中岩柱单边落地法施工大断面隧道工艺参数研究

李 杰 上海铁路局九景衢铁路浙江有限公司

中岩柱单边落地法施工大断面隧道工艺参数研究

李 杰 上海铁路局九景衢铁路浙江有限公司

中岩柱单边落地法是利用中岩柱将大跨度隧道分解为小断面隧道，以降低隧道开挖的风险。以某大断面公路隧道为背景，通过建立三维数值模型，主要分析了围岩加固、中岩柱材料、中岩柱宽度、中岩柱高度等参数变化对隧道变形和稳定性的影响。由计算结果可知，围岩加固、采用钢筋混凝土中岩柱、增加中岩柱宽度、降低中岩柱高度具有正面影响。最后，通过实际工程的应用，验证了数值计算结果的正确性，同时也证实了该方法具有一定的推广价值。

大断面隧道；中岩柱：施工参数

1 概述

随着隧道技术的不断发展，针对大断面隧道施工已相继出现了多种施工技术，如台阶法、CD法、CRD法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、柱洞法等，通常根据具体情况以其中一种为主，再辅以其他工法，以达到控制围岩稳定的目的[1～4]。另外，随着小间距隧道的增加，如何控制两相邻隧道间岩柱的稳定性是确保工程能否顺利完工的重要条件，针对该内容国内外也开展了大量研究工作，并取得了一定成果。中岩柱单边落地法就是借助小间距隧道加固中间岩柱的思路，通过预留或浇筑中间岩柱将大断面隧道分隔为两个小断面隧道，从而增加隧道开挖施工的稳定性、降低对周围环境的影响，是一种值得推广的施工方法。本文以一大断面公路隧道工程为背景，主要对中岩柱单边落地法开挖大断面隧道的施工工艺参数进行研究，以期对今后类似工程的施工提供借鉴。

2 工程概况

某公路隧道全长552 m，位于直线上，穿越丘陵区，隧道埋深0 m～39 m。隧道最大开挖断面达到282 m2，开挖宽度19.5 m、高度14.5 m。隧道所处地层以灰岩为主，有溶洞等岩溶现象。隧道进口仰坡顺层，易沿炭质页岩层面等软弱面发生顺层滑动，含煤系地层。隧道所在山体地下水为孔隙水和基岩裂隙、溶隙水，节理裂隙较发育。

本工程主要呈现层状岩层围岩、大断面、岩溶等特点，隧道开挖方法经综合对比后采用中岩柱单边落地法，开挖施工工序如图1所示。

图1 开挖施工工序图

3 施工参数优化

本文采用FLAC3D数值计算软件，对围岩加固、中岩柱参数（材料、宽度、高度）对隧道变形和稳定性的影响进行计算分析，计算中岩体本构模型选用“理想弹塑性”模型，以摩尔-库仑准则为屈服准则，并采用关联流动法则，建立的模型如图2所示。

图2 三维模型图

3.1 围岩加固分析

为了对比分析围岩加固对隧道开挖变形和稳定性的影响，针对Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级围岩进行，对比了有、无加固时隧道的位移情况。需要指出的是加固主要是指超前地质加固，诸如超前导管等加固措施。

根据计算分析，得到不同围岩等级下围岩有无加固时隧道最大竖向和水平位移如图3所示。由图可知，围岩条件越差，隧道开挖引起的变形越大，在采取了加固措施以后，隧道的变形得到了控制。因此建议在岩性较差或者地质条件比较复杂的情况下采取超前加固措施，减小由于围岩过度变形给隧道带来的不利影响。

图3 位移对比图

3.2 中岩柱分析

中岩柱的稳定性直接影响隧道整体结构的稳定性，本次主要通过研究中岩柱不同参数下的位移及应力变化情况来分析隧道的稳定性。计算内容主要包括：不同中岩柱材料（喷混凝土和原岩）、不同宽度（1.2 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m和4.0 m）和不同高度（6.9 m、7.9 m、8.9 m和9.8 m）

