软弱地层大断面隧道开挖研究

黄 佳

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

随着国家发展西部经济战略的制定，大断面隧道逐渐成为交通建设的首选[1]。现阶段由于经济发展的需要，我国西北部大量山岭隧道在建设，其中大部分为大断面隧道，但由于西北地貌以高原、盆地和山地为主，地质条件复杂，土层自稳性差，大量的施工技术人员在不停地探索软弱地层大断面隧道施工的新技术和新方法。

国内外对隧道施工的研究方法很多，主要有PECK等人采用的理论法[2]、工程对比法等。1934年奥地利人L.V.拉布采维茨采用将喷浆方法用于地下工程[3]，随后20世纪70年代意大利Pietro Lunardi教授创立了岩土控制变形分析法[4]，采用理论分析和现场监测综合分析方法作为隧道安全施工的依据。本文采用这种新方法结合现场施工监测数据进行分析和研究。

1 工程概况

本文以在建兰渝铁路桃树坪隧道为背景。桃树坪地区属于典型的西北饱和粉细砂土层，自稳性弱，物理性质差，同时容易受地下水影响出现管涌。桃树坪隧道位于兰州车站站端，起止里程桩号为DK3+435—DK6+655，全长3 220 m。隧道随着地势的起伏采用低进高出的设计方案，隧道进出口高程相差200 m左右，隧道平均埋深为60 m左右。工程地层情况如表1。

表1 工程地层

根据隧道设计图纸，施工采用底部双洞先行法，如图1，具体施工过程为：1断面—2断面—3断面—4断面—5断面—6断面依次开挖，各断面掌子面相互滞后2 m左右，在断面施工完成后及时进行超前加固和初级支衬。各断面施工时注意钢拱架的及时加长，当6断面施工完成后及时施做仰拱，使衬砌封闭成环。

图1 隧道施工示意图

2 监测与分析

隧道施工区域土层存在大范围的粉细砂，自稳性弱，物理性质差，因此在隧道断面采用5 m选取一个断面进行监控，监测项目分别为各重要节点围岩应力。具体监控点布置如图2，根据圣维南原理选取中间断面DK5+177.97为分析断面。

图2 监测点布置

2.1 拱顶围岩应力分析

根据监测的数据与监测时间段绘制图表如图3，从图中分析可以看出在施工初期拱顶的围岩应力处于平稳状态，由于围岩的自稳性较差，随着5断面核心土的施工，从第6天到第10天，应力出现了突变，应力从刚开始的12 kPa陡然跃升至74.7 kPa，应力增长522.5%，平均每天应力增加15.67 kPa。在核心土开挖中间临时支撑施做后，第10天～第38天应力出现了新的平稳阶段，到第38天围岩应力为88.0 kPa左右，应力增加不大，围岩出现新的稳定。随着6断面的开挖，第38天～第62天曲线出现新的突变，围岩应力从88 kPa跃升为182 kPa，应力增长106.8%。仰拱开挖完成施做仰拱初衬后，第65天左右出现了一个短暂的应力下降，下降幅度不到20 kPa，在下降之后又出现一个短暂的应力增加，增加幅度为30 kPa左右。在施做二衬后第90天左右围岩应力基本趋于稳定，最终拱顶围岩应力稳定在240 kPa左右。

图3 拱顶围岩应力曲线

2.2 拱腰围岩应力监测分析

根据拱腰监测数据绘制图如图4，从左拱腰图可以看出随着1断面开挖左拱腰围岩应力一直在增长，一直到第22天左右围岩应力增长最大值为84 kPa左右，初衬施做完成后，第22天～第37天围岩应力出现平稳下降，从84 kPa下降到78 kPa左右，说明左拱腰初衬已经对围岩起到约束作用。随着2断面施工，第37天～第40天围岩应力出现了急速下降，围岩应力从78 kPa下降到60 kPa左右。由于3断面与4断面施工，第40天～第62天围岩应力又出现上升，围岩应力从60 kPa增长到78 kPa左右。拱顶初衬支护施做后，第62天～第65天围岩应力出现快速的下降，之后围岩应力出现长久的平稳，最终测得的围岩应力为22 kPa。

