漳浦港城大道巷内隧道洞口开挖工法研究

■许筱明

（漳州市交通建设工程质量安全监督局，漳州 363000）

0 引言

随着我国经济的大力发展，交通需求量逐年增多，带动了隧道的大量建设。隧道建设经常在浅埋、偏压等地质条件下作业，为保证隧道结构的安全与稳定，对隧道施工技术的研究方兴未艾。

在隧道施工工法、支护体系等方面，王志军等[1,2]对隧道的施工工艺进行了研究，提出了保证隧道安全施工的策略。陈迪等[3-4]认为隧道是道路施工中的重要部分，隧道施工工艺和管理方法是隧道施工过程中的核心因素，直接影响着隧道的施工质量。高利平等[5-6]阐述了当前隧道工程的支护设计方法以及隧道施工技术的研究现状，指出当前隧道施工的缺陷。诸多学者研究了隧道的开挖方法和施工工艺，探讨隧道施工过程中的开挖方案和隧道监测等技术，对隧道的安全和稳定具有重大意义。

本文依托漳浦港城大道巷内隧道工程，对比分析隧道洞口的开挖方法，探讨隧道施工过程中的开挖方案和隧道监测技术，确定合理的施工方法，保证隧道的开挖安全。

1 工程概况

1.1 隧道简介

漳浦港城大道巷内隧道工程位于漳浦县，该隧道为左右洞分离设置，全长1360m，宽14.00m，高 5.0m，为一级公路双向六车道隧道，其洞口基本信息如表1所示。

表1 巷内隧道洞口基本信息表

1.2 隧道地质条件

隧道区洞身段属剥蚀丘陵地貌，地形起伏大，下缓上陡，天然山坡坡度约 25°～35°，山脊（顶）陡峭；隧道出口侧自然山坡坡度约30°～35°，洞口围岩为残坡碎石土及砂土状—碎块状强风化花岗岩，地下稳定水位高于隧道顶板，易坍塌，且隧道出口段两侧山沟的平缓地带因长期积水而零星分布软弱土层，稳定性较差。隧道出口地面高程52～58m，隧道轴线最大海拔标高175.5m，植被发育。

2 隧道洞口主要开挖方案

2.1 双侧壁导坑法及数值模拟

（1）双侧壁导坑法

根据该隧道出洞口段埋深及围岩情况，采取双侧壁导坑法，其工艺流程如下：

①对左侧导坑进行开挖，每循环进尺1榀钢拱架距离；②对左侧导坑进行初期支护，设锁脚锚杆；③滞后左侧导坑距离≥15m时，开挖右侧导坑，人工配合整修，每循环进尺1榀钢拱架距离；④对右侧导坑进行初期支护，设锁脚锚杆；⑤左侧导坑开挖30m～50m时，中间导坑上台阶进行开挖，每循环进尺1榀钢拱架距离；⑥中间导坑上台阶初期支护；⑦中间导坑上台阶开挖3m～5m时，开挖中间导坑下台阶，每循环进尺1榀钢拱架距离；⑧中间导坑下台阶进行初期支护；⑨监测初期支护体系的变形情况，变形稳定，小于允许值范围后，拆除侧壁临时钢拱架，每次拆除长度根据监控量测数据确定；⑩与中间导坑下台阶拉开5m～10m，清理仰拱虚渣，浇筑仰拱混凝土；11○施做二衬背后塑料盲管及防水板，整体浇筑二衬混凝土。双侧壁导坑法施工工序如图1所示。

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图1 双侧壁导坑法施工工序图

（2）数值计算与结果分析

1）模型建立

本次数值模拟以漳浦港城大道巷内隧道为工程背景，围岩以现场实际地质为主，开挖工法为双侧壁导坑法，模拟软件为大型通用有限元软件Midas-GTS。本次模拟用摩尔库伦实体单元模拟碎石土及强风化花岗岩，用弹性板单元模拟初期支护，用植入式桁架单元模拟锚杆。计算模型的边界条件：底面为竖向约束，上边界为自由边界，左右边界为横向约束。采用的围岩及支护参数如表2所示。

表2 围岩及支护参数

2）数值模拟结果及分析

本次数值模拟双侧壁导坑法，作为对现场施工的指导，并与现场监控量测数据进行对比分析，因此模拟结果仅提取隧道周边围岩的位移变形情况，图2为三维模拟典型断面竖向位移计算。

图2 双侧壁导坑法开挖典型断面竖向位移计算

开挖左侧壁导坑之后隧道左侧底部位移量较大，随着其他阶段的开挖，拱脚变形也趋于稳定，中间导坑上台阶开挖后，拱顶沉降量较为明显，随着全断面开挖支护之后，隧道已开挖部分周围变形也都趋于稳定。

