超大跨度隧道上台阶CD法直墙式临时支护研究

李九超，臧春雷，余鸾鹦，刘亚辉

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重庆 401120； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

根据JTG 3 370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[1]的规定，超大跨度隧道是指开挖跨度>18m的隧道，常见的单洞四车道公路隧道大多属于此类。这类隧道具有跨度大、扁平率低、薄拱的特点，同时现场地质情况复杂，开挖过程中施工顺序复杂多变。因此如何采用合理的开挖方法是目前施工中的难点。合理的施工方法应同时满足施工的安全性与经济性要求，同时利于不同方法之间的转换，以免影响工程进度，又可以降低工程造价。目前国内在隧道开挖方法的研究方面已经有了一定的发展，并取得了一些研究成果[2-9]。然而现阶段我国超大跨度公路隧道施工方法没有可供遵循的标准或规范，主要依靠工程类比法，因此在实际施工中容易造成施工方法偏于保守。

上台阶CD法作为一种比较先进的施工方法，能够减少不必要的临时支撑，在工期、技术经济效益等方面均优于传统的CD法施工。正因如此，近年来上台阶CD法在公路隧道领域运用的越来越广泛，但是目前对上台阶CD法的研究还相对较少，尤其是对超大跨度公路隧道上台阶CD法临时支护的研究目前还处于空白状态。因此，对上台阶CD法临时支护的变形规律和安全性的研究是很有必要的。

采用直墙式临时支护相比曲墙式临时支护具有减少施工步骤、提高立架效率、节省材料等优势，已广泛应用于施工中，但是其变形规律、支护效果及其安全性的研究尚滞后于工程实践。因此，本文以滨莱高速改扩建工程佛羊岭隧道为依托，通过现场监控量测和数值模拟，对直墙式临时支护的变形规律及稳定性进行分析研究。

1 工程概况

佛羊岭隧道是双洞八车道公路隧道，左线长772m，右线长775m，两洞间距8.4～19m，隧道最大开挖跨度21.48m，最大开挖高度14.3m，最大埋深66.6m。

隧址区为剥蚀低山丘陵地貌区，土体以第四系残坡积层含砂粉质黏土、残积土为主，地表多为耕植土，土体类型为松散土体。隧址区主要岩性为太古代混合花岗岩，属于Ⅲ～Ⅴ级围岩无滑坡、崩塌、泥石流等影响场地稳定的不良地质现象。隧道整体位于地下水水位以上，无溶洞发育现象。

佛羊岭隧道Ⅳ级段采用直墙式临时支护的上台阶CD法开挖，现场施工如图1所示，隧道设计断面及开挖工序如图2所示。

图1 直墙式临时支护现场施工

图2 隧道设计断面及开挖工序

开挖工序为：①先导坑上台阶开挖；②后导坑上台阶开挖；③先导坑下台阶开挖；④后导坑下台阶开挖；⑤核心土与仰拱整体开挖。

2 隧道变形监测结果分析

拱部沉降与净空收敛量测是隧道监控量测的主要的监测内容[10]，能够直接反映隧道施工过程中的稳定性情况，同时为隧道施工质量与安全提供必要依据。为了确定上台阶CD法直墙式临时支护的效果，本文以佛羊岭隧道为依托，对Ⅳ级围岩段进行拱部沉降和净空收敛现场监控量测。

2.1 变形监测方案

根据佛羊岭隧道的结构特点及施工方法，确定监测项目和方法。在隧道拱部布置了3个沉降变形监测点0，1，2；拱腰和拱脚处布置了3-3’，5-5’，3-4，5-6共4条水平收敛测线，如图3所示。

图3 监测点布置

2.2 监测结果分析

2.2.1沉降变形

整理佛羊岭隧道右线Ⅳ级围岩段拱部沉降变形现场监控量测数据，得到各断面沉降变形的最大沉降速率与最终沉降值，如表1所示，其中将典型断面YK115+815监测结果绘制成沉降时态曲线如图4所示。

表1 拱部沉降监测结果

图4 拱部沉降时态曲线

由表1可以看出，各监测断面的拱部各点最大沉降速率为3.8mm/d，最终沉降最大值为13.3mm，可知监测断面在初期支护阶段的拱部沉降变形相对较小，均能满足设计和施工要求。

根据图4中的沉降时态曲线可以看出，拱顶偏左(1号测点)的沉降值相对较大，稳定后的沉降值分别在7.5mm左右，其他两个监测点的沉降幅度则相差不大。各监测点的沉降时态曲线大体上呈现为：“初期快速增长→中期缓慢增长→后期趋于稳定”3个阶段，虽受施工过程中爆破振动等因素的影响，沉降时态曲线有微小波动，但整体变化规律一致，且均远小于设计预留变形量150mm。

2.2.2收敛变形

整理佛羊岭隧道右线Ⅳ级围岩段收敛变形监测结果，如表2所示，其中典型断面YK115+815的收敛变形时态曲线如图5所示。因为后导洞开挖以后临时支护受爆破振动等因素的影响，变形杂乱无规律，故在后导洞开挖以后，重点监测主断面收敛变形。