从右拱腰图可以看出，随着1断面开挖及初衬的施做，第38天之前右拱腰围岩应力一直趋于平稳，随着2断面施工，第38天～第55天右拱腰围岩应力一直快速增长，从48 kPa增长到150 kPa，增长212.5%。初衬施做后，第55天～第62天围岩应力出现一个短暂的平缓。随着3断面与4断面开挖，第62天～第72天围岩应力出现快速的增长，从150 kPa增长到290 kPa左右，增长93%。初衬施做后，第80天之后围岩应力逐渐稳定，最终稳定围岩应力为300 kPa左右。

图4 拱腰处围岩应力曲线

2.3 最大跨度围岩应力监测分析

根据监测数据绘制最大跨度围岩应力曲线如图5。从左侧最大跨度处围岩应力可以看出，随着1断面开挖，第18天之前围岩应力有个急剧增长的过程，第18天的围岩应力为17 kPa，而同一时期拱腰的围岩应力为80 kPa，远小于同一时期的拱腰的围岩应力。随着1断面初级支护施做，第44天围岩应力又出现快速的下降，下降至不足10 kPa。2断面开挖时左侧最大跨度处再次出现围岩应力急剧上升的现象，上升为25 kPa左右，仍然远小于同期拱腰处的围岩应力。第70天之后围岩应力出现了平稳，监测的最终数值为20 kPa左右。

从图5右侧最大跨度处围岩应力曲线可以看出，2断面开挖之后围岩应力有一个较大的上升，第4天围岩应力上升为47 kPa。随着2断面支护施做完成，围岩应力出现了下降，第30天围岩应力为14 kPa。随着之后的断面开挖，右侧围岩应力又较缓慢地上升，从曲线可以看出右侧最大跨度围岩应力在2断面初级支护完成后围岩应力基本上处于平稳的上升阶段，上升幅度不大，最终的监测数值为30kPa。

图5 最大跨度处围岩应力曲线

2.4 综合分析

从3处监测点围岩应力曲线可以看出，拱顶围岩应力数值最大，而且整个监测期间围岩应力基本上一直在上升，围岩应力增加主要出现3断面与4断面开挖和5断面核心土开挖3个施工阶段。特别是3断面与4断面开挖，围岩应力出现短期522.5%的增长，平均每天增长15.67 kPa。

对比左右拱腰围岩应力曲线图，可以看出右侧拱腰围岩应力要高于左侧围岩应力，说明在1断面开挖后对土层的扰动较大。对比3断面与4断面施工时期左右拱腰的应力增长曲线，可以看出左拱腰围岩应力从60 kPa增长为78 kPa，右拱腰围岩应力从150 kPa增长到 290 kPa左右，围岩应力增加140 kPa。对比3断面与4断面初级支护施做后围岩应力变化情况，可以看出左侧拱腰围岩应力出现急剧的下降，左拱腰围岩应力从78 kPa下降到30 kPa左右，而右侧拱腰围岩应力基本处于不变。

对比左右最大跨度处围岩应力曲线图，可以看出右侧围岩应力平均要高于左侧，1断面开挖引起的左侧最大跨度围岩应力最大值为17 kPa，而2断面开挖引起的右侧最大跨度围岩应力在短期内迅速增加到47 kPa，说明相比1断面，2断面开挖更容易影响围岩应力的变化。同时，对比左右侧最大跨度曲线变化规律，可以看出后续施工对右侧最大跨度围岩应力影响更小，更容易控制和预测，而左侧围岩应力容易受到后续施工的影响。

3 小结

a）3、4、5断面开挖容易导致拱顶围岩的突变，应及时施做初级支护和钢拱架的拼接，特别是临时支护的施做应该在核心土开挖后，及时施做。

b）左侧断面开挖对土体的扰动较右侧大，但是后续施工对右侧土层的影响更平稳和规则，因此应在后续施工中将施工重点进行倾斜，这有利于分析施工侧重点。

c）在开挖前两个断面时对土层扰动体现在拱腰处而非最大跨度处，在施做完前两个断面后应及时施做中间临时衬砌，并对拱腰进行及时、高频的监测，同时应加强对拱腰处临时支护与永久支护刚度。