節(jié)理巖體中雙向八車道小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析

蔣 坤，夏才初，卞躍威

（1. 同濟大學(xué) 地下建筑與工程系 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2. 大連市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116001）

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進步，人們對生活的要求也越來越高，安全、舒適、快速、方便、經(jīng)濟、環(huán)保的運輸方式已提到議事日程上。過去，公路交通運輸多用盤山繞行、挖深路塹等方法修建公路，不僅增加了里程，降低了行車速度，而且破壞了生態(tài)環(huán)境，同時也給行車安全帶來了很大的隱患?，F(xiàn)在，由于新原理、新技術(shù)、新設(shè)備、新方法、新工藝、新材料的出現(xiàn)，隧道工程的修建愈來愈多，同時對公路隧道日交通量的要求也越來越高。原來的雙向四車道乃至六車道公路隧道已不能適應(yīng)交通量日益增長的需求，雙向八車道大斷面公路隧道已開始修建，掀起了國內(nèi)大跨扁平公路隧道建設(shè)的步伐[1]。

在隧道的實際修建過程中，由于受地形、地質(zhì)條件限制以及隧道分建帶來的展線困難與占地多等因素的影響，人們也越來越多地選擇小凈距隧道的結(jié)構(gòu)形式，投資和技術(shù)兩個方面均具有很好的應(yīng)用前景，同時，小凈距隧道能很好地滿足特定地質(zhì)、地形條件以及線橋隧銜接方式，有利于公路整體線型規(guī)劃和線型優(yōu)化。

雙向八車道隧道與其他雙向四車道、六車道隧道相比，存在隧道斷面大、支護結(jié)構(gòu)和施工組織較復(fù)雜等特點[2]。同時雙向八車道特大斷面小凈距隧道作為一種新型結(jié)構(gòu)型式，目前尚缺乏足夠的設(shè)計和施工經(jīng)驗，而一定程度上開挖方式的選擇正確與否是決定隧道建設(shè)成敗的關(guān)鍵[3]，因此，有必要對不同施工方案下圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形及力學(xué)特征進行研究，得到最優(yōu)的施工方案，對于推動大斷面小凈距隧道的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的實踐意義。

過去對于大斷面隧道施工方案的研究并不多見，龔建伍等[4]結(jié)合雙向六車道鶴上隧道利用有限元分析程序?qū)﹄p側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法和上下臺階法不同施工方法的拱頂下沉、地表沉降、圍巖穩(wěn)定性等進行了模擬分析；丁文其等[5]從施工工序與施工力學(xué)角度采用有限元分析程序?qū)﹄p向六車道雙連拱龍山隧道三導(dǎo)洞和上下臺階兩種工法進行了研究；黃明琦[6]、梁巍[7]、張建國[8]分別對CRD法在大斷面廈門翔安海底隧道應(yīng)用進行了研究，并分析了其在控制圍巖變形和保持圍巖穩(wěn)定性中的作用。通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，目前尚沒有相關(guān)學(xué)者和專家對節(jié)理巖體中類似于雙向八車道特大斷面小凈距隧道工程的施工方法進行相關(guān)的研究工作，因此，本文結(jié)合魁岐2號特大斷面小凈距隧道就節(jié)理巖體中雙向八車道小凈距隧道施工方法進行相關(guān)的研究，以尋求最優(yōu)施工方案，為本隧道以及類似條件下隧道工程的設(shè)計和施工提供合理的參考依據(jù)。

2 工程概況

魁岐2號隧道位于福州國際機場高速公路2期工程A3標(biāo)段，左洞樁號為ZK10+841～ZK11+586，隧道長度為 745 m，右洞樁號為 YK10+818～YK11+565，隧道長度為747 m，左右兩洞基本為平行設(shè)置。該隧道設(shè)計內(nèi)空斷面凈寬為19.9 m、拱高為10.94 m、含仰拱總高度為12.84 m，單洞標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)輪廓面積(路面以上)為128.97 m2，含仰拱面積為 159.49 m2（見圖 1）。開挖毛洞中間巖柱凈距11.7～15.3 m，即（0.59～0.77）B（B為隧道最大開挖跨度）。按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[9]中分離式獨立雙洞的最小凈距規(guī)定以及國際隧道協(xié)會斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，該隧道屬于特大斷面小凈距隧道，類似于本隧道斷面之大、結(jié)構(gòu)之復(fù)雜，在國內(nèi)外隧道工程中極為罕見。

