含水弱胶结粉细砂岩地层公路隧道开挖方案比选及二次支护施作时机研究

董 磊，宋红艳

(1.安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽合肥 230088;2.安徽省华运设计咨询有限公司，安徽合肥 230031)

0 引言

新奥法施工理念认为隧道是围岩与支护结构的综合体，即支护结构与围岩共同构建“支护体系”。在较好的围岩条件下，为充分发挥围岩的自稳性，隧道二次衬砌往往待围岩与初期支护变形稳定后施作，并作为安全储备，初期支护承受全部围岩荷载。然而，在较差围岩条件下，如在软岩大变形隧道中，初期支护系统往往不能自稳或变形无法收敛，故提出双层支护设计方案。通过二次支护补强一次初期支护控制支护变形时间差，以便适时施作二次衬砌，使得二次衬砌结构承担部分荷载，这一设计思路与新奥法保护围岩、充分发挥围岩自稳性的理念是一致的。为能经济安全、快速高质地施工，必须对软岩隧道的支护系统做出评价，即明确一次初期支护施工工序和二次支护施作时机，以便能适时施作二次衬砌，避免二次衬砌施作过晚造成初期支护变形无法控制继而造成隧道塌方，或二次衬砌施作过早使其受力过大而开裂，从而降低隧道结构的耐久性。

目前，大断面软弱围岩开挖技术主要围绕三台阶七步法和CRD工法开展研究。文献［1］针对厦门翔安海底隧道陆域段软弱地层大断面隧道CRD法施工初期支护安全性进行了研究，分析了各开挖部施工对初期支护的影响;文献［2］在包家山富水地段，围绕上部弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖平行流水作业法，探讨了初期支护参数选择、超前径向堵水结合技术对大断面千枚岩隧道开挖变形的控制效果;文献［3］采用数值技术模拟降雨条件下，郑西客专170 m2超大断面黄土隧道CRD法施工中地表及拱顶沉降发展规律，通过支护内力分析表明降雨对隧道支护受力影响剧烈，黄土隧道拱部锚杆作用不大;文献［4］针对福泉高速扩建工程前鸥隧道超大150 m2扁平断面浅埋公路隧道采用CRD法施工，研究了受断面扁平率影响，塌落拱增大引起的地表沉降、衬砌及临时支撑和锚杆的施工力学响应;文献［5］采用中隔壁法斜下穿既有公路双车道高速公路分离式隧道施工;文献［6］从施工监控量测和工艺出发，总结并对比CRD法和三台阶七步法的优缺点，提出核心土加临时仰拱台阶法的新思路，对既有施工工法进行补充和完善;文献［7］基于ANSYS软件进行了明月山公路隧道CRD法和CD法动态施工过程数值模拟与二次衬砌结构安全性评价，结果表明，浅埋段落采用CRD法施工可有效地控制地表沉降和围岩塑性区发展。此外，针对在复杂地质条件下隧道岩土及支护变形控制问题，文献［8－10］详细介绍了新意法(ADECO－RS)在意大利等国隧道工程中的应用及其与新奥法的区别，强调隧道掌子面前方超前核心土的勘察、量测及应力应变形态预测等核心技术问题，确保隧道安全穿越复杂不良地质，实现全断面开挖。如文献［11］桃树坪隧道出口工程考虑工期及安全因素，首次采用新意法施工承压饱和含水砂层。

对于具有成岩能力差、遇水黏结力突降、流塑变形大、单浆液加固及预支护效果差的特殊岩层，设计时有必要考虑设置二次初期支护，以此补强一次初期支护延缓变形，并为二次衬砌的施作提供合理时机。二次支护的设计施工在煤炭生产中报道较多，但关于粉细砂岩地层二次初期支护强度、时机及施作方法的系统研究并不多。本文针对含水弱胶结粉细砂岩地层下某公路隧道设计施工实践，采用数值仿真手段分析不同工法对此类地层变形沉降的控制效应，重点考量二次支护施作时机对初期支护体系安全性的影响。

