超大跨隧道安全施工技术研究

摘要 为解决我国交通运输量激增导致原两车道高速公路运力不足问题，满足区域经济协调发展战略需求，超大跨隧道工程数量逐渐增多。由于超大跨隧道工程案例较少，新建工程施工可以参考的施工经验匮乏。文章针对某超大跨隧道工程断面特征及围岩稳定性，分析了隧道施工面临的难题并提出了解决途径，采用工程类比法确定隧道施工方案。为验证施工方案的可行性，采用FLAC3D软件建立三维计算模型对隧道施工过程进行数值模拟。隧道变形、支护应力及围岩塑性区分布特征等的分析结果表明，所采用的施工方案能保证隧道施工安全。隧道施工过程中拱顶沉降监测结果进一步证明所选施工方案的可行性。

关键词 超大跨隧道；施工技术；数值模拟；现场监测

中图分类号 U455.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0123-03

0 引言

随着我国国民经济的持续快速发展，交通体系的不断完善，原来两车道公路的运力已不能满足交通运输量快速增长的需求，因而近些年来三车道、四车道的高速公路隧道建设数量逐渐增加，此类隧道的开挖跨度一般在20～26 m^[1-4]。另外，国家促进区域经济协调发展战略建设的需求，使得超大跨甚至巨跨隧道工程不断投入建设，如已经建成通车的最大开挖达32.7 m的京张高铁八达岭地下车站。厦门芦澳路—海沧疏港通道2#分岔段为单跨5车道公路隧道，最大开挖跨度30.46 m。目前国内外关于隧道跨度的统一划分尚缺少统一的标准，该文参考刘永胜等^[5]提出的隧道跨度划分标准：小于15 m为常规跨度，15～25 m为大跨，25～50 m为超大跨，50 m以上为巨跨。该文以开挖跨度33.5 m、开挖高度17.5 m的某项目隧道工程为依托，对超大跨隧道施工技术进行研究。

1 工程概况

某项目的超大跨度隧道工程地处干旱山区，属典型大陆性暖温带荒漠气候，无霜期可达219 d，年平均气温为15.3 ℃，年平均降水量仅有8.7 mm，年均风速8 m/s。工程区属于高山地带，地势总体南高北低，海拔1 000～1 800 m，区内沟深坡陡，地形起伏相对较大，植被稀疏，地形地貌特征复杂。隧道穿越围岩主要为微～弱风化花岗岩，岩体较完整，节理裂隙不发育，围岩级别主要为Ⅲ级，岩石强度最大达116 MPa。隧道最大埋深380 m，未穿越断裂带。

该工程项目由一系列不同断面形式的隧道组成。其中隧道A的断面开挖跨度33.5 m，开挖高度17.5 m，长度43 m，断面开挖面积435.5 m2，断面矢跨比为0.328。按照前述隧道跨度的划分标准，该隧道属于超大跨隧道断面。拱部及边墙初期支护为厚度为25 cm的双层φ8网喷混凝土（钢筋网格尺寸为20 cm×20 cm），喷混凝土强度等级为C25，底板喷混凝土层厚15 cm。直径φ25的中空注浆锚杆，长度分别为6 m和9 m，间距1.2 m，呈梅花形布置。二次衬砌为C40钢筋混凝土，拱部及两侧边墙处厚度为1.5 m，底板厚度为0.2 m。

2 隧道施工难点分析及应对措施

2.1 超大跨隧道施工指导理论匮乏

新奥法在大量的常规跨度岩质隧道施工中起到了巨大的指导作用。新奥法的核心要义是充分发挥和利用围岩本身的自稳能力，控制围岩的损伤，隧道开挖后允许围岩产生一定的变形，以便减小地层作用在支护上的围岩压力。因而新奥法的主要支护措施是柔性的锚喷网支护，此类支护属于围岩的表层面支护，靠围岩进一步的变形被动产生抗力，从而约束围岩的进一步变形，以防止围岩出现过大范围的塑性区，从而形成围岩松动区。而对于超大跨或巨跨隧道来说，若仍简单地遵循新奥法原理，让围岩释放一定的变形，那么必然要求支护结构具备巨大刚度才能满足围岩和结构的协调变形。但是，对于超大跨度隧道工程，目前的支护手段很难提供如此巨大刚度的抗力。

开挖后隧道周边围岩由三维应力状态变为平面应力状态，要使其快速回到三维应力状态，以变形为前提的被动支护结构手段不能奏效，及时地利用预应力锚杆或锚索对围岩进行加固，使隧道周边围岩的压力拱不向围岩深部转移，则可能有效控制围岩力学性能的劣化，避免隧道围岩失稳。

