大断面公路隧道开挖工法适应性研究

翟富强

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401123)

随着交通运输的快速发展及汽车保有量的急剧增加，在一些交通量需求较大的地方修建多车道高速公路成为普遍现象。在施工方面，由于大断面公路隧道跨度较大，结构将承受较大的围岩压力，受力条件较为复杂，加上施工期间诸多工序的相互影响及围岩的多次扰动，极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏的现象。为此，国内外专家学者开展了众多研究。日本、德国等一些西方发达国家的探索和研究起步较早。早在1981年，德国就首创了CD工法，并成功应用了双侧壁工法、眼镜工法等先进施工方法。1984年，日本也将CD工法应用于大跨度扁坦状的真米公路隧道施工中；1995年，开挖面积达265 m2的恩格贝格山岭公路隧道则采用了三台阶七步流程的施工方法。日本东名高速公路改造工程的隧道加宽施工，也广泛采用了双侧壁坑导法、上下短台阶法、CD工法、CRD工法等多种施工方法。我国此方面的研究起步则较晚，直到二十世纪90年代的中后期才陆续兴建了一些三车道的大断面公路隧道。近年来，通过引进国外的先进施工工艺和方法，也有一些成功的工程范例，如厦门海底公路隧道成功应用了CRD法，浙江省境内的弁山隧道成功运用了双侧壁导坑法。崔光耀等[1]通过数值模拟方法，对上硬下软地层铁路大断面隧道施工方法进行比选，认为三台阶临时仰拱法优于交叉中隔壁法、台阶法和三台阶七步法，并且三台阶临时仰拱法在实际应用中也取得了良好的效果；郑静等[2]采取优化爆破参数、降低爆破振动等措施，使高效的全断面施工法在大断面隧道施工中得到成功运用；李树鹏等[3]采用数值计算方法对全风化花岗岩浅埋地层超大断面隧道的施工技术问题进行了研究，通过多种工法的对比，得出了“靴型大边墙+加劲拱双侧壁临时横撑开挖法”更适宜该隧道施工的结论；杨景贺等[4]采用数值模拟方法分析了双侧壁导坑法应用于大断面隧道施工中的围岩变形、应力分布、塑性区发展以及中间岩柱变形等情况，进而提出了针对性的支护对策；孟哲玮等[5]针对某穿越岩溶破碎带的大断面隧道，采用荷载-结构法的二维有限元模型，分析隧道不同支护方案以及不同荷载释放比例下隧道初期支护的变形与受力特性，并以此确定无内支撑支护的施工方案；潘格林等[6]针对古滑坡体滑动面横穿拟建大断面隧道洞身的难题，运用FLAC3D有限差分软件以隧道围岩位移特征、塑性区发展规律以及围岩应力状态为主要指标，对三台阶七步法、双侧壁导坑法以及CRD法进行了施工力学行为的比选，进而确定了合理的施工方法，并成功控制了围岩变形。皇民等[7]采用有限元分析方法对超大断面隧道开挖施工过程进行了模拟，明确了双侧壁导坑法与CD法开挖方式下隧道围岩的变形规律及应力分布特征。但总体而言，相较于发达国家，我国目前对于大断面隧道工法的选择绝大部分采用经验类比进行，没有一套成熟施工工法体系可供参考。

此外，国内外虽对并行小净距隧道的施工做了一定的研究，但大多局限于两线隧道施工的相互影响，而对多线并行大断面隧道群建设过程中各隧道施工相互影响问题的研究还极为少见，并无一套成熟的技术可供参考。因此，本文拟结合成都天府国际机场高速公路龙泉山隧道工程的修建，对并行大断面小净距隧道群施工的群洞效应及其控制技术进行探讨。

1 工程概况

成都天府国际机场高速公路是连接成都市区及成都新机场的主干道，是保障成都“一市两场”航空格局形成及成都持续发展的重大工程。其起于成都绕城高速公路(G42-01)成龙立交以西2.5 km附近，止于石桥镇，设置新机场枢纽互通与机场内部相连，是四川省第一条双向八车道高速公路，设计速度为120 km/h。天府国际机场高速公路穿越龙泉山的隧道工程是整个项目的重难点工程，共设2座分离式长隧道：龙泉山1号隧道与龙泉山2号隧道。两座隧道各有4线长度在2 km以上的并行隧道，按线路前进方向形成了并行的大断面公路隧道群。龙泉山1、2号并行隧道群在隧道衬砌横断面上为双向十车道，按路线前进方向，隧道断面布置从左至右依次为2+3+3+2(车道)，如图1所示，其中2车道隧道为货车优先车道，净空面积(不含仰拱)达73.43 m2，3车道隧道为客车优先车道，净空面积(不含仰拱)达108.89 m2。

