复杂破碎围岩条件下大断面公路隧道初期支护的合理时机分析

李善斌

（中铁十七局集团第六工程有限公司，福建 厦门 350000）

目前国内高速公路快速发展，设计、环保理念进一步提高，隧道在高速公路中所占比例越来越多，同时随着设计速度目标值越来越高，开挖断面也越来越大，提高隧道开挖的安全性及施工效率十分重要。为此，国内外众多学者以及工程人员对其进行了较多的研究，虽然这些研究成果为高速公路隧道的安全快速施工提供了较好的指导，但专门针对复杂破碎围岩条件下大断面公路隧道双侧壁导坑法开挖支护时机的研究则较为少见，因此有必要针对复杂破碎围岩条件下大断面公路隧道开挖支护进一步进行分析和优化，以期为类似施工环境下的隧道建设提供技术参考。

1 工程概况

洋溪隧道线路基本呈南北走向，设计为分离式隧道，双向六车道。单洞裸洞跨度16.37m，洞高11.66m。穿越地层主要为全风化、强风化至微风化花岗闪长岩地层，全线Ⅳ～Ⅴ级围岩占全隧道72%。其中通过一些断层带及其影响带，岩体受构造影响较强烈，部分地段围岩较破碎，易发生突水、突泥，整体上隧道通过段的围岩节理裂隙较发育，岩体破碎，部分地段同一开挖断面上软下硬，开挖难度大，风险较高，现场采用4部双侧壁导坑法施工。其开挖和支护处置步序如图1所示。

初支护采用20b工字钢拱架按纵向间距0.5m一榀布置，喷射厚0.27m的C25混凝土，并布置单层Φ8mm钢筋网（网格间距20cm×20cm）及模注0.50m厚的二次衬砌混凝土；梅花型布置，间距1.0m（环）×0.5m（纵）、L=4.0m的D25注浆加固锚杆，如图2所示。

图1 4部双侧壁导坑法开挖和支护处置步序图

2 计算模型的建立

2.1 计算模型

图2 4部双侧壁导坑法衬砌钢支撑图

在平面图上选择该隧道位置130m×30m的一块长方形V级围岩区域为基准建立计算模型，如图3所示。在立面图上，模型底面取155.5m高程，顶面高程为243.5m。模型以该隧道出口的右方向为X轴正向，以洞纵轴方向为Y轴正向，以空间竖向向上为Z轴正向，构成笛卡尔直角坐标系。为了计算方便，数值模拟时按单个洞室考虑。

三维弹塑性有限差分数值计算模型中岩土体围岩采用8节点六面体等参单元离散化模拟；锚杆和初喷混凝土采用FLAC3D软件内置的结构单元（锚杆采用Cable单元，初喷混凝土采用Shell单元）模拟。在划分网格时，采用不同精度的网格划分：在对计算结果影响最大的区域采用了较大的网格密度，在隧道区外对计算结果影响较小的区域采用了相对较低的网格密度，在计算最为关注的隧道及其附近还进行了适当的网格加密，以便保证计算的精度。具体的网格划分如图3所示。

图3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖计算的几何模型示意图

2.2 边界条件及计算参数

结合实际情况，在模型的左右、前后侧直立面上施加水平方向的光滑位移约束，对底平面设置Z方向的竖直约束，模型的顶面取为自由边界。通过施加重力来考虑自重应力场的作用。

研究区的岩土体物理力学指标依据工程勘察、设计资料选取，如表1所示。

表1 场区花岗闪长岩物理力学指标设计建议值汇总表

为简化计算，根据已有研究经验、《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）及相关文献报道：锚杆的弹性模量为20.0GPa，泊松比为0.2；初喷单层Φ8钢筋焊接网的C25混凝土的弹性模量为25.0GPa，泊松比为0.2，重度为22.0kN/m3；模注二次衬砌混凝土的弹性模量为28GPa，泊松比为0.2，重度为24.0kN/m3。