2.2 多次爆破引起围岩损伤严重

由于隧道断面开挖面积大，该隧道A断面开挖面积更是达到435.5 m2，因而必须采用多分块的爆破开挖方法。分块多、爆破次数多，多次爆破开挖引起围岩振动及应力调整而出现围岩较大损伤度，使围岩的力学性能劣化，从而降低围岩的稳定性。为此，可采取数码雷管控制爆破技术，对爆破時刻进行精准控制，一方面可以使爆破后的断面轮廓圆顺，另一方面还可以有效控制围岩的超欠挖和降低围岩的爆破损伤度。

2.3 隧道断面分块开挖顺序难以确定

对于超大跨或巨跨隧道工程来说，由于工程案例较少，设计及施工经验匮乏，能够借鉴的工程经验较少。一般来说，对于超大跨隧道的开挖，主要有两种方法：一是先在断面一侧或两侧开挖导洞，然后再对断面中部围岩采用跳挖方式进行施工；另一种方法就是直接把断面划分成若干分区，按照一定的顺序进行开挖支护，一般多从断面中部开始开挖，然后进行两侧部分开挖。

在隧道A正式施工之前，在断面左侧已经形成了一个宽5.3 m，高9.6 m的贯通导洞，为隧道后续开挖施工提供了便利条件。参考既有超大跨或巨跨隧道开挖施工经验，遵循“先上后下，先中部后两侧，快挖快支，控制松动”的原则，综合上述两种开挖方法，确定断面开挖顺序（如图1所示）。为了验证此开挖方案的安全性，采用FLAC3D软件建立三维数值模型，对施工过程的力学响应进行数值模拟。

3 隧道开挖施工过程的数值模拟分析

3.1 计算模型的建立

将隧道围岩视为各向同性的、均匀的连续介质。隧道开挖支护过程的力学分析采用连续介质力学方法，利用大型商业差分软件FLAC3D建模。考虑隧道施工力学模型的尺寸有限，因而将隧道分析模型顶面以上岩体的重力作用视为由其产生均布的竖向力，并作用在模型上表面。

假设围岩为弹塑性材料，服从Mohr-Coulumb屈服准则。计算模型宽170 m，高128 m，纵向长度43.2 m，模型中隧道拱顶到模型上表面的距离为60 m，模型上表面施加7.2 MPa的面力来模拟上方围岩的自重作用。围岩采用六面体等参数实体单元模拟，C25喷混凝土层采用弹性的二维壳单元（shell）模拟，锚杆采用一维结构杆单元（cable）模拟。模型中共划分了157 680个实体单元，166 315个节点，31 068个结构单元。该次力学分析是基于隧道开挖实现光面爆破效果之上，隧道周边围岩受爆破影响后的力学性能劣化被有效控制。

3.2 模拟施工过程

模型中隧道断面的每一分部的单次开挖进尺均为3.6 m。计算模拟隧道施工過程如下：先开挖并支护断面左侧平导，直至平导贯通—开挖并支护断面上部中部—开挖并支护断面上部右侧—开挖并支护断面上部左侧—开挖并支护断面下部右侧—开挖并支护断面下部左侧—开挖并支护断面下部中部—开挖并支护断面下部右侧。每部的支护施作滞后本部一个开挖步（即3.6 m），以模拟开挖后的围岩应力释放现象。每一分部的开挖面超前下一部开挖面3个掘进进尺，即10.8 m。隧道断面每一部开挖后的初期支护包括喷混凝土和打设锚杆。平导施工模拟共13个计算步，正洞施工模拟共31个计算步。

3.3 计算参数确定

隧道围岩为微风化～弱风化花岗岩，围岩级别划分为Ⅲ级，喷混凝土的强度等级为C25，参考中华人民共和国国家标准《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014）对围岩的物理力学参数取值，喷混凝土及锚杆的参数取值主要参考《铁路隧道设计规范》（TB10003—2016）取值。围岩及喷混凝土层的物理力学参数取值如表1所示。

锚杆杆体弹模200 GPa，锚杆直径φ25，注浆体直径φ42，注浆体黏聚力400 kPa，内摩擦角30 °。隧道变形及受力分析针对模型中部断面进行。

3.4 计算结果及分析

3.4.1 变形分析

在平导施工阶段，仅左侧墙中水平位移处于显著增大态势，但总的量值均较小，由于此阶段其他各测点均有围岩支撑，所以其他各点位移均很小，拱顶沉降为0.78 mm。随着正洞各部的相继开挖施工，各点处位移开始趋于增大，除了拱顶沉降变化显著外，其他各点的水平位移均较小。施工完成后拱顶沉降最大值为30 mm。拱部竖向位移较大，拱顶处最大，为30 mm，竖向位移分布近似对称；水平位移最大值出现在隧道左侧墙中部位，位移值为3.9 mm，断面左侧水平位移大于右侧水平位移。

