基于卸荷减跨机理的大跨度隧道开挖优化*

王松周，傅鹤林，曹 琦，刘运思

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

随着交通运输事业的发展，在空间尺寸方面对隧道建设提出了更高的要求。大跨度隧道因其在增加车道、缓解交通压力方面的优势，得到迅速发展。国内对大跨度隧道的设计和施工均没有成熟的理论，特别是施加在隧道结构荷载方面，规范及理论研究均无研究报道。

长沙市营盘路湘江隧道工程位于银盆岭大桥和橘子洲大桥居中偏南位置，东西走向，分别穿越潇湘大道和湘江大道，主线为双向四车道隧道，匝道为单向单车道隧道。大跨段位于主线与匝道交界处，大跨最大跨度达23 m。隧道埋深浅，穿越湘江，地下水发育，地质条件为强风化～中风化板岩，节理发育，围岩破碎，为Ⅴ级围岩。此外地表为潇湘大道，各种车辆及重型工程车辆经过，存在着较大的动荷载。

总之，浅埋、围岩破碎、地下水发育、动荷载等因素给大跨度隧道施工带来了极大的风险。

1 隧道埋深及荷载计算

1.1 深埋和浅埋分界

由于隧道埋深的不同，荷载的计算公式也不同，因此有必要先说明深埋和浅埋的分界值。

《公路隧道设计规范》给出了深埋和浅埋隧道的分界值，并给出了相应的荷载计算公式［1］。深埋和浅埋隧道的分界，按隧道荷载等效高度判定公式为:

其中:Hp为浅埋隧道分界深度，m;hq为荷载等效高度，m。

对于矿山法施工条件下Ⅳ～Ⅵ级围岩取

Ⅰ～Ⅲ级围岩取

其中:q=γh，为深埋隧道垂直均布压力，(kN/m2)。

γ为围岩重度，(kN/m3);S为围岩级别;B为隧道宽度，m;ω为隧道影响系数，ω=1+i(B－5);i为B每减少1 m时的围岩压力增减率，以B=5 m的围岩垂直均布压力为准，当B ＜5 m时，取，当B ＞5 m时，取 i=0.2 m，当 B ＞5 m 时，取 i=0.1 m。

1.2 隧道荷载计算

1.2.1 深埋隧道荷载计算［2］

对于Ⅳ～Ⅵ级围岩深埋隧道，作用在隧道结构上的垂直荷载为:

其中各符号代表含义同上。

1.2.2 浅埋隧道荷载计算［3－4］

当埋深(H)小于或等于等效高度hq时，荷载视为垂直均布压力，取

其中:H为隧道埋深，指坑顶到地面的距离，m。

当隧道埋深大于hq，而小于Hp时，

其中:B为坑道宽度，m;φc为围岩计算内摩擦角;λ为侧压力系数;φ为围岩摩擦角;θ为滑面的摩擦角，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级围岩时，取θ=0.9φ;Ⅳ级围岩时取θ =(0.7 － 0.9)φ;Ⅴ级围岩时，取 θ=(0.5 － 0.7φ);Ⅵ级围岩时，取 θ=(0.3 － 0.5)φ。

2 卸荷减跨机理

2.1 原理

大跨度隧道开挖时，若直接开挖，围岩将给隧道结构施加巨大的荷载，此外，由于大跨度，支护结构本身将产生很大的内力，容易导致变形过大、结构开裂，甚至塌方等工程问题，具有极大的施工风险［5］，示意图如图 1 所示。

图1 大跨直接开挖Fig.1 Full－ face excavation

本文基于卸荷减跨机理，从减少隧道荷载、降低开挖跨度的角度出发，采用双侧壁到坑法，把大跨段分成左、中、右3个导洞分部错位开挖［6－7］。具体步骤为:(1)先开挖右导洞并及时支护;(2)待右导洞完全穿过大跨、变形趋于稳定以后，开挖左导洞，并及时支护;(3)待左右导洞变形趋于稳定以后，开挖中导洞，并及时支护。每个导洞开挖时，由于跨度的减小，隧道结构所承担的荷载也相应减小，支护结构的内力大为减小，从而从根本上减少了支护结构的变形，确保隧道的安全，其示意图如图2所示。

图2 双侧壁导坑法开挖Fig.2 Two－side wall pilot construction

2.2 营盘路隧道大跨段荷载计算

以营盘路湘江隧道大跨段为背景，选取某大跨断面，隧道跨度为Bt=18 m，埋深H=19 m，Ⅴ级围岩，自地表以下，分别为素填土、粉质黏土、强风化～中风化板岩、微风化板岩。相应计算参数如表1所示。