1 隧道概况

1.1 工程地质概况

公路隧道起讫里程DK5+455～DK8+467，全长3 012 m，设计为双线隧道。隧道穿行于黄河高阶地下部，地势上隧道进口低，洞身及出口较高，地形起伏大，相对高差达200 m，隧道最小埋深约30 m。地表沟谷发育，除进出口及沟谷地段分布有圆砾土外，其余覆盖黄土，植被稀疏。

洞身以第三系粉细砂岩为主，该地层无水时，围岩整体性较好，地下水发育时，经开挖扰动、受水长时间浸润或浸泡后，围岩软化现象明显;在地下水富集地段，掌子面还出现涌水、涌砂现象，施工扰动后基底多呈粉细砂状，基底软化，拱部及边墙变形、收敛及滑塌现象严重，地质条件极差。

1.2 粉细砂层治水措施

由于第三系粉细砂岩遇水有明显的软化特征，因此，开展如图1和图2所示的专项降水设计。

图1 降水设计(单位:cm)Fig.1 Dewatering design(cm)

图2 现场降水Fig.2 Field dewatering

隧道采用轻型井点降水+深井降水施工。下半断面水平真空降水管的设置应根据掌子面渗水情况、掌子面自稳能力以及施工难度等因素综合确定，必要时设置。布设方式为:距上台阶下50 cm处，在掌子面中间部位各布设4 m长真空降水管，沿水平方向打设;如无法满足拱部开挖要求，将拱顶降水管间距调小，进行加密;隧道侧壁降水管布置同上台阶。施工中，视地下水情况对轻型井点降水管和深井的间距进行调整。降水深井成孔孔径为60 cm，井径35 cm，深15 m。

2 隧道施工工法比选

2.1 隧道工法定性对比

国内外软弱围岩大断面隧道开挖主要采用中壁法、双侧壁弧形导坑法及环形开挖预留核心土法。中壁法以CD法和CRD法为代表，环形开挖预留核心土法以三台阶七步法为代表。其中，CRD法在浅埋情况下能有效地控制沉降，可与上半台阶法灵活互换;双侧壁弧形导坑法与其他工法转换不够灵活，全隧道统一为一种工法;三台阶七步法可适时调节工作面上导坑尺寸和台阶长短，适用于不同埋深条件。

2.2 隧道工法数值比选

隧道开挖跨度约13 m，开挖断面达120 m2(考虑较大预留开挖量)，平均埋深60 m，隧道洞身全部处于含水弱胶结砂岩地层。采用数值分析CRD、双侧壁导坑及三台阶七步工法在施工中产生的位移变形及塑性区分布特征，综合考虑工期、施工难易程度等因素，定量提出适合该隧道的合理工法。

2.2.1 各工法工序简介

依据图3—5所示的3种不同工法工序，来明确三维数值计算的动态开挖步骤。

图3 三台阶七步法工序图Fig.3 Sketch of 3-bench 7-step excavation method

图4 CRD法工序图Fig.4 Sketch of CRD excavation method

图5 双侧壁三台阶法工序图Fig.5 Sketch of double-side-drift 3-bench excavation method

2.2.2 施工过程数值仿真

2.2.2.1 计算参数

数值计算基于FLAC3D软件平台，遵循摩尔－库仑强度准则，围岩和支护结构分别采用实体单元和壳体单元模拟，加固区应提高弹性模量和泊松比。围岩和支护设计参数见表1和表2。