圖1 隧道設(shè)計斷面尺寸（單位: cm）Fig.1 Size of tunnel cross-section (unit: cm)

勘探資料[11]表明，隧道修建區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，通過對隧道進口段Ⅴ級圍巖掌子面節(jié)理進行調(diào)查、統(tǒng)計和擬合分析發(fā)現(xiàn)，圍巖中共存在3組優(yōu)勢節(jié)理[12]：①節(jié)理組1：節(jié)理傾角約為61°，平均間距為0.74 m；②節(jié)理組2：節(jié)理傾角約為53°，平均間距為0.85 m；③節(jié)理組3：節(jié)理傾角約為73°，平均間距為1.26 m。

隧道采用新奧法施工，開挖前設(shè)置超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固，采用復(fù)合襯砌，以錨桿、濕噴混凝土等為初期支護，并輔以鋼拱架、大管棚、注漿小導(dǎo)管等支護措施，本隧道Ⅴ級圍巖淺埋段取消了錨桿支護[13]。

3 隧道施工方案動態(tài)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

由于魁岐2號隧道圍巖屬于節(jié)理巖體，故采用離散單元法及其應(yīng)用程序UDEC[14]對其進行相關(guān)的數(shù)值模擬研究。計算模型選取進口段YK11＋425斷面，隧道埋深約為20 m，圍巖級別為Ⅴ級。模型的左右邊界約為隧道開挖跨度的5倍，上邊界至地表自由面，并假設(shè)地表為水平狀態(tài)，下邊界至開挖洞底距離約為5倍洞高。兩側(cè)邊界條件采用水平方向單向位移約束，底部邊界條件采用水平方向和垂直方向雙向位移約束，圖2為數(shù)值計算模型。

圖2 數(shù)值計算模型（單位: m）Fig.2 Numerical simulation model (unit: m)

模型中假定巖塊為理想彈塑性介質(zhì)，符合Mohr-Coulomb強度屈服準(zhǔn)則（見圖 3），節(jié)理采用Coulomb平面接觸滑動模型，巖石和節(jié)理的變形強度參數(shù)根據(jù)魁岐2號隧道地質(zhì)資料選取[11]，分別見表1、2。

圖3 離散元UDEC中的Mohr-Coulomb彈塑性模型Fig.3 Mohr-Coulomb elastoplastic model of UDEC

表1 巖石力學(xué)特性參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock

表2 節(jié)理力學(xué)強度特性參數(shù)Table 2 Mechanical strength parameters of joint

圖3中A到B點為Morh-Coulomb強度準(zhǔn)則

B到C點為拉破壞準(zhǔn)則

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；c為凝聚力；σt為抗拉強度；ψ為剪脹角；Nφ和Nψ可分別按下式求得：

魁岐2號特大斷面小凈距隧道進口Ⅴ級圍巖段支護方案為：初期支護采用噴射厚為30 cm混凝土和型號為工22b鋼支撐聯(lián)合支護；二次襯砌采用模筑厚度為 60 cm的鋼筋混凝土。在利用離散元UDEC計算分析時混凝土和工字鋼用Struct單元模擬。

3.2 施工方法動態(tài)模擬方案

由于雙向八車道小凈距隧道單洞跨度達(dá)19.9 m，如若采用臺階法進行施工時施工跨度較大，對隧道圍巖控制不利。因此，本文在模擬計算中只選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法（center cross diagram method）和CD法（center diaphragm method）進行優(yōu)化比較，3種施工方案的施工工序分別如下：

