软弱地层超大断面连拱隧道开挖方式的探讨

王木群

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

0 引言

连拱隧道结构力学特征十分复杂，施工工序繁多，开挖和支护相互交错，为此国内对连拱隧道开挖方式进行了大量研究。张国浩等[1]基于新意法理论对乌山连拱隧道设计施工优化进行了研究，归纳了连拱隧道施工安全措施；王涛等[2]对苏州香山大跨度变截面连拱隧道进行了研究，得出了大断面连拱隧道开挖工序；胡金海[3]对金鸡大断面连拱隧道进行了研究，得出了双侧壁导坑法的合理性；李希文等[4]对粉煤灰地层盐坪坝连拱隧道地表沉降规律进行了研究，得出中导洞-左右侧壁预留核心土法更有利于控制地表沉降。目前，连拱隧道开挖方式常侧重于考虑施工安全性而对施工便捷性不够重视[5-6]，如2车道连拱隧道主洞往往设置了侧导坑，3车道及以上大断面连拱隧道甚至设置了多个导坑，导坑过多再加上导坑宽度较小导致施工机械进出不便捷，非常不利于施工的顺利推进。当然，仅重视便捷性而忽略施工安全是不行的，应综合考虑，在保证安全的前提下兼顾施工便捷性。本文以凤凰岭大断面连拱隧道为例，对软弱地层超大断面连拱隧道的开挖方式进行了探讨。

1 工程概况

凤凰岭连拱隧道起迄桩号K2+170～K2+450，为城市主干路隧道(双向6车道+慢行道)，设计速度40km/h，长280m，建筑限界宽:15.75m=0.75m(检修道)+0.25m(左侧路缘带)+2×3.5m+3.75m(行车道)+0.5m(右侧路缘带)+0.5m(隔离带)+3.0m(慢行道)，见图1。隧道围岩为全风化泥质板岩、强风化泥质板岩，隧道宽度与双向8车道连拱隧道基本一致，属于超大断面连拱隧道，国内罕见。隧道衬砌设计见图2，单边开挖宽度达19.2m，二衬采用70cm厚的C35钢筋混凝土结构，初期支护为31cm厚的C25喷射混凝土结构(内置25工字钢)。该连供隧道施工风险极高，主洞采用何种开挖方式才能既保证施工安全又兼顾施工便捷性，值得深入研究。

图1 隧道建筑限界(单位： cm)

图2 隧道衬砌设计(单位：cm)

2 开挖方式的比选

隧道一般先行开挖中导洞，然后再开挖主洞。鉴于主洞断面超大，根据工程类比法，拟对3种开挖方案进行探讨。方案1：双侧壁开挖(见图3)，导坑开挖宽度6.0～6.5m；方案2：单侧壁开挖(见图4)，导坑开挖宽度9.0～9.5m；方案3：侧壁导坑+三台阶预留核心开挖(见图5)，侧导坑开挖宽度7.0m。从施工安全、便捷性、造价等3个方面对3种开挖方式进行对比(见表1)，可知采用侧壁导坑+三台阶预留核心土法最合理。

图3 双侧壁导坑法开挖(单位：m)

图4 单侧壁导坑法开挖(单位：m)

图5 侧壁导坑+三台阶预留核心土法开挖(单位： m)

表1 主洞开挖方式对比开挖方式施工安全施工便捷性造价方案1(双侧壁导坑法)多导坑开挖,分部卸荷,施工安全性高导坑多且导坑宽度仅6 m左右,机械进出不便,施工不便捷临时支护的量较多,造价高方案2(单侧壁导坑法)采用较大的单导坑开挖,安全难以保证导坑跨度达到9 m,机械容易进出,施工很便捷设1道临时支护,造价中等方案3(侧壁导坑+三台阶预留核心土法)外侧导坑,内侧三台阶预留核心土,分部卸荷,施工较安全外侧导坑宽度达到7 m,内侧为台阶法,施工较便捷设1道临时支撑,造价最低