表2 净空收敛监测结果

图5 净空收敛时态曲线

从表2中可以看出：隧道各监测断面净空收敛的最终相对收敛值均较小，最大收敛速率为1.4mm/d，最大收敛值为5.1mm，变形远远小于设计预留变形量150mm，说明隧道在开挖过程中初期支护能够满足要求。

从图5中可以看出：随着后导洞的开挖，变形收敛均先急剧增长，之后进入缓慢增长阶段，最终达到一个相对稳定的状态，即呈现为：“初期快速增长→中期缓慢增长→后期趋于稳定”3个阶段，且最终均趋于稳定，说明初期支护完全能够满足要求。

3 隧道变形数值模拟

为了进一步了解佛羊岭隧道Ⅳ级围岩段直墙式临时支护的上台阶CD法施工变形规律和安全性，采用有限元软件对现场施工方案进行动态模拟，以便与实际施工中的监测结果进行对比研究。

3.1 建立模型及选取参数

选取佛羊岭隧道右线典型断面YK115+815建立有限元典型断面模型，该隧道开挖跨度为21m，建模时两侧宽度取140m，隧道下方取3倍隧道跨度，隧道上方根据设计图纸取50m，左右两侧界面施加水平方向约束，底面施加垂直方向约束，初始地应力仅考虑自重应力的影响。视围岩为理想弹塑形材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则，衬砌结构采用弹性模型，初期支护和临时支护采用梁单元，锚杆采用植入式桁架单元，荷载释放系数为4∶3∶3。计算模型如图6所示，材料参数如表3，4所示。

图6 计算模型

表3 支护材料物理力学参数

表4 围岩物理力学参数

3.2 变形结果对比分析

根据佛羊岭隧道YK115+815断面上台阶CD法采用直墙式临时支护施工引起的竖向位移云图进行分析，可得出以下结论。

1)佛羊岭隧道YK115+815断面竖向位移和水平位移均呈现出左右两侧对称的变形规律。

2)根据竖向位移图，拱顶处变形量较大，现场施工中应注意采取加固措施。

将数值模拟结果与YK115+815断面拱部沉降实测值进行对比，竖向位移对比结果如表5所示、水平位移对比结果如表6所示。

表5 拱部沉降模拟值与实测值对比

表6 净空收敛模拟值与实测值对比

对比拱部沉降和净空收敛的实测值与模拟值，可以得出以下结论。

1)大部分实测值与模拟值相比结果偏小，原因是在现场实际埋设监控量测设备时，隧道已经开挖并产生变形，这部分变形现场无法监测到。

2)无论竖向位移还是水平位移，尽管数值模拟结果比实测值略大，但均远小于设计预留变形量150mm，因此佛羊岭隧道YK115+815断面上台阶CD法采用直墙式临时支护施工是安全的。

3.3 安全系数分析

采用JTG/TD70—2010《公路隧道设计细则》中的综合安全系数法对超大跨公路隧道初期支护进行强度校核与评价。在计算钢架和喷射混凝土承担的轴力和弯矩时，将初期支护承担的总轴力和总弯矩按式(1)～(3)分担给钢架和喷射混凝土。

(1)

(2)

Mg=M

(3)

式中：N，M为单位长度内的总轴力和总弯矩；Ah，Ag为喷射混凝土和钢架的截面面积；Eh，Eg为喷射混凝土及钢架的弹性模量；Nh，Ng为喷射混凝土及钢架分别承受的轴力；Mh，Mg为喷射混凝土及钢架分别承受的弯矩。

喷射混凝土及钢架强度采用综合安全系数法进行校核时，其强度应符合式(4)～(6)规定：

KhyNh≤αRhyAh

(4)

(5)

(6)

式中：Rhy为喷射混凝土的抗压极限强度；Rgy为钢架钢材的抗压极限强度；Rgl为钢架钢材的抗拉极限强度；Khy为喷射混凝土的抗压强度综合安全系数；Kg为钢架的抗压、抗拉强度综合安全系数；Wg为钢架截面抗弯刚度；α为偏心影响系数。

从表7，8可以看出，喷射混凝土抗压安全系数大于规范最小安全系数2.4、钢架的抗压和抗拉安全系数均大于规范最小安全系数2，满足安全施工要求，所以上台阶CD法采用直墙式临时支护施工受力情况合理，结构整体安全性较好。

4 结语

1)根据现场监控量测和数值模拟的结果可知拱部沉降和净空收敛变形均较小，远小于设计预留变形量，说明超大跨度公路隧道在Ⅳ级围岩段，上台阶CD法采用直墙式临时支护施工时，围岩和初期支护变形是满足要求的。

表7 初期支护内力及安全系数

表8 临时支护内力及安全系数

2)由监控量测数据可知沉降和收敛变形主要分为3个阶段：急剧增长-缓慢增长-相对稳定；随着后导洞的开挖，先导洞变形持续增长，之后变形缓慢增长，最终达到一个相对稳定的状态。

3)从安全系数分析结果来看，喷射混凝土抗压安全系数与型钢钢架抗压和抗拉安全系数均满足规范要求，说明超大跨度公路隧道在Ⅳ级围岩段，上台阶CD法采用直墙式临时支护时临时支护的安全性是满足要求的。