软弱围岩分岔大断面暗挖隧道反挖施工技术分析*

杨四海，何文聪

(中国路桥工程有限责任公司，北京 100011)

0 引言

隧道分岔段向匝道引出的节点包含多种隧道断面形式，如小净距段、连拱段、大跨段。大跨段断面根据交通车道要求，形似喇叭口，最大断面处常采用4～8车道，围岩稳定性和变形特征成为分析关键。

目前国内已有学者对大跨度分岔隧道进行相关研究。丁文其等[1]运用数值分析和理论分析法对深埋分岔隧道空间荷载计算模型进行研究。谈识等[2]对大跨度分岔隧道连拱段提出无中导洞施工方案，并进行有限元数值模拟分析，但未对分岔隧道大跨段分析做详细描述。李宣高[3]提出大跨度分岔隧道在不同围岩等级下的开挖施工方法，然而对Ⅱ类围岩隧道采用6部台阶法，且先行施工中央核心土的施工方案不具有普遍适用性。吴张中等[4]通过等代圆法，结合复变函数理论推导大跨段断面扩挖时的围岩应力函数，将大跨段围岩简化为各项同性均值弹性体，采用台阶法开挖，适用于围岩较好的深埋大跨隧道，对复杂条件下大跨隧道难以适用。胡云鹏[5]提出从小净距隧道先行导洞向大跨段隧道开挖、实现隧道双向施工的方法，该方案在大跨段最大断面开始双向扩挖，采用台阶法施工，当围岩较好时可行，但未分析复杂条件下的可实施性。刘鹏[6]结合胶州湾隧道浅埋大跨分岔段案例，提出综合采用超前注浆技术、CRD工法、微振爆破技术等控制围岩变形，实现超浅埋大跨隧道(大跨段覆土仅14m)施工，因为该隧道洞身基本在微风化岩层内，且开挖方向为单向，施工安全具有可控性。李勇等[7]采用三维有限元分析方法研究万石山隧道工程分岔隧道大跨段施工方案，没有详细分析双侧壁开挖施工过程中的临时支护和围岩状态。

在深圳市东部过境高速公路连接线工程中，采用数值有限元方法研究软弱围岩条件下分岔隧道大跨段施工工法，分析由断面隧道向大跨段隧道的反挖施工工序，并验证施工安全性。

1 工程概况

深圳市东部过境高速公路连接线工程是连接深圳主城区与东部过境高速公路的重要通道，南接深圳东环沿河北路，西连北环布心路，下穿东湖公园和深圳水库，隧道全长约3.1km。采用城市快速路标准进行设计，主线双向6车道，设置2条东南向和南东向地下匝道有效衔接地面道路，1车道匝道(3.5m+2.5m紧急停车带)和2车道主线隧道在谷对岭山岭地下交汇，与主线隧道立体交叉，如图1所示。隧道分岔段依次为小净距段、连拱段、分岔渐变大跨段，从匝道过渡到标准3车道。其中分岔大跨段分为E4，D4，C4，B4，A5+大断面形式，断面随桩号逐渐变小，最大跨度断面E4宽24.338m、高15.312m。

图1 谷对岭分岔段平面

根据地质钻探结果，场区有F7，F8断层通过。场区覆盖层主要为第四系上更新统坡洪积层，下覆依次为全风化碎裂岩化混合花岗岩、强风化碎裂岩化混合花岗岩、中风化碎裂岩化混合花岗岩、微风化碎裂岩化混合花岗岩。大跨段在F7主断层通过位置以构造岩为主，局部发育有糜棱岩，岩体破碎，构造岩破碎带存在裂隙承压水，并沿构造破碎带定向富集。F8主断层通过位置以构造角砾岩为主，岩体破碎，构造岩破碎带存在裂隙承压水，并沿构造破碎带定向富集。

2 分岔隧道大跨段设计与施工

2.1 隧道支护参数

谷对岭分岔E4大跨段埋深约70m，围岩级别为Ⅳ级。初衬超前支护采用φ89管棚，长为12m，间距为0.3m(环向)×8m(纵向)。超前小导管采用φ50×4钢花管，长4.5m，间距为0.3m(环向)×3.2m(纵向)。拱架间为双层φ8@0.2m×0.2m钢筋网。钢拱架采用HW200×200×8×12型钢，间距0.8m。初支采用C30喷射混凝土，厚0.28m，预留变形量为0.15m，外包防水为无纺布+防水板，二衬为C35钢筋混凝土。拱腰增设R25中空注浆锚杆，长为4.5m，间距为 0.8m(环向)×0.8m(纵向)，如图2所示。