3 隧道围岩稳定性分析和判断依据

参照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086—2001）并采用工程类比法，依据翔安海底隧道工程陆域段Ⅴ级围岩的监控量测拱顶沉降及边墙收敛的限值作为本研究对象的最大允许阈值。各施工部最大允许拱顶沉降和最大允许边墙洞周收敛取值如下：（1）Ⅰ部、Ⅱ部导洞高8.88m，最大围岩跨度约为5.2m，则其最大允许拱顶沉降值为7.1cm，最大允许边墙洞周收敛值为13.1cm；（2）Ⅲ部导洞高5.383m，最大围岩跨度约为12.544m，则其最大允许拱顶沉降值为9.33cm，最大允许边墙洞周收敛值为10.0cm；（3）Ⅳ部导洞高6.083m，最大围岩跨度约为7.154m，则其最大允许拱顶沉降值为9.33cm，最大允许边墙洞周收敛值为5.72cm。二衬施作前，整个隧道的最大允许拱顶沉降值为9.33cm，最大允许边墙洞周收敛值为13.1cm。

4 双侧壁导坑法各部序仰拱设置时机

4.1 第1部初支护最佳仰拱设置时机

第1部无仰拱的初支护7.5延米、9延米和10.5延米施工后洞室围岩的竖向、水平位移云图如图4～图6所示。图中竖向位移云图单位为m，负值表示沉降，正值表示隆起，水平位移云图单位为m，负值表示向左位移，正值表示向右位移，下同。

图4 第1部7.5延米洞室围岩

图5 第1部9延米洞室围岩

图6 第1部10.5延米洞室围岩

4.2 第2部初支护最佳仰拱设置时机

本计算工况各部施工情况：第1部施作初支护和仰拱18延米后进行第2部开挖及无仰拱的初支护7.5延米和9延米。该工况洞室围岩的竖向、水平位移云图如图7、图8所示。

4.3 第3部开挖及初支护施作最佳长度

图7 第2部7.5延米洞室围岩

图8 第2部9延米洞室围岩

本计算工况各部施工情况：第1部施作初支护和仰拱25.5延米、第2部施作初支护和仰拱18延米、第3部开挖及初支护12延米和13.5延米。该工况洞室围岩的竖向、水平位移云图如图9、图10所示。

图9 第3部12延米洞室围岩

图10 第3部13.5延米洞室围岩

4.4 第4部开挖及初支护施作最佳长度

本计算工况各部施工情况：第1部施作初支护和仰拱25.5延米、第2部施作初支护和仰拱18延米、第3部开挖及初支护9延米、第4部开挖及无仰拱的初支护6延米和7.5延米。该工况洞室围岩的竖向、水平位移云图如图11和图12所示。

5 现场应用情况分析

将数值模拟结果进行现场应用，得到各步序对应变形实测值统计如表2所示。

图11 第4部6延米洞室围岩

图12 第4部7.5延米洞室围岩

表2 双侧壁导坑法各步序变形实测值统计

由监测结果可知，采用前文优化得出的方案进行开挖与支护，各步序变形实测结果与模拟计算结果基本吻合，安全快速通过了洋溪隧道的软弱破碎Ⅴ级围岩地段，取得了较好的效果。

6 结束语

结合洋溪隧道的软弱破碎Ⅴ级围岩工程实际，通过数值模拟和现场实测资料分析，运用地下结构力学、岩土力学和工程地质学等专业知识，对该工程采用4部双侧壁导坑工法开挖复杂软弱破碎Ⅴ级围岩的公路隧道初期支护的合理时机进行研究，并将结算结果进行了现场应用，得出如下结论。

（1）对于软弱破碎Ⅴ级围岩隧道，在采用双侧壁导坑法开挖第2部之前，第1部无仰拱的初支护洞段开挖不宜超过9延米，最佳时机是第1部施作7.5延米的初支护和仰拱。

（2）在采用双侧壁工法开挖第3部之前，最佳时机是第1部开挖不超过18延米且至少施作16.5延米的初支护和仰拱、第2部施作7.5延米的初支护和仰拱。

（3）在采用双侧壁工法开挖第4部之前，最佳时机是第1部施作25.5延米的初支护和仰拱、第2部施作18延米的初支护和仰拱、第3部施作12延米的初支护。

（4）进入双侧壁工法开挖的下一循环之前，各部序最佳初支护时机为第1部施作25.5延米的初支护和仰拱；第2部施作18延米的初支护和仰拱；施作第3部12延米的初支护；第4部开挖并施作无仰拱的初支护不宜超过6.0延米。

（5）从现场应用情况来看，文章确定的仰拱设置的时机与施工的合理步长和步序是合理的，可为类似地质及施工环境下的隧道施工提供技术参考和指导。