方案 1：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。此種施工工法的施工工序共分26步（見圖4）：（1）開挖左洞左導(dǎo)坑上臺階；（2）施工左洞左導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（3）開挖左洞左導(dǎo)坑下臺階；（4）施工左洞左導(dǎo)坑下臺階初期支護和臨時支護；（5）開挖左洞右導(dǎo)坑上臺階；（6）施工左洞右導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（7）開挖左洞右導(dǎo)坑下臺階；（8）施工左洞右導(dǎo)坑下臺階初期支護和臨時支護；（9）開挖右洞右導(dǎo)坑上臺階；（10）施工右洞右導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（11）開挖右洞右導(dǎo)坑下臺階；（12）施工右洞右導(dǎo)坑下臺階初期支護和臨時支護；（13）開挖右洞左導(dǎo)坑上臺階；（14）施工右洞左導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（15）開挖右洞左導(dǎo)坑下臺階；（16）施工右洞左導(dǎo)坑下臺階初期支護和臨時支護；（17）開挖左洞中部上臺階；（18）施工左洞拱部初期支護和中部臨時支護；（19）開挖左洞中部下臺階；（20）施工左洞中部仰拱初期支護；（21）開挖右洞中部上臺階；（22）施工右洞拱部初期支護和中部臨時支護；（23）開挖右洞中部下臺階；（24）施工右洞中部仰拱初期支護；（25）拆除左洞臨時支護并整體澆筑二次襯砌；（26）拆除右洞臨時支護并整體澆筑二次襯砌。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序Fig.4 Construction sequences of the double-side-drift method

方案2：CRD法。此種施工工法的施工工序共分18步（見圖5）：（1）開挖左洞左導(dǎo)坑上臺階；（2）施工左洞左導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（3）開挖左洞左導(dǎo)坑下臺階；（4）施工左洞左導(dǎo)坑下臺階初期支護和臨時支護；（5）開挖右洞右導(dǎo)坑上臺階；（6）施工右洞右導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（7）開挖右洞右導(dǎo)坑下臺階；（8）施工右洞右導(dǎo)坑下臺階初期支護和臨時支護；（9）開挖左洞右導(dǎo)坑上臺階；（10）施工左洞右導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（11）開挖左洞右導(dǎo)坑下臺階；（12）施工左洞右導(dǎo)坑下臺階初支支護；（13）開挖右洞左導(dǎo)坑上臺階；（14）施工右洞左導(dǎo)坑上臺階初期支護和臨時支護；（15）開挖右洞左導(dǎo)坑下臺階；（16）施工右洞左導(dǎo)坑下臺階初支支護；（17）拆除左洞臨時支護并整體澆筑二次襯砌；（18）拆除右洞臨時支護并整體澆筑二次襯砌。

圖5 CRD 法施工工序Fig.5 Construction sequences of CRD method

方案3：CD法。該法與CRD法主要區(qū)別是CD法施工是取消了中部臨時仰拱，此種施工工法的施工工序共分18步（見圖6）。

圖6 CD 法施工工序Fig.6 Construction sequences of CD method

4 計算結(jié)果分析

通過對雙向八車道特大斷面小凈距隧道進口段圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法和CD法施工過程的模擬計算，得到隧道圍巖位移、塑性區(qū)等在不同施工方法下的變化和分布特點。

4.1 拱頂下沉

拱頂下沉是不同施工方法下圍巖變形中最直觀的表現(xiàn)，同時也是評價圍巖穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)。圖7為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法和CD法施工時拱頂下沉曲線。表3為3種施工方案下左、右洞最終拱頂下沉值。

圖7 3種施工方案時拱頂下沉曲線Fig.7 Curves of crown settlement under three schemes

表3 3種施工方案時拱頂下沉最終值（單位：mm）Table 3 Values of crown settlement under three schemes (unit: mm)

從圖表中可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時拱頂下沉值最小，CRD法次之，CD法最大。以雙側(cè)壁法施工時拱頂下沉值為基準(zhǔn)，CRD法施工時引起左、右洞拱頂下沉分別比雙側(cè)壁法增大了 15.1%和10.0%，而CD法施工時引起拱頂下沉分別比雙側(cè)壁法增大了 17.6%和 12.7%，由此可以說明，在控制拱頂下沉方面雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時明顯優(yōu)于 CRD法和CD法，而CD法較CRD法卻沒有顯著的差別。

