道吾山三车道特长公路隧道洞口浅埋段施工方法

邹永艳，胡 达

(1.中南勘察设计院集团有限公司，武汉 430064；2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089)

大断面隧道扁平率小、开挖跨度大、施工分部多、施工扰动频繁、围岩易失稳，施工难度大。特别在不良地质地段，合理选择施工方法对大断面隧道在施工过程中的稳定性具有重要作用。目前，中国学者和设计人员对大断面隧道进行了大量研究。史继尧等[1]对仰拱步距和台阶长度对软岩大断面隧道稳定性影响进行了分析，揭示了仰拱步距和台阶长度对初期支护变形的影响规律；袁矫等[2]对大断面隧道穿越接触带施工稳定性进行了数值分析，分析了隧道跨度和隧道与接触带竖向距离变化对隧道稳定性影响；洪军等[3]对全风化花岗岩地层特大断面隧道施工过程受力进行数值分析，研究初期支护的受力随施工过程的变化规律；熊祖钊等[4]对Ⅴ级围岩大断面隧道爆破开挖技术进行了研究，合理优化了大断面隧道爆破开挖参数；伍超等[5]通过大断面公路隧道二次衬砌受力特性模型试验，研究了大断面公路隧道运营期二次衬砌受力特征。

三车道公路隧道属于大断面隧道，设计上三车道公路隧道Ⅴ级围岩地段常采用的施工方法有双侧壁导坑法、交叉中隔壁法(CRD)和中隔壁法(CD)，并积累了丰富的经验[6-7]。上述施工方法可以较好地控制围岩变形、通过临时支护，及时闭合成环，但由于施工面狭小，限制了大型机械的使用，工效低、进度缓慢；临时支护多，成本投入大，临时支护拆除存在受力转换，操作不当易引起初期支护大变形，存在一定安全风险。对于长大隧道，由于洞身Ⅴ级围岩交错分布，上述施工方法与台阶法过渡地段施工工序转换频繁，造成施工组织困难，严重制约了工程施工进度。

目前，Ⅴ级围岩深埋地段三车道公路隧道采用三台阶七部法施工成功案例较多[8]，并积累了一定经验，而用于洞口浅埋段施工案例较少，缺少经验总结。《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)[9]要求山岭隧道复合式衬砌设计可采用工程类比法进行设计，必要时可通过理论分析进行验算。判断一种施工工法是否可行，一是要保证隧道施工开挖过程中围岩稳定，二是要保证各步序开挖后隧道支护结构安全。因此，有必要结合工程实例，通过数值分析与施工监控量测数据进行对比，获得数值计算可靠性，进行经验总结，确保施工安全和支护安全。

结合道吾山特长隧道洞口Ⅴ级围岩浅埋段三台阶七部法施工实践，并采用MIDAS GTS NX有限元分析软件进行三维开挖分析，根据指定断面特征点围岩变形收敛、支护结构抗力随开挖进程的变化规律，对施工过程中围岩稳定性、结构安全进行判断，进而指导隧道施工。

1 工程概况

建设中的道吾山隧道为湖南省浏阳市浏阳金阳大道三期项目中一座上、下行分离的六车道一级公路分离式特长隧道，隧道建筑限界14×5 m,进口位于浏阳市集里镇，出口位于浏阳市蕉溪乡。隧道左洞起讫里程桩号为ZK1+390～ZK6+052，长4 662 m，最大埋深约601 m；隧道右洞起讫里程桩号为YK1+390～YK6+056，长4 666 m，最大埋深611 m。隧道内轮廓断面如图1所示。

道吾山隧道位于焦溪至道吾山隆起带，构造行迹以北东向为主，山体走向受构造和岩性控制十分明显，地形起伏较大，区内新构造运动不明显，局部表现为北东向断裂，以差异抬升为主。隧道区断层构造较发育，主要为北东向断层，发育有 F10、F21、F39、F40、F20、F51、F16、F53断层。

图1 道吾山隧道净空断面

隧道进口段、洞身为强-微风化砂质板岩，出口段上覆厚层碎石土，下为全风化花岗岩-强风化砂质板岩。受断裂破碎带影响，隧道左洞Ⅴ级围岩长1 102 m，占隧道长度比23.63%；右洞Ⅴ级围岩长1 136 m，占隧道长度比24.34%。设计针对Ⅴ级围岩不同埋深，设置了3种复合式衬砌及对应施工方法，如表1所示。