图2 E4型衬砌结构设计

2.2 大跨段隧道施工方案

原设计方案施工顺序是从主洞标准3车道向大跨段施工，然后依次开挖匝道和主洞2车道段，施工断面逐步扩大，扩大面积不大，安全可控。然而暗挖隧道施工掌子面有限，难以控制各掌子面施工顺序，该项目难以具备从标准3车道向大跨段开挖的条件。而从匝道小净距段向主洞大跨段隧道施工，由于断面增大面积较大，如果一次性进入大跨度段，施工难度较大，有一定风险。因此按照减小临空面，实现有序施工，逐步扩挖的原则，采用先行导洞进入跨度较小断面，再反向扩挖的方案，如图3所示。掌子面由匝道小净距段进入连拱段，采用CD法施工，从连拱段施工先导洞爬坡扩挖到E4型大跨段顶部，沿隧道主洞依次进入D4型、C4型断面，在C4型断面末端横向扩挖出C4型断面上台阶，反向施工C4，D4，E4右侧导坑，按照双侧壁导坑法施工大跨段隧道。大跨段调头施工平面如图3所示。

图3 大跨段调头施工平面

根据文献，有隧道案例在最大跨度处(此项目即E4段)横向扩挖调头，直接施工连拱段进入另一侧主洞。若按此方案，在调头处跨度最大，且紧邻连拱段和小净距段，围岩受力情况极为复杂，风险较大。而如果尽量将先行导洞延续到最小断面，即主洞标准3车道断面才开始调头开挖，由于导洞施工加之反向扩挖，整个大跨段将在初期支护条件下持续较长时间，根据工期安排，长达半年，按照新奥法设计施工原理，隧道在初支条件下围岩缓慢释放应力，长期停滞不利于隧道整体稳定性，因此导洞不宜过长。根据公路隧道施工规范要求，应及时施作软弱围岩及不良地质隧道的二衬衬砌，在Ⅳ级围岩的情况下，二衬距掌子面≤90m[8]。然而通过施工经验表明，软弱围岩由于自承能力有限，在二衬距掌子面超过2倍隧道跨度后，难以收敛掌子面后的初支监测沉降数据，掌子面有失稳风险。这是因为隧道施工在围岩中呈三向受力状态，隧道拱顶不仅在横断面上形成松动拱，在纵断面上同样存在松动拱效应，二衬和掌子面间的临空面距离越大，隧道上方形成的松动圈越难以形成压力拱，从而持续变形甚至坍塌。因此推荐采用2倍隧道断面，即约50m长作为先行导洞开挖距离反挖大跨段隧道。

2.3 大断面不对称开挖施工方案

反挖施工段为断层带软弱围岩大跨度隧道，围岩条件较差，因此结合先行导洞初期支护，可采用双侧壁导坑法施工。考虑先行导洞作为反挖施工人员出入和出渣通道，对断面宽度有一定要求，因此设置先行导洞断面宽度为8.6m、高9.8m。由于高度较大，围岩破碎，难有自稳能力，采用HW200×200×8×12型钢对导洞顶部进行横向支撑。

随着整体断面缩小，导洞断面不变，相对整体断面面积占比不断变大，双侧壁导坑逐渐变成不对称支护形态。施工最不利断面为C4型断面，左侧导坑断面较大，其他部分较小，整体受力不利，因此需分析断面施工过程中围岩稳定性和支护承载力。C4型临时支护钢架如图4所示。

图4 C4型临时支护钢架设计

3 有限元分析模型建立

掌子面左右取5倍开挖跨径距离，下部取3倍跨径距离，可消除计算边界效应。二维岩土体宽200m、深100m。岩土体采用莫尔-库仑本构模型，钢材、混凝土采用弹性本构，锚杆采用植入式桁架单元，截面为φ25，壁厚3.5mm，长4.5m。钢架采用梁单元，为HW200×200×8×12钢拱架。岩土体采用平面应变单元。围岩注浆、围岩超前支护均采用提高加固部位岩体本构参数15%，30%强度值实现。超前注浆、超前支护、仰拱回填混凝土等通过改变边界属性实现。围岩和结构参数如表1，2所示。左右边界约束水平位移，底边为固定约束，对整体模型施加自重荷载，对开挖区域岩土体进行网格加密处理，以更好地反映岩体开挖后的应力变形规律。掌子面模型如图5所示。