3 数值计算

3.1 地层位移计算

1) 选取K2+180超浅埋断面进行计算，该断面隧道埋深5 m左右。计算软件为Midas/GTS，开挖步骤如图6所示，包括： ①中导洞开挖并施作中隔墙(①+②)；②右洞侧导坑上下台阶开挖并施作支护(③+④)；③右洞三台阶预留核心土开挖并施作支护(⑤+⑥+⑦+⑧)；④施作右洞二衬(⑨)；⑤左洞侧导坑上下台阶开挖并施作支护(+)；⑥左洞三台阶预留核心土开挖并施作支护(+++)；⑦施作左洞二衬()。计算中围岩采用实体单元进行模拟，本构关系为摩尔-库伦；主洞初期支护、二次衬砌、中隔墙初期支护、侧导洞初期支护采用结构单元进行模拟，本构关系为弹性，主要材料参数如表2所示。

图6 开挖步骤

表2 材料参数表材料单元类型模型类型泊松比v容重γ/(kN·m-3)黏聚力c/MPa摩擦角ϕ/(° )弹性模量E/GPa全风化岩实体单元摩尔库伦0.45190.1250.9强风化岩实体单元摩尔库伦0.3210.15301.1初期支护(主洞)梁单元弹性0.224——28侧导洞临时支护梁单元弹性0.224——26中导洞初期支护梁单元弹性0.224——26二次衬砌梁单元弹性0.226——32中隔墙实体单元弹性0.226——32

2) 计算模型：隧道区域内上部为全风化泥质板岩，下部为强风化泥质板岩，埋深为5 m：计算模型宽154 m，高54 m，如图7所示。边界条件为左右固定、底部固定，约束边界距隧道边线按3B考虑(B为隧道的跨径)，计算得出隧道开挖对地层扰动情况。

图7 计算模型

通过计算，隧道左右主洞采用侧壁导坑+三台阶预留核心土法施工后的地层变形情况如图8所示(右洞为先行洞)。

图8 地层竖向位移

由图8可以看出，地层产生了一定的沉降和隆起变形，隧道拱部最大竖向位移为-13.1 mm，底部最大竖向位移为16.7 mm，地层竖向位移较小。超大断面软弱地层条件下隧道开挖，地层所产生的位移较小，说明采用侧壁导坑+三台阶预留核心土法的开挖方法能有效地抑制隧道围岩变形。

3.2 结构安全系数计算

为了进一步验证施工方案的合理性，选取埋深最大的K2+310断面进行计算。该断面埋深约为25 m，右洞为先行洞，考虑到隧道为连拱隧道，右洞施作完二衬后，才能进行左洞的开挖及支护，因此，只验算右洞初期支护的承载能力。计算得出施工过程中右洞初期支护的内力(如图9所示)，然后采用规范中的综合安全系数法算出单元的安全系数，并与规范值进行对比。

图9 右洞初期支护轴力

K=N极限/N≥K规

(1)

N极限=φαRabh

(2)

式中:K为计算所得安全系数；K规为规范值安全系数，达到极限抗压强度的安全系数为2.4；φ取1；Ra按规范取值，为13.5 MPa；α为轴力的偏心影响系数；b取1 m；h为截面厚度，初期支护取0.31。

根据公式及轴力值(为了节约篇幅，省略计算过程)，得出右洞初期支护外侧边墙、拱顶、中隔墙顶等关键部位的安全系数分别为3.4、4.2、3.6，均大于K规，表明初期支护结构安全，采用的开挖方式能保证隧道施工安全。

4 结论

以凤凰岭隧道为工程实例，对软弱地层超大断面连拱隧道开挖方式进行了探讨，得出以下结论：①从施工安全、便捷性、造价3个方面进行综合对比，凤凰岭超大断面连拱隧道主洞采用侧壁导坑+三台阶预留核心土法最合理；②选取超浅埋K2+180断面进行计算，隧道开挖完成后，拱部最大竖向位移为-13.1 mm，地层位移不大。侧壁导坑+三台阶预留核心土法的开挖方法能有效抑制隧道围岩变形；③为进一步验证施工方案的合理性，选取埋深最大K2+310断面对结构承载能力进行验算，得出右洞初期支护关键部位的安全系数，进一步证明了开挖方式的合理性。

另建议： ①因导洞过小会导致施工极其不便捷，故导坑或者导洞的宽度不宜小于7 m；②隧道施工是个动态的过程，如采用新的开挖方式，可在现场施作10 m的试验段并获取监控数据，如果各项数据表明试验段是安全的，那么整座隧道便可全面采用此种开挖方式。