图1 龙泉山1号隧道典型断面图

龙泉山隧道是隧道的主要部分，四线并行隧道相邻两线之间的净距(10～40 m之间)小于《公路隧道设计规范》规定的分离式独立双洞隧道间的最小净距(见表1)，相邻两线在隧道全长大部分范围内属于小净距隧道。显然，这样的四线并行大断面小净距隧道群(至少含有两线开挖断面超100 m2的大断面隧道，在隧道群紧急停车带位置四线隧道开挖断面均超100 m2，均为大断面隧道)的建设将产生严重的群洞近接施工相互影响的问题，给施工带来诸多不确定性及风险，具体表现为两点：①相较于一般的并行小净距隧道施工问题，小净距隧道群中的洞室及其周围围岩将受到更多的施工扰动，围岩的塑性区或将急剧增大，甚至发生失稳的情况，同时隧道结构的受力也处于极为不利的状态；②并行隧道群中存在的大断面隧道(横断面面积大于100 m2)，由于其低扁平率的结构特点及自身施工时对围岩已造成的多次扰动，极有可能放大小净距隧道接近施工给围岩-结构体系带来的负面效应。

表1 分离式独立双洞间的最小净距

注：B——隧道开挖断面的宽度

在综合调研国内外大断面低扁平率隧道施工关键技术的基础上，本文采用数值模拟手段，并结合现场测试数据，对不同围岩条件下大断面(断面面积大于100 m2)低扁平率隧道施工工法的合理性进行深入研究，重点剖析不同围岩级别下大断面低扁平率隧道不同工法不同施工状态下围岩-支护体系的力学行为特征，探明各工法下围岩及隧道结构位移场及应力场的演变特征，在兼顾工程安全性及经济性的基础上，明确提出不同围岩级别条件下大断面低扁平率隧道的适宜施工工法及支护参数，并据此分析龙泉山隧道工程大断面隧道设计施工方案的适应性。

2 隧道数值模型

2.1 隧道开挖施工方法

Ⅳ级围岩条件下，两车道隧道对全断面法、台阶法、留核心土法3种开挖工法进行比选、3车道隧道对三台阶七步法、单侧壁导坑法及双侧壁导坑法3种开挖工法进行比选。

2.2 隧道模型

隧道采用FLAC3D建立三维模型，具体分析在不同施工方法下，隧道开挖过程中及开挖结束后洞周位移情况及支护结构受力特点。计算时以Ⅳ级围岩为例，通过应力释放的方法来模拟实际开挖[8]。隧道开挖后，应力释放率控制在30%，在初期支护结构施工后，释放所有荷载。两车道隧道采用全断面法、台阶法、留核心土法，3车道隧道采取三台阶七步法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法，不同工法间横向比较。

为消除边界影响，计算范围从隧道中心左右各取60 m(约3倍开挖跨度)，上边界取距离隧道拱顶约40 m，剩余埋深以自重荷载的形式体现。地层采用三维实体单元模拟，并假定其满足Mohr-Coulomb弹塑性本构关系，初期支护采用壳单元模拟，超前小导管及锚杆采用锚索单元模拟，围岩的加固通过提高相应加固区内围岩的物理参数来实现。此外，钢架作用按等效方法予以考虑。图2为不同施工方法工序模型图。

2.3 物理力学参数

计算围岩、隧道支护结构的物理力学参数见表2、表3所示。

表2 基本物理力学参数

表3 支护结构物理力学参数

图2 不同施工方法模型图

3 两车道隧道开挖工法数值计算结果及分析

3.1 围岩塑性区分析

图3显示了不同施工方法下围岩塑性区的分布情况。

从图3可以看出，不同工法开挖下塑性区分布规律基本一致，洞内土体开挖过程中因拱顶范围土体主应力向两边传递，使得拱肩以下范围土体偏应力较大产生较大塑性区，其中拱脚处因应力集中及承受了来自上部的主要荷载作用，产生了较大的塑性区深度及范围。此外，边墙部位也相应产生了部分塑性区。比较3种不同工法施工开挖后监控断面塑性区分布情况可以发现，塑性区分布范围从大到小依次为：留核心土法、台阶法、全断面开挖法，这说明了留核心土法开挖隧道过程围岩受扰动范围稍大。