（1）不同中岩柱材料

计算得到V级围岩条件下喷混凝土和原岩对比结果如表1所示。

表1 喷混凝土与原岩计算结果对比

由对比可知，无论是在位移与应力水平上，选用两种材料都基本相同，中柱主要受压，但未达到破坏，所以实际施工时可考虑采用原岩作为中柱，但是考虑到模拟计算时围岩完整性相对实际要好得多，实际施工过程可考虑采取相应措施保证中柱的整体性，确保其开挖过程中不会发生破坏。由分析还可知，采用混凝土柱的条件下，相比较土柱来说，受力会更加均匀，实际中可控性会更好，不容易出现诸如软弱面、裂缝以及岩石风化后引起的缺陷。

（2）不同中岩柱宽度

计算得到不同中岩柱宽度的结果表2所示，各施工工序下的最小安全系数如图4所示。由计算结果可知，随着宽度的增加，最大竖向位移在增大，但是增加水平并不明显；最大主应力维持在-200 kPa左右，而最小主应力维持在-500 kPa，随着宽度增加，应力在数值上变化不大，但就分布上来看，越来越均匀，较前几种情况都有所改善，安全系数都有改善，所以综合看起来，随着宽度增加，隧道结构相对稳定,中岩柱宽度变化在宽度为1.2 m时其安全系数不能满足最小3.0的要求，建议取1.5 m以上宽度。

表2 不同宽度中岩柱计算结果统计

图4 各步序最小安全系数变化规律图

（3）不同中岩柱高度

计算得到不同中岩柱高度的结果如表3所示，各施工工序下的最小安全系数如图5所示。由计算结果可知，随着中岩柱高度的增加，最大竖向位移有所减小，垂直应力变化由大变小，最大主应力基本在一个数量水平，根据变化规律可以看出，随着高度增加，开挖过程中的最小安全系数在减小，最小时出现在第6、7步开挖时，9.8 m时已不能满足规范最小3.0的要求，建议采用8.9 m以下的岩柱高度。

表3 不同中岩柱高度的计算结果对比

图5 开挖过程安全系数变化图

4 现场施工分析

根据上述计算结果，本工程在施工中采取了施工参数为：隧道围岩采取了超前小导管注浆加固，中岩柱采用双排I25b工字钢混凝土柱支撑拱顶，基座为厚50 cm、宽2.5 m的C30混凝土，竖向中岩柱宽1.6 m，纵向间距0.5 m，中岩柱高度7.9 m，为了有效控制变形，中岩柱拆除距离选为5 m。中岩柱拆除施工步骤为：

（1）两侧落底分头掘进，仰拱分三幅施工，左、右幅先行浇注，中幅（中心核心土处）仰拱后浇注。

（2）左、右侧矮边墙浇注。

（3）利用二衬钢筋台车靠近中岩柱搭设跳板（活动跳板，需加防护栏），人工用风镐将A部的两侧混凝土破除，露出中岩柱工字钢，取掉中岩柱工字钢于拱部工字钢钢架的连接螺栓，每次拆除高度不超过1 m，纵向距离一次拆除3榀。如果变形过大，马上恢复中岩柱支护。

（4）拆除B部混凝土及竖向中支撑工字钢。

（5）采用控制爆破掘进C部及以下，必须控制炸药用量，确保对二衬及侧墙、仰拱已完工混凝土的保护。

（6）推进钢筋台车，继续破除下一循环A部（中幅仰拱在开挖后与此同步施工）。

（7）中岩柱拆除10 m后开始铺设防水板及安装二衬钢筋，完成后钢筋台车退出洞外，平移至一侧给二衬台车让位。

（8）二衬台车就位，浇注第二模二衬。

图6 现场拆除中支撑施工图

由现场监测结果可知，采用该方法能有效控制周围地层变形，具有较好的推广应用价值。

5 结束语

以一大跨度公路隧道为背景，通过建立三维数值模型，着重研究了中岩柱单边落地施工方法涉及的中岩柱材料、宽度、高度以及拆除间距对隧道变形和稳定性的影响，并给出了相应建议。通过实践，验证了计算结果的可靠性，且该方法具有较高的适用性和推广价值。

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责任编辑：宋飞 龚佩毅

来稿时间：2015-02-09