山区隧道洞口浅埋段软弱围岩开挖工法探讨

唐雨春，冯 宇

(娄衡高速公路建设开发有限公司，湖南 衡阳 421000)

0 前言

在山区高速公路隧道中，洞口段往往都是浅埋，且围岩的水文地质条件较差，具体表现为:软弱、破碎、自稳时间极短［1］，甚至，有的围岩水系较为发达，这对隧道开挖过程当中的安全性和稳定性造成很大的影响，所以开挖支护方案的选择在此显得尤为重要。本文以娄衡高速公路笋安山隧道娄底洞口浅埋段软弱围岩50 m 工程为例，进行了此方面的研究。

1 工程背景

1.1 工程地质条件及支护参数

娄衡高速公路笋安山隧道采用双向四车道，其娄底段位于湖南省娄底市双峰县花门镇内。勘察场地地貌类型为低山丘陵地貌，地表剥蚀较强烈，娄底端所在山坡自然坡度为15°～18°，设计洞顶覆盖层厚度为3.8～27 m 不等，围岩主要以硬塑状土、碎石和强风化岩，强风化岩岩质软弱～较软弱，呈碎石状松散结构，其中最为明显的就是碳质泥岩，而且，隧道开挖过程中常常产生小股状涌水，围岩遇水随即变成泥，所以稳定性极差，级别定为Ⅴ级偏差。

1.2 围岩试验参数

围岩试验参数见表1。

1.3 支护参数

围岩支护参数见表2。

表2 围岩支护参数表

2 FLAC3D数值模拟和监控量测

2.1 两种工法工序流程比较

在双向四车道的山区高速公路隧道洞口段、围岩较差段的掘进开挖过程中，比较常用的工法有短台阶开挖法，环型开挖预留核心土法，中隔壁法(CD法)，双侧壁导坑开挖法，交叉中隔壁法(CRD法)［2］。本文中，分别采用比较符合实际的三台阶环型开挖预留核心土法、中隔壁法(CD 法)进行FLAC3D 数值模拟开挖，而且，两种开挖工法在同围岩参数、同支护参数的情况下。

如图1，此工法过程为:①开挖环型土→②施作环型周边初支→③开挖上一循环的核心土→④开挖中台阶→⑤施作中台阶初支→⑥开挖下台阶→⑦施作下台阶初支→⑧开挖仰拱部分→⑨施作仰拱初支→⑩施作仰拱及仰拱回填→⑪施作二衬。

如图2，此工法过程为:①开挖外侧上台阶→②施作永久初支2 －1 和临时初支2 －2(必要时增设横撑)→③开挖外侧下台阶→④施作永久初支4 －1和临时初支4 －2→⑤开挖外侧仰拱部分→⑥施作内侧仰拱永久初支6 －1 和临时初支6 －2→⑦开挖内侧上台阶(必要时增设横撑)→⑧施作内侧上台阶初支→⑨开挖内侧上台阶→⑩施作内侧下台阶初支→⑪开挖内侧仰拱部分→⑫施作内侧仰拱初支→⑬拆除临时初支 2－2 和 4－2→⑭施作仰拱及仰拱回填→⑮施作二衬。

图1 三台阶环型开挖预留核心工法示意图［3］

2.2 采用两种工法时的围岩变形数据及应力分布、大小比较

两种工法采用FLAC3D 模拟的位移数值比较见表3。

表3 两种工法采用FLAC3D 模拟的位移数值比较 mm

两种工法采用FLAC3D 模拟的应力分布图如图3～图6。

图3 三台阶环型开挖预留核心土开挖法最大主应力图(单位:Pa)

图4 中隔壁法开挖最大主应力图(单位:Pa)

两种工法对应的拱顶下沉位移、周边收敛位移、最大主应力、剪应力比较如表4。

图5 三台阶环型开挖预留核心土开挖法剪应力图(单位:Pa)

图6 中隔壁法开挖剪应力图(单位:Pa)

表4 拱顶下沉位移、周边收敛位移、最大主应力、剪应力比较表

综合上表所述，从各方面(拱顶下沉位移、周边收敛位移、最大主应力、剪应力)进行比较分析，在此类型的围岩掘进中，采用三台阶环型开挖预留核心土开挖法较中隔壁开挖法(CD 法)更有利于隧道稳定。

2.3 数值模拟的开挖方法与实际施工方法一样时围岩变形数据比较

本隧道娄底端实际施工时采用三台阶环型预留核心土开挖法，以下是将FLAC3D 数值模拟得到的变形值与实际监控量测数值进行比较，如表5。

表5 数值模拟变形值与实际监控量测数值 mm

通过以上数据比较可得:FLAC3D 模拟得到的数值(周边收敛、拱顶下沉)和实际监控量测的数值比较接近。但在实际施工中，由于初期支护的不及时性、施工的不规范性、围岩地质情况的突变性等因素的影响，实际监控量测的数值都比FLAC3D 模拟得到的数值都要大，但是比较接近。

3 结论

在山区隧道洞口段开挖掘进时，遇到浅埋段软弱围岩，特别是在与此类岩性相似的围岩中开挖隧道时，可以通过取土试验取得围岩参数与本文进行对比，如相似，采用三台阶环型开挖预留核心土开挖法是有利于隧道稳定的。同时，在采用三台阶环型开挖预留核心土开挖法掘进时还应注意以下几点:

1)控制开挖步距，一般控制在50～100 cm，同时必须将初期支护紧贴掌子面。

2)严格控制上、中、下台阶掌子面之间的间距，及时施作仰拱，使成洞段形成受力闭合圈。

3)严格执行新奥法中监控量测，并将监控数据及时反馈。

4)当监控量测反映的数据较大时，甚至出现危险信号，在中台阶底增加临时仰拱，这样既可以控制成洞段的整体下沉，又能抑制周边收敛的再次扩大，必要时暂停掌子面施工。

5)在软弱围岩支护当中，严禁拱架拱脚悬空，当上、中台阶拱脚很难落到坚实基础上，增设上、中台阶拱脚处的锁脚锚管或锚杆的方法也能很好地控制围岩变形。

6)通过监控量测反馈的数据，及时施作二次衬砌，因为对于极软破碎围岩或不密实的土层围岩，或特浅埋隧道(埋深小于隧道跨度)，二次衬砌必须尽快施作，不必强调周边位移速率小于0.2 mm/d，拱项下沉速率小于0.07～0.15 mm/d，让二次衬砌分担部分荷载并无害处，反而有利于隧道稳定［5］。

［1］关宝树.隧道工程施工要点集(第2 版)［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］JTG/T F60 －2009，公路隧道施工技术细则［S］.

［3］唐朝松.大管棚超前支护环形开挖预留核心土三台阶隧道施工方法［J］.铁道建筑，2009(9):46 －49.

［4］刘海文.中隔壁法在高速公路隧道中的应用［J］.广东科技，2013，22(12):131 －132.

［5］程 尚，李 凡，陈建平，等.新奥法二次衬砌施工中几个问题的探讨［J］.安全与环境工程，2002，9(1):9 －11.