大断面隧道双侧壁导坑法施工横撑装拆时机分析

程伟鸷

(合安高铁股份有限公司,安徽 合肥 230012)

双侧壁导坑法又称眼镜工法[1]，在大断面隧道施工中应用较广[2]。双侧壁导坑法是利用2个中隔壁把大断面隧道分成左、中、右3个小断面施工，左、右导坑交错先行，中间断面紧跟其后，初期支护仰拱成环后，拆除两侧导洞临时支撑，形成全断面[3-8]。在软弱围岩大断面隧道采用双侧壁导坑法施工时需设置临时横撑，临时横撑合理、准确的安装与拆除至关重要。本文通过数值模拟分析临时横撑安装与拆除的合理时机，为正确指导施工提供理论依据。

1 工程概况

一新建高速铁路隧道长约 9 000 m，最大埋深约 1 600 m，属构造剥蚀深切割高中山地貌，沟谷纵横，地形起伏大，地表高程 1 575～3 278 m，相对高差 1 703 m，自然横坡15°～65°，局部为陡壁。洞身穿越活动断裂和软岩大变形段，为极高风险隧道。隧道进口端设有753 m的三线大跨段，隧道最大开挖断面宽22.37 m，高14.39 m，最大开挖断面积为255.4 m2，其中：Ⅴ级围岩段680 m、Ⅳ级围岩段73 m。设计采用双侧壁导坑法施工，三线大跨段隧道施工示意如图1。

图1 双侧壁导坑法施工示意

2 隧道施工数值模拟分析

2.1 参数选取

Ⅴ级浅埋段隧道锁脚锚杆为φ32自进式中空锚杆，长5 m；拱部设8 m长φ76中管棚(环向间距0.4 m/根,纵向间距5 m/环，单根长8 m)+长4.5 m的大插角φ42超前小导管(外插角45°，环向间距0.4 m/根，纵向间距3 m/环，单根长4.5 m)；掌子面喷8 cm厚混凝土；水泥砂浆系统锚杆长4 m，间距1 m×1 m，梅花形布置；φ8钢筋网25 cm×25 cm；临时支撑钢架为I20b。

锚杆物理力学参数见表1,岩土及支护结构参数见表2。

表1 锚杆物理力学参数

表2 岩土及支护结构参数

2.2 模型的建立

根据圣维南原理和隧道力学中隧道开挖影响范围，忽略边界效应对隧道的影响，运用ANSYS软件建立模型导入到FLAC 3D中进行计算分析。隧道断面宽22.37 m、高14.39 m，属于超大断面，模型底部距隧道底部26 m，左右两侧距离为3倍的洞径，模型顶部距拱顶40 m，纵向长度取40 m，左右导洞工字钢临时横撑施作的间距为1 m，隧道超前支护通过提高支护区域围岩参数来模拟。

2.3 开挖过程模拟

数值模拟中，第1步初始应力计算，第2步等效加固区加固，第3步至第42步为隧道开挖支护过程。按照“开挖-支护”的方式进行模拟，围岩应力释放按开挖∶支护=4∶6，在模拟的过程中暂时不考虑二次衬砌。隧道开挖进尺为4 m一个循环，先开挖左导洞，左导洞超前右导洞2 m，超前中洞32 m。

2.4 模型测点布置

左、右洞及整个洞室水平收敛变化监测点为测点2-测点3、测点4-测点5及测点2-测点5。具体如图2所示。

图2 位移监测点示意

2.5 模拟工况及对比参数说明

本文模拟计算主要分为临时支撑工字钢施作时机和拆除时机。

模拟临时支撑工字钢施作时机采用以下3个工况：工况1。施工步7，左导洞中台阶开挖后4 m，立即施作临时工字钢支撑。工况2。施工步9，左导洞中台阶开挖8 m后，施作临时工字钢支撑。工况3。施工步11，左导洞中台阶开挖12 m后，施作临时工字钢支撑。

对于临时支撑工字钢拆除时机模拟，在确定最优支护时机的基础上进行，工字钢的拆除以5 m为一个拆除单位，拟用以下3个工况：工况4。施工步15，左导洞上台阶开挖28 m后，依此拆除左导洞Z1～Z5临时工字钢支撑，右导洞临时工字钢支撑的拆除时机落后左导洞5 m。工况5。施工步17，左导洞上台阶开挖32 m后，依此拆除最开始施作的左右临时横支撑。工况6。施工步19，左导洞上台阶开挖36 m后，依此拆除最开始施作的左右临时横支撑。

由于围岩地质较差，在施工中预计可能出现大的变形，而影响施工的正常进行，本次有关临时工字钢横撑施作与拆除时机的比较仅从位移方面分析。

2.6 计算结果分析

2.6.1 临时工字钢支撑施作时机

临时工字钢支撑施作时隧道变形见图3。可知：随着开挖的进行，隧道拱顶的竖向位移不断地增大，但增大的趋势逐渐减缓；在左导洞上台阶贯通前，导洞的水平收敛不断增大，贯通后，不同工况下其水平收敛又开始减小并有逐渐趋于稳定的趋势；左导洞上台阶贯通是整个水平收敛曲线的拐点；临时横撑的添加时机对拱顶的竖向位移影响不大，对导洞水平收敛影响较大；随着开挖的进行，整个隧道水平收敛逐渐增大，到一定开挖步时趋于稳定；拱顶竖向位移绝对值变化不大，总体上为工况1<工况2<工况3；不同工况下水平收敛变化明显，其中工况1水平收敛最小，工况3水平收敛最大。

图3 临时工字钢支撑施作时隧道变形

综上所述，在开挖完左导洞中台阶后(即上台阶开挖约12 m后)，施作临时工字钢支撑为最佳时机，即开挖左导洞中台阶后应立即施作隧道的临时横撑，确保隧道施工安全。

2.6.2 临时工字钢支撑拆除时机

图4 临时工字钢支撑拆除时隧道变形

临时工字钢支撑拆除时隧道变形见图4。可知:不同时刻拆除临时横撑，随着开挖的进行，隧道拱顶的竖向位移都是不断地增大，但增大的趋势逐渐减缓；在左导洞上台阶贯通前，导洞的水平收敛不断增大，在右导洞上台阶贯通前，不同工况下其水平收敛又开始减小，右导洞上台阶贯通后其值又不断增大并有逐渐趋于稳定的趋势；左导洞上台阶贯通和右导洞上台阶贯通，是整个水平收敛曲线的拐点；临时横撑的拆除时机对拱顶竖向位移及水平收敛影响不明显；随着开挖支护的进行，整个隧道水平收敛逐渐增大，到一定开挖步时趋于稳定；最终拱顶的竖向位移绝对值变化不大，总体上为工况4>工况5>工况6；水平收敛为工况4>工况5>工况6。

由于隧道纵向长度为40 m，与施工现场有一定的差别，为此仅以左导洞上台阶贯通前的位移情况作比较。由以上分析可知，临时横撑拆除时机为至少保证左导洞上台阶开挖36 m后拆除临时工字钢支撑。

3 结论

1)开挖完左导洞中台阶后(即上台阶开挖约12 m后)，施作临时工字钢支撑为最佳时机，即左导洞开挖中台阶后立即施作临时横撑。

2)临时工字钢横撑施作时机为至少保证左导洞上台阶开挖36 m后拆除临时工字钢支撑。