图3 不同施工方法围岩塑性区分布图

3.2 围岩位移分析

图4及图5分别显示了不同施工方法下围岩竖向位移云图及水平位移云图。

从计算结果及围岩位移云图中可以看出：

1)不同工法施工开挖下，围岩位移分布规律基本一致，拱顶位移以沉降为主，全断面法、台阶法、留核心土法最大沉降值分别达到-21.77 mm、-20.72 mm、-18.23 mm；拱底位移以隆起为主，3种开挖方法引发的拱底隆起值分别为18.35 mm、25.536 mm及26.17 mm。拱肩、拱脚部位以向洞内位移为主，3种工法洞周水平收敛最大值分别达到1.56 mm、3.58 mm、2.80 mm。

2)在Ⅳ级围岩条件下，分部开挖对围岩拱顶沉降变形控制有利。例如采用全断面开挖施工时，产生的拱顶沉降最大，最大达到-21.77 mm，而采用留核心土法开挖施工时，产生的拱顶沉降最小，仅为-18.23 mm，相较于全断面施工减小幅度约为19.4%；然而，在控制拱底隆起方面，全断面开挖施工引发的拱底隆起值最小，为18.35 mm，比最大的留核心土法开挖施工的26.17 mm小42.6%。这是由于采用全断面法开挖，可以及时施作隧道仰拱，有效地控制了围岩拱底的变形。

3)不同工法下，洞周围岩水平最大收敛位移产生在拱肩及拱脚的位置，但是收敛值均不大，保持在4 mm以下。全断面开挖洞周水平收敛位移最小，量值约为1.56 mm，小于台阶法开挖的水平收敛最大值3.58 mm约56.4%。

3.3 初期支护结构力学分析

表4及表5显示了初期支护结构不同部位的内力值。

图4 不同施工方法隧道开挖后围岩竖向位移云图

图5 不同施工方法隧道开挖后围岩水平位移云图

表4 不同工法下初支监控点最大主应力值

表5 不同工法下初支监控点最小主应力值

从初期支护结构主应力统计值可以看出：

1)从初期支护结构不同部位最大主应力量值来看，全断面法开挖的最大主应力值普遍大，并且在结构拱顶存在较大的拉应力，达到0.98 MPa，不利于结构的稳定和安全性；

2)从初期支护结构不同部位最小主应力量值来看，全断面法、台阶法、留核心土法结构受力情况基本一致，最大值分布在拱腰和拱脚的位置，但量值均在喷射混凝土的设计抗压强度以内。

通过对不同开挖工法下围岩塑性区、围岩变形特征及初期支护结构受力情况等指标进行综合分析，可以得出以下几点结论：

1)采用全断面法进行隧道开挖，隧道拱顶围岩最大主应力最大，量值达0.96 MPa(其他2种工法最大主应力量值均在0 MPa以下，不会出现围岩受拉情况)，明显不利于隧道开挖后围岩稳定性的保持；

2)在控制2车道隧道洞周位移指标上，全断面法开挖施工拱顶沉降位移最大，达-21.77 mm；留核心土法开挖拱顶围岩沉降最小为-18.23 mm，相差19.4%。对于龙泉山Ⅳ级较差的围岩，须严格控制围岩变形，故宜采用留核心土和台阶法进行隧道开挖；

3)从两车道隧道初期支护结构受力情况来看，全断面法进行开挖的隧道初期支护结构拱顶最大主应力值较大，达0.98 MPa，在支护结构顶部造成较大的拉应力，不利于结构的稳定和安全性。3种工法下初期支护结构最小主应力分布基本一致，且量值差别不大。

4)为确保龙泉山2车道公路隧道施工开挖过程的安全与稳定，2车道隧道Ⅳ级围岩段建议采用台阶法进行开挖。

4 3车道隧道开挖工法计算结果及分析

4.1 围岩塑性区分析

通过塑性区的演变特征及大小来对不同工法开挖下围岩受扰动情况进行初步判断及分析。图6显示了不同工法下3车道隧道围岩塑性区分布特征。

比较图6中不同工法施工开挖后监控断面塑性区分布情况可以发现，塑性区分布范围从大到小依次为：三台阶七步法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法。这说明采用三台阶七步法开挖，围岩受扰动的范围稍大。