表1 围岩参数Table 1 Parameters of surrounding rock

表2 支护设计参数Table 2 Design parameters of support

2.2.2.2 计算网格剖分

限于篇幅，仅列出三台阶七步法网格剖分图，见图6。

图6 三台阶七步法网格图Fig.6 Mesh of 3-bench 7-step excavation method

隧道尺寸:覆土60 m，横向及下部各取40 m，纵向(全局坐标Z方向)开挖40 m。其中，三台阶七步模型共40 009个节点，36 890个单元。

2.2.2.3 计算过程及结果

考虑有限元计算的边界效应，研究Z=15 m断面处拱顶沉降及变形发展情况。

将一个完整的开挖循环定义为:各个工法的2部(1部先于2部)开挖至Z=15 m。

1)拱顶沉降。各工法的拱顶沉降曲线见图7—9。

图7 三台阶七步法拱顶沉降Fig.7 Crown settlement of 3-bench 7-step excavation method

图8 CRD法拱顶沉降Fig.8 Crown settlement of CRD excavation method

图9 双侧壁导坑法拱顶沉降Fig.9 Crown settlement of double-side-drift excavation method

由图7—9可知，3种工法产生的拱顶最终沉降分别为 150.76，105.55，91.30 mm。显然，双侧壁导坑法控制沉降变形的能力优于三台阶七步法和CRD法。

从沉降曲线变形量累计规律来看，三台阶七步法第1部开挖产生的拱顶沉降量达到62.29 mm，占最终沉降量的41%;CRD工法第1部开挖产生的拱顶沉降量为25.98 mm，占最终沉降量的25%;双侧壁导坑法第5部开挖产生的拱顶沉降量为27.08 mm，占总沉降量的30%。因此，拱顶分块部位开挖产生的变形对于最终沉降影响最大的为三台阶七步法，这与其无竖向临时钢撑设置有关。

对于设置临时钢支撑的工法，拆撑工序中所引起的沉降变形不容忽视。对于CRD工法，因拆撑工序而累计产生的沉降为55.45 mm，占总沉降量的53%;而双侧壁导坑法在拆撑过程中累计产生的沉降为46.78 mm，占总沉降量的51%。可见，拆撑或换撑工序产生了扰动及约束突变，拱顶支点产生位移释放，因此，其对最终拱顶沉降的贡献也就较大，施工中需注意工艺控制。

2)水平收敛。3种工法的水平收敛曲线如图10—12所示。

图10 三台阶七步法水平收敛Fig.10 Horizontal convergence of 3-bench 7-step excavation method

图11 CRD法水平收敛Fig.11 Horizontal convergence of CRD excavation method

图12 双侧壁导坑法水平收敛Fig.12 Horizontal convergence of double-side-drift excavation method

由图10—12可知，3种工法的水平收敛值分别为80.10，20.64，28.35 mm。其中，CRD 法和双侧壁导坑法产生的水平收敛值仅为三台阶七步法的25.77%和35.39%。可见，CRD工法能最有效地控制水平收敛的发展，这与其内部临时钢支撑的约束作用有关。三台阶七步开挖工法因不设置临时横(竖)支撑，故无法控制隧道因开挖而产生的净空收敛。总之，CRD法在控制水平收敛方面效果最优。

3)塑性区。3种工法1部掌子面开挖到Y=30 m的塑性区分布如图13—15所示。

图13 三台阶七步法塑性区分布Fig.13 Distribution of plasticized zone of 3-bench 7-step excavation method

图14 CRD法塑性区分布Fig.14 Distribution of plasticized zone of CRD excavation method

图15 双侧壁导坑法塑性区分布Fig.15 Distribution of plasticized zone of double-side-drift excavation method

由图13—15可知:三台阶七步开挖工法产生的塑性区面积最大，塑性扩展深度最大，最不安全;而CRD工法相对于双侧壁弧形导坑法来说，塑性区较小，没有扩大的趋势，且掌子面前方也没有向双侧壁弧形导坑法前方的塑性区扩展。总之，在扩展面积和深度方面，CRD开挖工法对于塑性区的控制效果最好。

2.2.3 三维数值比选小结

通过上述宏观位移累计特征及变形发展分布规律可知:1)CRD法和双侧壁导坑法均能有效地控制隧道拱顶沉降;2)CRD工法在控制隧道水平收敛方面最优，其收敛曲线平缓，最终变形量最小;3)CRD工法产生的塑性区面积及扩展深度最小(浅)。

3 隧道二次支护施作时机分析

3.1 二次支护的荷载结构法研究

根据上节研究可知，CRD工法最适用于含水弱胶结粉细砂层隧道施工，故针对CRD工法，采用Ansys进行结构分析，临时支护(30.7 GPa)、初期支护(36.1 GPa)及二次支护(34.1 GPa)均采用beam3梁单元模拟，采用link10单元模拟地层抗力。