表1 大跨段隧道荷载计算参数Table 1 Parameters of the tunnel load calculation for largespan tunnel

按公式(1)～(4)相关公式计算，求得:

本隧道属于矿山法施工，Ⅴ级围岩取Hp=2.5hq，求得:

本断面埋深H=19 m，隧道埋深大于hq，而小于Hp，应采用公式(7)～(9)计算隧道结构承受的荷载。

若大跨直接开挖，隧道荷载计算范围如图3所示。

图3 大跨直接开挖隧道荷载计算图Fig.3 Load calculation for full－ face excavation

根据《公路隧道设计规范》推荐的计算公式，将表1中相关数据代入公式(7)～(9)，即可得到隧道结构承受的荷载:

根据计算结果，隧道所承受的荷载很大，由于18 m的跨度，隧道结构将产生巨大的内力，对支护结构产生极为不利的影响，有很大的施工风险。

采用双侧壁开挖时，因左右导洞开挖跨度一样，本文只计算其中一个。以左导洞为例，隧道荷载计算范围如图4所示。其开挖跨度为6.82 m，采用公式(7)～(9)计算，得到:

图4 左导洞开挖隧道荷载计算图Fig.4 Load calculation for left pilot hole excavation

对比以上计算结果，左导洞的隧道荷载为大跨直接开挖时的84%，说明减跨后，支护结构所承受的荷载迅速下降，“卸荷”效果明显。此外，左导洞的开挖跨度为大跨的38%，其结构内力将明显改善。

综上，双侧壁导坑相比大跨直接开挖，不仅支护结构承受的荷载大幅度减小，实现荷载的分步转移，围岩出现卸荷松动区，同时由于跨度的减小，支护结构所受的内力也相应减小，从而从根本上确保了支护结构的安全、确保了隧道安全、平稳施工。

3 有限元模拟计算

采用三维有限元程序Midas/GTS进行数值模拟计算，隧道初期支护如图5所示，计算模型的力学参数如表2所示。材料特性按均质弹塑性考虑，采用Mohr－Coulomb屈服准则，与前文的松动荷载计算不同，模拟计算时以σ1作为评价指标，计算结果如图6～图8所示。应力分布图体现了整体效果，为了便于具体比较，分别选取左、中、右导洞中的拱顶与围岩接触处某个特定单元作为研究对象，并命名为 σ1－左，σ1－中和σ1－右。

表2 初期支护参数Table 2 Primary support parameters

图5 隧道初期支护结构图Fig.5 Tunnel primary support structure

图6 左导洞开挖后σ1分布图Fig.6 σ1 distribution after left pilot hole excavation

图7 左、右导洞开挖后σ1分布图Fig.7 σ1 distribution after left and right pilot hole excavation

图8 左、右、中导洞开挖后σ1分布图Fig.8 σ1 distribution after left and right and central pilot hole excavation

左导洞开挖以后，围岩的卸荷松动区如图6所示，左侧围岩卸荷。特定单元相应的数据为σ1－左=105.19 kPa，σ1－中=181.26 kPa，σ1－右=179.19 kPa。

右导洞开挖以后，围岩的卸荷松动区如图7所示，右导洞开挖，右侧围岩卸荷。特定单元相应的数据为 σ1－左=108.22 kPa，σ1－中=182.91 kPa，σ1－右=112.50 kPa。右导洞开挖以后，左导洞处的数据并没有发生较大的变化，中导洞数据稍微增大，说明右导洞的卸荷对左、中导洞影响不大。

3个导洞均开挖以后，围岩的卸荷松动区如图8所示，中导洞卸荷。特定单元相应的数据为σ1－左=154.86 kPa，σ1－中=101.33 kPa，σ1－右=155.88 kPa。左右导洞数据均增大，中导洞减小，说明中导洞卸荷时，荷载传递给了左右导洞。

4 结论

(1)大跨段若直接开挖面临巨大的施工风险，宜采用分步分区错位开挖。

(2)采用双侧壁导坑开挖以后，隧道跨度减小，其承受的单次荷载减小较为明显。跨度和荷载的减小，从根本上改变了支护结构的受力，确保了隧道的安全、平稳施工。

(3)隧道分部开挖，荷载分步转移，围岩出现卸荷松动区。左、右导洞围岩卸荷时，对未开挖区域影响不大;中导洞围岩卸荷时，左右导洞将承受中导洞传递过来的较大二次荷载，对结构产生不利影响，施工过程中要提早预防，采取相应的加强措施。

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