图6 不同开挖方法围岩塑性区分布图

4.2 围岩位移分析

图7及图8显示了不同施工方法下围岩竖向位移云图及水平位移云图。

从图7—图8中可以看出不同工法下围岩的变形情况：

1)围岩竖向位移以拱顶沉降最大，其中双侧壁导坑法引起的沉降最小，量值为4.01 cm, 三台阶七步法引起的沉降为4.13 cm，而单侧壁导坑法引起的沉降最大，量值为4.20 cm。故从控制隧道拱顶沉降来看，双侧壁导坑法最优，而其他另外2种工法次之，但3种工法总体差别不大；

2)从隧道开挖后洞周水平收敛位移来看，最大位移均出现在拱肩部位，其中三台阶七步法开挖后拱肩水平收敛位移最小，为7.2 mm，双侧壁导坑法次之，单侧壁导坑法最大，量值达到9.7 mm;

3)对于拱肩水平收敛，单侧壁导坑法开挖引起的水平收敛值始终保持最大，三台阶七步法最小；对于拱脚水平收敛，双侧壁导坑法开挖引起的最大，三台阶七步法开挖引起的最小。

图7 不同施工方法隧道开挖后围岩竖向位移云图

图8 不同施工方法隧道开挖后围岩水平位移云图

4.3 初期支护结构力学分析

图9—图10显示了初期支护结构的主应力分布情况，分析对比隧道在不同施工方法开挖后初期支护结构的力学变化特征，从初期支护结构，例如喷射混凝土的安全性状况及材料性能的发挥等方面来评价喷射混凝土受力的优劣性，进而对工法适应性进行研究。

图9 不同施工方法初期支护结构最小主应力云图

图10 不同施工方法初期支护结构最大主应力云图

从图9—图10中可以看到，在隧道不同开挖方法条件下，隧道初支护基本以压应力为主。不同喷射混凝土厚度下拱腰处最小主应力值(绝对值)最大，一般达到30 MPa左右；初支结构的拉应力主要集中在拱脚和拱底部位，但三台阶七步法开挖与其它两种开挖工法相比，会在衬砌拱顶产生较大的拉应力，量值约为1.7 MPa，而单侧壁导坑法及双侧壁导坑法开挖初期支护结构拉应力均控制在0.5 MPa以下。这表明采用单侧壁导坑法及双侧壁导坑法开挖对初期支护结构受力更优，安全性较好。

经上述数值模拟，对不同开挖工法下围岩塑性区、围岩变形特征及初期支护结构受力情况等指标进行综合分析，可以得出以下几点结论：

1)在控制三车道洞周位移指标上，双侧壁导坑法控制拱顶沉降效果较好，三台阶七步法控制洞周水平位移效果较好，但综合来看，对于围岩条件差、对围岩变形控制要求严格的工况，宜采用双侧壁导坑法；

2)从三车道隧道初期支护结构受力情况来看，三台阶七步法施工支护结构受力较大，且易在支护结构顶部造成较大的拉应力，不利于结构的稳定和安全性。

3)由于三台阶七步法施工开挖步数多，易在初期支护结构上产生较大的应力集中，不推荐采用三台阶法施工。但采用单侧壁导坑法或双侧壁导坑法施工，拆除中壁作业复杂，施工进度慢，因此三车道隧道开挖工法还应结合实际施工情况做进一步研究。

5 结 论

本文依托成都天府国际机场高速公路龙泉山隧道，对多线并行大断面隧道群开挖施工工法的适应性进行了分析，通过数值分析，横向对比了Ⅳ级围岩不同工法下围岩塑性区、围岩变形特征以及初支结构受力特征等指标，并得出结论如下：

1)对2车道隧道，建议采用台阶法开挖，可有效保障隧道开挖结构稳定与施工安全；

2)对3车道隧道，在围岩条件差、变形控制要求严格时宜采用双侧壁导坑法，有利于结构稳定性及安全性，但考虑到工序复杂性及施工进度等方面的影响，实际施工时的工法选择应根据环境条件做进一步研究；

3)本文的分析仅基于龙泉山隧道的边界条件，后续应进一步对不同地质条件与施工环境下类似隧道工程的工法应用情况进行研究，探讨不同工法的适用范围。