4.2 中間巖柱水平位移

中間巖柱的穩(wěn)定性對小凈距隧道整體穩(wěn)定起決定作用，中間巖柱的位移是其穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)。圖8為3種施工方案下中間巖柱的水平位移（向左位移為負(fù)值，向右位移為正值）。

圖8 3種施工方案時中間巖柱水平位移Fig.8 Curves of horizontal deformation of middle rock pillar under three schemes

從圖中可以看出，無論是中間巖柱的左側(cè)還是右側(cè)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時水平位移都是最小的，CRD法次之，而CD法最大。CRD法施工時引起的中間巖柱的水平位移較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分別增大了0.72 mm (左側(cè))和0.41 mm（右側(cè)），CD法施工時引起的中間巖柱的水平位移較 CRD法也分別增大了0.41 mm（左側(cè)）和0.37 mm（右側(cè)）。表明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時最中間巖柱的擾動較小，CRD法次之，而CD法施工時對中間巖柱的擾動則最大。

分析中間巖柱整體位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)左洞開挖時，中間巖柱近開挖側(cè)圍巖向水平左側(cè)位移，且位移量較大；右洞開挖時，中間巖柱近開挖側(cè)圍巖變?yōu)橄蛩接覀?cè)移動，但位移量相對于先行左洞施工明顯要小。整體上，圍巖有先向左洞側(cè)移動的趨勢。

4.3 圍巖水平位移

圖9為3種施工方案時隧道拱腰處水平位移隨距隧道邊界距離的變化規(guī)律。從曲線總體變化規(guī)律可以看出，無論是何種施工方案，在隧道開挖后，隧道外側(cè)邊墻均向開挖面方向移動，且在距隧道邊界約1.5B范圍內(nèi)，圍巖水平位移隨著距隧道距離的增大而迅速減小，而當(dāng)距隧道邊界距離大于 1.5B時，圍巖水平位移隨距隧道距離的增大變化不是太大，這也說明施工方案對隧道水平位移的影響主要在約1.5B范圍內(nèi)。

圖9 3種施工方案隧道邊墻水平位移Fig.9 Horizontal deformation curves of side wall of tunnel under three schemes

從圖中可以看出，在控制圍巖水平位移方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法明顯優(yōu)于CRD法和CD法。CRD法施工時引起的圍巖的水平位移較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分別增大了0.91 mm（左洞）和0.51 mm（右洞），而CD法施工時引起的圍巖水平位移較 CRD法分別增大了0.69 mm（左洞）和0.56 mm（右洞），由此可知，在控制圍巖水平位移方面CRD法明顯優(yōu)于CD法。

4.4 圍巖塑性區(qū)

在地下工程中，隧道的開挖勢必引起應(yīng)力的重分布，在應(yīng)力重分布過程中，局部區(qū)域由于發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過了其屈服強度而發(fā)生塑性屈服破壞。圖10為3種施工方案下圍巖屈服區(qū)范圍。從不同施工方案下圍巖塑性區(qū)可以看出，雙側(cè)導(dǎo)坑法和CRD法開挖屈服區(qū)范圍并沒有明顯的差別，而CD法圍巖塑性屈服區(qū)則稍大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和 CRD法。

這是由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和 CRD法施工先行開挖左右側(cè)導(dǎo)洞，減小了隧道開挖跨度，同時采用了中隔墻支護和修筑臨時仰拱，且在初期支護成形之后才拆除，可有效防止圍巖失穩(wěn)，圍巖相對不易屈服。而CD法開挖時，雖然也采用了中隔墻支護，但取消了中部臨時仰拱的修筑，圍巖約束解除的比較快，不利于控制圍巖的變形。

圖10 3種施工方案下圍巖塑性區(qū)分析Fig.10 Plastic zones of surrounding rock under three construction schemes

5 施工方案的變更及監(jiān)測分析

5.1 施工方案的變更

通過上述對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法和CD法模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，從施工力學(xué)角度看，3種施工方案均可行，其中雙側(cè)壁法和 CRD法開挖引起的圍巖位移較小，同時圍巖塑性區(qū)也相對較小，整體上二者差別不大，前者稍優(yōu)于后者，而CD法則相對較為不利；從施工工序角度看，雙側(cè)壁法工作面較小，施工相互影響較大，施工緩慢，CRD法和CD法開挖工作面稍大，有利于加快施工進度。通常，在軟弱圍巖情況下，側(cè)壁法開挖隧道可充分發(fā)揮噴層和錨桿的支護作用，較易于控制圍巖的變形和穩(wěn)定，特別是在斷層破碎帶，多導(dǎo)洞開挖更顯其優(yōu)勢[4]，因而在施工預(yù)設(shè)計中初步擬定的施工方案為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