3.4.2 喷混凝土层应力

平导及正洞施工完成后，隧道拱部及边墙处喷混凝土层最大应力出现在右侧拱腰部位和左侧拱腰靠近拱顶侧部位，最大应力为3.59 MPa，由于喷混凝土层中钢筋网的存在及钢筋弹模远大于喷混凝土的弹模，因而喷层在承受拉应力时首先由钢筋承担，然后再转移给混凝土喷层，但在施工过程中应注意观察喷混凝土层是否出现裂纹，如果出现裂纹，则需进一步监测其扩展情况，必要时采取初支补强措施。

3.4.3 锚杆应力

平导及正洞施工完成后，锚杆最大应力出现在左侧高边墙中部锚杆，最大应力为287 MPa，锚杆材料为HRB400，其屈服强度为400 MPa，抗拉极限强度540 MPa。由此可知，锚杆的受力是安全的。

3.4.4 围岩塑性区

平导及正洞施工完成后，围岩塑性区分布特征呈蝴蝶状，塑性区主要分布在两侧拱腰和底板以下靠近两侧边墙处，拱部塑性区的大小直接影响隧道的稳定性，而底板以下塑性区大小对隧道稳定性影响较小。由于断面形状及施工的非对称性，断面右侧塑性区面积略大于左侧，底板以下右侧塑性区明显大于左侧。拱部两侧拱腰塑性区深度近12 m，两侧边墙围岩塑性区厚度仅有2.9 m。在隧道开挖后，应及时施作长锚杆，以实现对岩体的紧固作用。

4 监控量测及分析

隧道施工过程中在K0+467布置监测断面，主要对隧道拱顶沉降进行监测。在拱部①部开挖后，拱顶早期沉降快速增长，随后趋缓；随着②、③部的相继开挖，拱顶沉降又有小幅度的快速增长，随后其他部位的相继开挖施工过程中，拱顶沉降缓慢增长。由于围岩稳定性较好，因而拱顶沉降很快趋于稳定。对应于拱部①部、右侧②部及左侧③部的相继开挖，拱顶沉降速率均出现峰值，其中拱部①部开挖后的增速最大。隧道稳定后实测拱顶沉降值21.4 mm，小于数值计算结果的30 mm，其主要原因是在安装测点后开始量测时，拱顶已经发生了一部分弹性位移。若考虑监测前拱顶沉降的丢失位移，则实测拱顶沉降值与模型计算值就会比较接近。

5 结语

某超大跨隧道工程开挖跨度33.5 m，开挖面积达到435.5 m2，穿越围岩岩性主要为中风化～弱风化花岗岩，围岩等级为Ⅲ级。针对隧道断面形状、跨度大小及围岩的稳定特性，对隧道施工技术进行研究，得到主要结论如下：

（1）针对隧道断面及围岩稳定特性，分析了隧道施工所面临的难题，并提出了相应的应对技术措施。

（2）基于工程类比法确定了隧道断面的开挖分部及开挖顺序。通过三维数值模拟方法分析了隧道施工过程中的隧道变形、支护受力及围岩塑性区分布特征，计算结果表明所采用的施工方法能够保证施工安全。

（3）隧道施工过程中拱顶沉降监测数据表明，拱部开挖工序对拱顶沉降影响显著，相应的沉降速率也较大。拱顶沉降实测值为21.4 mm，小于数值计算结果值30 mm。考虑监测实施之前拱顶沉降的丢失位移，拱顶沉降监测值与数值计算结果还是比较接近的。

参考文献

[1]王明年， 关宝树， 何川. 三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行为研究[J]. 岩土工程学报， 1998（1）： 51-55.

[2]吴梦军， 黄伦海. 四车道公路隧道动态施工力学研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2006（S1）： 3057-3062.

[3]曾宏飞， 王玉锁， 李俊杰， 等. 单洞四车道公路隧道现场监测分析研究[J]. 铁道建筑， 2015（4）： 85-88.

[4]吴涛， 万利. 双向八车道高速公路隧道施工力学行为研究[J]. 山东交通科技， 2016（2）： 113-115+118.

[5]刘永胜， 洪开荣， 卓越， 等. 巨跨超扁平地下洞库建设方法及实践[J]. 隧道建设（中英文）， 2022（4）： 532-539.

收稿日期：2024-01-18

作者简介：程东贺（1988—），男，本科，工程师，研究方向：公路工程隧道开挖及支护。