数值模拟隧道围岩变形均是一次成型，因此体现为围岩的最大变形值，采用双侧壁导坑法围岩最大变形位置位于隧道拱顶，下沉值为17.5mm，周边收敛最大值为21.5mm。

2.2 中隔壁法开挖及数值模拟

（1）中隔壁法

①开挖左侧导坑，左侧导坑超前右侧导坑≥15m；②施工左侧导坑初期支护和中隔壁墙；③开挖右侧导坑；④施工右侧导坑初期支护；⑤监测初期支护体系的变形情况，变形稳定，小于允许值范围后，拆除临时中隔墙，每次拆除长度根据监控量测数据确定；⑥清理仰拱虚渣，浇筑仰拱混凝土；⑦施做二衬背后塑料盲管及防水板，整体灌注二衬混凝土。中隔壁法施工工序如图3所示。

图3 中隔壁法施工工序图

（2）数值计算与结果分析

1）模型建立

本次数值模拟以现场实际地质为主，开挖工法为中隔壁法，模拟软件为大型通用有限元软件Midas-GTS。模拟单元属性及模型边界条件与双侧壁导坑法相同。

2）数值模拟结果及分析

本次数值模拟中隔壁法，作为与双侧壁导坑法的对比分析，模拟结果仅提取隧道周边围岩的位移变形情况，图4为三维模拟典型断面竖向位移计算。

分析数值模拟结果得出，左侧壁导坑上台阶开挖后拱脚有较大位移，因此开挖时应注意及时施做锁脚锚杆；右侧壁导坑开挖后拱顶有较大位移，这是由于拱顶岩体失去支撑后岩体应力释放造成的。

采用中隔壁法开挖，围岩最大变形位置位于隧道拱顶，下沉值为22.5mm，周边收敛最大值为26.5mm。

图4 中隔壁法开挖典型断面竖向位移计算

2.3 对比分析

对比分析两种开挖工法的数值模拟结果，双侧壁导坑法和中隔壁法施工产生的隧道洞顶位移和周边收敛位移都能满足施工要求，可保证隧道施工安全。

分析数值模拟计算结果，采用双侧壁导坑法开挖时拱顶最大沉降值为17.5mm，周边收敛最大值为21.5mm；采用中隔壁法施工，拱顶最大沉降值为22.5mm，周边收敛最大值为26.5mm。

在围岩和支护参数相同的条件下，仅从隧道拱顶下沉和周边收敛来分析，采用双侧壁导坑法产生的拱顶下沉和周边收敛是中隔壁法的77.8%和81.1%，这是由于双侧壁导坑开挖步序多，围岩应力逐次释放，从而保证了围岩的稳定，因此，仅从数值模拟方面考虑，双侧壁导坑法比中隔壁法施工安全。下面根据数值模拟结论，现场采用双侧壁导坑法施工，进行现场监测，并与数值模拟结果进行可靠性分析。

3 现场测试

3.1 施工监测方案

隧道开挖围岩受力复杂，隧道施工监控成为研究隧道施工方案的可行性以及保证施工安全的重要措施。根据数值模拟结论，依托工程巷内隧道现场采用双侧壁导坑法施工，选取具有代表性Ⅴ级围岩洞口段的ZK5+255断面进行分析研究。监控量测布点如图5所示。

图5 双侧壁导坑法测点布置图

3.2 监测频率

根据我国现行规范[7]及现场实际情况，隧道监测频率如表3所示 （B为隧道开挖宽度），允许相对位移如表4所示。

表3 按监测断面距开挖面确定的监测频率

表4 隧道周边允许相对位移值Vn（%）

3.3 监测结果

ZK5+255断面采用双侧壁导坑法拱顶沉降和周边收敛情况如图6～7所示。掌子面开挖后16d，拱顶沉降和周边收敛变化趋势均较平稳，最大值分别为16.0mm和19.7mm。

图6 ZK5+255拱顶沉降与时间关系曲线

图7 ZK5+255周边位移与时间关系曲线

3.4 综合分析

现场采用双侧壁导坑法施工，并以巷内隧道ZK5+255断面作为重点监测对象，监测到16d时围岩趋于稳定，拱顶沉降累积值为16.0mm，周边收敛累积值为19.7mm；数值模拟双侧壁导坑法开挖拱顶最大沉降值为17.5mm，周边收敛最大值为21.5mm。对比分析可知，数值模拟和现场监测拱顶沉降差距在10%范围内，周边收敛差距在10%范围内，这是由于现场实际情况与理论模拟的围岩参数不会完全相同，现场监测由于干扰因素较多，存在误差，现场监测16d时围岩变形趋于稳定，但围岩变形为长期的过程，因此数值模拟和现场监测存在较小误差，误差范围是可接受的，数值模拟结果是可靠的，可用于指导现场施工。

4 结语

（1）以漳浦港城大道巷内隧道工程为背景，数值模拟分析了隧道洞口段采用双侧壁导坑法和中隔壁法，并用拱顶下沉和周边收敛值作为判断依据，选取双侧壁导坑法作为指导现场施工的方法。

（2）通过洞口段现场监测结果与数值模拟结果进行对比分析，得出数值模拟的方法是可靠的，结果可信，可作为现场施工的指导。

（3）漳浦港城大道巷内隧道洞口段采用双侧壁导坑法施工，洞口安全稳定，支护变形较小，因此，双侧壁导坑法可作为同类地质较差洞口的一种可靠进洞方案，具有借鉴意义。