图5 大断面非对称开挖掌子面模型

表1 岩土计算参数

4 数值试验结果分析

4.1 围岩变形分析

根据围岩竖向位移分布图，可看出左上台阶开

表2 隧道支护材料参数

挖后，围岩最大沉降发生在拱肩处，约5mm；最大隆起发生在左上台阶底部靠中部土体处，约1.1mm。左中台阶开挖后，最大沉降发生在中部下台阶土体处，约10mm；最大隆起发生在左中台阶底部靠中部土体处，约15mm。左下台阶开挖后，最大沉降发生在中部下台阶土体处，与上开挖步位置相同，约16mm；最大隆起发生在左下台阶底部靠中部土体处，约15mm，数值与上个开挖步相同。左下台阶回填时，围岩土体沉降和隆起最大值与位置都不变。

右上台阶开挖后，最大沉降发生在中部下台阶土体处，约20mm；最大隆起发生在右上台阶底部靠中部土体处，约16mm。右下台阶开挖后，最大沉降发生在中部下台阶土体处，约22mm；最大隆起发生在右下台阶底部靠右侧处，约18mm。

中上台阶开挖后，最大沉降发生在中部下台阶土体处，约18mm；最大隆起发生在右上台阶底部靠中部土体处，约18mm。中下台阶开挖后，最大沉降发生在右侧拱肩，约18mm；最大隆起发生在右侧仰拱处，约20mm。待初支闭合后，拆除隧道内临时支撑时，围岩竖向变形基本保持不变。

4.2 围岩受力分析

4.2.1不对称开挖施工过程最大剪应力分析

根据围岩最大剪应力分布图，左上台阶开挖后，围岩最大剪应力出现在左侧拱肩处，为1 941kPa，即左下台阶角部出现应力集中，该开挖步要加固左下角部。左中台阶开挖后，围岩最大剪应力出现在右侧角部中部岩体处，为2 816kPa，即该台阶右下角部出现应力集中，该开挖步要加固角部。左下台阶、右侧壁开挖后的应力集中位置相同，两侧拱腰边墙处剪应力较大。开挖完成后，最大剪应力出现在左侧拱腰边墙处，为2 160kPa，且两侧边墙处剪应力较大，建议锚杆加固长度超出应力集中区，角度范围为-45°～45°。

4.2.2大断面不对称开挖过程围岩塑性区分析

根据围岩塑性分布区图，左上台阶开挖后，左侧和右侧角部岩体发生塑性变形。左中及左下台阶开挖后，左侧和右侧边岩体发生塑性变形。右上台阶开挖后，右侧拱肩有大面积围岩发生塑性变形。开挖完毕后，掌子面拱肩、拱腰、拱脚处均出现大面积塑性区，建议加固该区域围岩，提高强度指标。

4.3 初支受力分析

4.3.1临时支撑受力分析

临时支撑内力分布如图6所示，左上横撑所受拉应力最大，为5 485kPa。中左竖撑所受压应力最大，为53 585kPa。中左竖撑所受剪应力最大，靠近围岩一端剪应力为59 178kPa。另一端与中横撑搭接，为51 476kPa。中左竖撑靠近围岩一端所受弯矩组合最大，为61 117kPa。受力均满足钢支撑应力承载力要求，建议加固左上横撑和中左竖撑，防止发生破坏。

图6 临时支撑内力分布

4.3.2初衬变形分析

根据初衬变形图，最大水平变形出现在右侧拱腰上部，为35mm，沿x轴负向。沿x轴正向最大水平变形为23mm，出现在左侧拱腰下部。最大沉降为44mm，在仰拱右侧1/3处。最大隆起为19mm，在仰拱左侧1/3处。建议在上述位置加固围岩和初支，以防破坏结构。

4.3.3初衬受力分析

根据大断面初衬内力云图，仰拱受最大拉应力为539kPa，左侧边墙初衬承受最大压应力为98 308kPa。最大剪应力在左右边墙与横撑搭接处，

约70 000kPa。最大弯矩组合在2个拱腰边墙处。施工时注意边墙拱架接腿和横撑连接位置可靠连接，防止节点失稳破坏。

5 结语

1)从小断面匝道开挖进入分岔隧道大跨段需考虑导洞长期安全性，根据周边围岩情况，考虑整体大断面隧道稳定性，综合确定反挖调头施工位置。

2)反挖施工大断面软弱围岩下的分岔隧道大跨段施工，可采用非对称双侧壁导坑工法，支护参数和分布形式需根据地层结构法有限元计算确定。

3)采用数值有限元分析得出反挖大跨段设计支护和工法实施中的围岩变形和应力、初支变形和内力均在安全允许范围内。本文通过计算给出临时支护的计算内力和变形，建议加固薄弱围岩和支护。

本项目在施工中获得成功，临时支护稳定直至二衬浇筑完成，变形和支护内力均满足设计要求，本文限于篇幅没有做深入对比分析，后续将根据监测数据做进一步研究并完善形成系统工法。