實際施工過程中，由于多方面的原因，隧道工程施工進度有所滯后，鑒于魁岐2號隧道作為機場高速公路控制性工程之一，其能否按期完成對工程整體施工進度有重大影響，為加快施工進展，結(jié)合本隧道現(xiàn)場地質(zhì)條件，綜合考慮施工力學(xué)因素、施工工序要求以及當(dāng)前施工技術(shù)水平，通過比較分析，擬將雙側(cè)壁導(dǎo)坑法變更為CRD法施工。

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

由于前述數(shù)值模擬結(jié)果是在理想施工狀態(tài)下得出的，實際施工中達(dá)到理想狀態(tài)比較困難，因而圍巖實際狀態(tài)可能比理論計算結(jié)果要差。鑒于此，在施工過程中開展了地表下沉、拱頂下沉、洞周收斂、圍巖內(nèi)部位移以及支護間壓力、二襯內(nèi)力等多項監(jiān)測工作，旨在通過監(jiān)測結(jié)果，及時調(diào)整施工參數(shù)，為優(yōu)化施工方案提供保證和支持。

圖11、12分別為YK11＋425斷面拱頂下沉、洞周收斂和測點離掌子面的距離與時間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在隧道斷面施工初期（測點距掌子面距離較小時），隧道拱頂下沉和洞周收斂迅速增大，隨著掌子面的推進，其值緩慢增加并逐漸達(dá)到穩(wěn)定值；而在施工工序變更前后，隧道拱頂下沉和洞周收斂值并沒有發(fā)生“突變”，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)測點距掌子面40 m左右時拱頂下沉和洞周收斂值基本趨于穩(wěn)定。從圖中還可以看出，拱頂下沉最終穩(wěn)定值為7.31 mm，小于數(shù)值模擬所得結(jié)果，而洞周最終收斂值為4.58 mm，與上述數(shù)值模擬結(jié)果比較接近。

上述監(jiān)測結(jié)果說明，采用 CRD法施工是安全的。同時，在隧道施工過程中，基于監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整跟進施工措施，圍巖穩(wěn)定得到了較好地控制，順利安全地完成了隧道施工，因此，結(jié)合工程實際，本工程隧道由雙側(cè)壁法變更為 CRD法施工是合理可行的。

圖11 拱頂下沉、測線距掌子面距離與時間的關(guān)系曲線Fig.11 Curves of crown settlement and excavation vs. time

圖12 洞周水平收斂、測線距掌子面距離與時間的關(guān)系曲線Fig.12 Curves of horizontal convergence deformation and excavation vs. time

6 結(jié) 論

（1）在控制隧道拱頂下沉、中間巖柱水平位移以及隧道水平位移方面，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于 CRD法和 CD法；而在控制拱頂下沉方面，CRD法與CD法施工時沒有顯著的區(qū)別；但在控制中間巖柱水平位移和隧道水平位移方面，CRD法明顯優(yōu)于CD法。

（2）基于在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法和CD法3種施工方案下雙向八車道小凈距隧道的施工力學(xué)特征，同時考慮到魁岐2號特大斷面小凈距隧道工程的現(xiàn)場實際情況，將本隧道進口段施工方案由雙側(cè)壁導(dǎo)坑法變更為 CRD法，通過對隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測分析發(fā)現(xiàn)，在施工方案變更前后隧道的圍巖變形并沒有發(fā)生“突變”現(xiàn)象，并順利完成了施工，這對降低施工成本、加快施工進度、縮短工期均起到了較好的實際效果。作為國內(nèi)首例雙向八車道小凈距隧道施工的順利完成，可為今后類似條件下小凈距隧道設(shè)計和施工提供有益的參考和指導(dǎo)。

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