)律

由圖7 可知，隧道拱頂下沉曲線整體表現(xiàn)為持續(xù)上升，但在變化過程中出現(xiàn)幾個明顯的轉(zhuǎn)折點，即工序4（左導(dǎo)洞棄渣回填）、工序6（開挖右導(dǎo)洞中臺階）、工序7（開挖右導(dǎo)洞下臺階）。工序1—4 均處于左導(dǎo)洞的施工階段，由于中隔壁良好的支撐效果以及左導(dǎo)洞較大的矢跨比，此時隧道有較好的承載能力，故隧道拱頂下沉量表現(xiàn)為緩慢上升；工序4—6 拱頂下沉量急速上升的主要原因有：（1）隧道輪廓擴大造成的應(yīng)力重分布；（2）右導(dǎo)洞開挖造成中隔壁兩面臨空，中隔壁能自由彎曲。工序7 雖然也會造成隧道輪廓擴大以及中隔壁臨空面積增大，但右導(dǎo)洞下臺階開挖完成后施加的右導(dǎo)洞仰供初支會使整個隧道初支封閉，提高了隧道的整體承載力；由于隧道初支封閉，工序7—12 均具有較好的豎向承載能力，但隨著洞深的增加，隧道拱頂下沉曲線整體表現(xiàn)為緩慢增加。

圖7 洞周位移隨工序變化曲線

隧道水平收斂值主要受隧道輪廓以及支護結(jié)構(gòu)的影響。其中工序1—8 主要受隧道輪廓影響，工序1 隧道水平收斂值急劇上升的原因是左導(dǎo)洞輪廓變大造成應(yīng)力重分布；工序2—4 隧道水平收斂值保持平穩(wěn)說明左導(dǎo)洞下臺階的開挖和填充對左導(dǎo)洞洞周位移影響不大；工序4—5 隧道水平收斂值變化量較小的原因是中隔壁具有良好的支撐作用；工序6—7 隧道水平收斂值呈下降趨勢，原因分別為工序7 初支封閉造成隧道承載力提高以及工序8 下臺階棄渣回填能較好地約束拱腳。

工序8—12 受支護結(jié)構(gòu)影響，工序8—10 的水平收斂值呈上升趨勢，原因為工序9 拆除中隔壁，造成隧道在豎直方向上向內(nèi)收縮以及水平方向向外擴張，最終導(dǎo)致水平收斂值增大；工序10 開挖棄渣，造成隧道拱腳約束減弱，進一步提高了水平收斂值。在工序11 即仰拱填充后，水平收斂值得到有效控制。

2）支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨工序變化規(guī)律

由圖8 可知，鎖腳錨桿的最大拉應(yīng)力值受隧道輪廓的影響較大。左導(dǎo)洞矢跨比大于1，故在工序1—4 中，左導(dǎo)洞的水平壓力較大并且有水平收縮趨勢，左導(dǎo)洞的鎖腳錨桿始終受拉。在工序1—3 中，左上臺階鎖腳與左中臺階鎖腳的最大主應(yīng)力變化趨勢相反，并在工序3 時左導(dǎo)坑中臺階超過左導(dǎo)坑上臺階，說明左導(dǎo)坑中臺階已取代左導(dǎo)坑上臺階成為對鋼架的向內(nèi)位移的控制性構(gòu)件。在工序4 時，由于左導(dǎo)洞回填的棄渣約束了拱腳，鎖腳錨桿受力改善，左導(dǎo)坑上中臺階最大拉應(yīng)力值均下降。當右導(dǎo)洞開挖后改變了監(jiān)測斷面輪廓，隧道的矢跨比小于1，隧道的豎向壓力較大并且有水平擴張趨勢，故左上臺階和左中臺階的鎖腳錨桿最大主應(yīng)力分別在工序5 以及工序6 由正值變?yōu)樨撝怠?/p>

圖8 鎖腳錨桿應(yīng)力隨工序變化曲線

對于最大壓應(yīng)力值，所有鎖腳都是先增大后趨于平緩，兩側(cè)上臺階的鎖腳壓應(yīng)力都遠大于中臺階鎖腳，說明上臺階的鎖腳是鋼架的向外位移的控制性構(gòu)件。同時左右兩側(cè)上臺階鎖腳錨桿最大壓應(yīng)力基本吻合，而左中臺階鎖腳錨桿最大壓應(yīng)力大于右中臺階，說明上臺階鎖腳錨桿受洞深影響較小，中臺階鎖腳錨桿受洞深影響較大，且洞深越大，應(yīng)力值越大。

由圖9 可知，在工序1—5 中，噴射混凝土最大拉應(yīng)力均位于中隔壁與初支的交接處，其變化趨勢為快速上升，原因是中隔壁與初支交接形成的交接處較尖銳易應(yīng)力集中同時隨著斷面開挖面積的不斷增大，圍巖應(yīng)力重分布，初支支護愈發(fā)不利。在工序5—7 中呈下降趨勢，原因是工序6 開挖右中臺階，改善了中隔壁的變形約束，噴射混凝土最大拉應(yīng)力由中隔壁與初支的交接處轉(zhuǎn)移至拱頂；工序7 由于初支封閉，極大地改善了隧道的承載能力，噴射混凝土最大拉應(yīng)力進一步下降。工序8—12，噴射混凝土最大拉應(yīng)力均位于拱頂，隨著初支封閉以及后續(xù)支護體系的不斷加強，噴射混凝土最大拉力維持相對穩(wěn)定。

圖9 噴射混凝土應(yīng)力隨工序變化曲線

噴射混凝土最大壓應(yīng)力主要受隧道輪廓的影響，在工序1—8 中，最大壓應(yīng)力位于上臺階拱腳，由于斷面開挖面積的不斷增大，圍巖應(yīng)力重分布，初支支護愈發(fā)不利。在工序9—12 中，由于初支封閉成環(huán)，噴射混凝土最大壓應(yīng)力維持相對穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文針對雙洞八車道公路隧道在Ⅳ級圍巖下的機械化單側(cè)壁導(dǎo)坑法，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測進行分析，得到了以下結(jié)論：

1）機械化單側(cè)壁導(dǎo)坑法的各工序施作時，沉降快速增長，其中左導(dǎo)洞棄渣回填后，沉降增長最大，增加量為50%。對于水平收斂，左導(dǎo)洞開挖結(jié)束后，由于中隔壁具有很好的支撐作用因此收斂值有所下降，但隨著右導(dǎo)洞棄渣回填，中隔壁的拆除，收斂值又大幅增加；

2）鎖腳錨桿的最大拉應(yīng)力值受隧道輪廓的影響較大，最大壓應(yīng)力值都是先增大后趨于平緩，兩側(cè)上臺階的鎖腳壓應(yīng)力都遠大于中臺階鎖腳，說明上臺階的鎖腳是鋼架的向外位移的控制性構(gòu)件；

3）噴射混凝土的最大拉應(yīng)力在中隔壁的變形約束改善前位于中隔壁與初支的交接處，改善后位于拱頂，在右導(dǎo)洞中臺階開挖前，最大拉應(yīng)力不斷增大，之后隨著支護體系的不斷加強，最大拉應(yīng)力不斷減??；噴射混凝土最大壓應(yīng)力位于上臺階拱腳，隨工序持續(xù)增大。