3.2 分部开挖过程研究

3.2.1 二次支护设置目的

隧道开挖后与初期支护形成组合支撑拱，在一定程度上抑制了围岩的应力释放及塑性变形，达到了稳定围岩的目的。即二次支护利用支护时间差，遵循“先让后治”的原则，达到“以柔克刚”。

3.2.2 CRD支护施工过程分析

根据表3中的参数，还原二次支护设计断面及其有限元模型。设计断面见图16和图17。

限于篇幅，本节仅列出分部开挖最终单元分割图，见图18。无二次支护下各分部开挖初期支护安全系数曲线如图19所示。

表3 计算参数Table 3 Parameters of FEM

图16 衬砌断面图Fig.16 Cross-section of tunnel lining

图17 型钢钢架图Fig.17 Shaped steel arch

图18 CRD工法分部开挖有限元模型Fig.18 FEM model of CRD excavation method

图19 无二次支护下各分部开挖初期支护安全系数曲线Fig.19 Curves of safety coefficient of primary support without secondary support

由图19可知，开挖至第3分部时，初期支护单元安全系数小于1.0(施工过程安全系数控制标准)的单元达到12个，占单元总数的20.7%。此时，应在第1部—第3部开挖时加强初期支护，即设置二次支护，安全系数曲线如图20所示。

图20 二次支护下第3部开挖后初期支护安全系数曲线Fig.20 Curve of safety coefficient of primary support after the third part excavation and secondary support

3.2.3 荷载结构分析小结

在第1部和第2部开挖中，一次初期支护能够保障施工过程的安全，结构安全系数满足规范关于施工中1.0的控制标准;而第3部开挖产生的应力重分布对第1部和第2部的一次初期支护受力影响较大，洞室拱顶、拱腰、拱脚等不同部位安全系数过低，结构受力偏于不安全，需设置二次支护进行加强。

4 现场施工及效果

鉴于现场围岩流塑变形较大，设计方建议施工采取将四部交叉中隔壁法演化为六部中隔壁法，见图21。

通过采用三维数值模拟对不同工法的比选结果进行分析可知，CRD工法对于本工程开挖最优，故现场施工在基于数值预设计结论的基础上，采用如图21所示的六部交叉中隔壁法施工，进一步控制台阶进尺及分幅，减小施工扰动对初期支护系统位移的影响。现场位移发展如图22和图23所示。

将图22和图23与图8和图11分别进行对比可知，实测断面采用六部交叉中隔壁法施工进一步改善了初期支护的承载状态及位移演变趋势，实测水平收敛和拱顶沉降分别达到19.13 mm和85.60 mm，相比数值计算的四部交叉中隔壁法的位移减小了7.3%和18.9%。因为现场施工不仅缩小了开挖分幅，而且采用前期真空降、排水措施，提高了粉细砂层的物理力学参数，并改善了地层应力及变形特征。

5 结论与建议

针对含水弱胶结粉细砂岩地层隧道施工，综合多种数值手段仿真分析不同工法对施工过程衬砌变形、受力的动态响应，得到以下结论和建议。

图21 六部交叉中隔壁法Fig.21 6-step CRD excavation method

图22 DK6+322断面水平收敛(2011年)Fig.22 Horizontal convergence at DK6+322(in 2011)

图23 DK6+322断面拱顶下沉(2011年)Fig.23 Crown settlement at DK6+322(in 2011)

5.1 结论

1)采用CRD工法施工，沉降累计曲线符合时序曲线分析中的加速－匀速变形特征，能有效地控制开挖应力影响区内的变形发育及扩展分布。

2)对于软弱围岩大变形，应及时施作二次支护，其最佳施作时机在上台阶右半幅断面(第3部)开挖前。

5.2 建议

1)针对设置横(竖)向钢撑的分部开挖法，在拆除临时钢撑时，可依据铁建设［2010］120号文对“软弱围岩及不良地质铁路隧道关于初期支护封闭成环与掌子面施工步距”的相关规定，进行适当步距调整，同时应加强监控量测，减少因约束释放调整而产生的位移突变。

2)采用CRD法施工时，宜在条件允许的前提下将四部交叉中隔壁法演化为六部中隔壁法施工。

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