2018年10月15日，出口左洞由原设计双侧壁导坑法通过CD法过渡到掌子面里程ZK6+007、距离左洞出口明暗交界处31 m时，掌子面为强风化砂质板岩，深褐色，层理结构，岩质破碎，自稳能力较差，掌子面较湿润，无渗水，变更采用三台阶七部法进行施工。现场施工如图2所示。

表1 隧道Ⅴ级围岩支护参数

图2 隧道现场施工

2 三台阶七部法施工工序

三台阶七部法具有施工空间大，方便机械化施工，纵向多作业面可平行施工，在软岩及土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高，遇地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整隧道施工方法。在隧道掌子面能自稳的情况下，三车道公路隧道采用三台阶七部法开挖可有效保证工程进度和施工安全。三台阶七部法施工工序如图3所示。

施工主要工序如下：①环形开挖上台阶1部，施作初期支护，开挖核心土6部；②交错开挖中台阶2、3部，施作初期支护，开挖核心土6部；③交错开挖下台阶4、5部，施作初期支护，开挖核心土6部；④开挖7部、及时封闭初期支护；⑤施作仰拱及仰拱回填；⑥隧道变形趋于稳定后，施作二次衬砌。

3 施工过程数值模拟分析

由于掌子面ZK6+007处隧道埋深17.46 m，属于洞口浅埋段，埋深随地形起伏变化，隧道全部处于强风化砂质板岩层。采用平面应变分析无法判断隧道位移随时间的变化、变形是否收敛，从而无法判断隧道在开挖过程中围岩的稳定性。Ⅴ级围岩地段三台阶七部法施工进度一般为一个循环/天，每循环进尺1 m，采用三维数值仿真模拟施工进程，可以间接反映施工监控量测随时间变化，根据指定断面拱顶下沉、净空收敛，初期支护内力情况，对围岩稳定性和支护结构安全进行判断，以指导施工和确保施工安全。

3.1 数值计算模型及参数

隧道开挖宽度16.85 m、开挖高度11.965 m，计算范围横向宽120 m，下至仰拱底50 m，上至地表，纵向长度取35 m(ZK6+007～ZK5+972)，埋深随地形起伏变化，埋深为17.5～36.76 m。边界约束为前、后、左、右边界施加相应的水平约束，下边界施加竖向约束，上边界为自由面。

考虑二次衬砌需滞后初期支护一段距离后施工，数值模拟只进行隧道开挖、初期支护模拟。喷射混凝土采用弹性材料、板单元，锚杆采用弹性材料、植入式桁架单元。工字钢不参与计算，承受初期支护全部弯矩，超前支护作为隧道安全储备，不参与计算。

根据详勘成果，计算范围围岩分三层，分别为碎石土、强风化砂质板岩、中风化砂质板岩，各层岩土体采用摩尔-库伦本构模型。围岩和结构支护参数如表2所示。

数值模拟开挖工序按图3进行，各开挖进尺不大于2倍钢拱架间距，每循环进尺1 m，模拟段落为ZK6+007～ZK5+972，纵向长35 m，共分49步进行开挖、初期支护完成。隧道三维网格模型如图4、图5 所示。

表2 围岩和支护结构计算参数

图4 数值计算模型

图5 隧道模型网格

3.2 计算结果分析

根据隧道施工步骤，对隧道拱顶下沉、净空收敛，支护结构内力按施工步序进行提取计算结果，并进行相应的理论分析，判断隧道开挖过程中围岩的稳定性和初期支护结构安全。

3.2.1 拱顶沉降分析

提取ZK6+007拱顶Z方向位移进行分析，扣除自重应力初始位移，计算结果表明，在仰拱初期支护封闭之前，隧道拱顶下沉经历三个阶段:①急剧变化，仰拱初期支护封闭之前，第S1步～第S14步，拱顶下沉变化较快，拱顶累计下沉-4.87 mm，占变形稳定位移75.1%；②缓慢变化，仰拱初期支护封闭后，第S15步～第S35步，ZK6+007距离上台阶掌子面最小距离15 m后，拱顶下沉变化缓慢，拱顶累计下沉-6.46 mm，占变形稳定位移99.6%；③基本稳定，ZK6+007距离上台阶掌子面最小距离35 m后，拱顶累计下沉-6.46 mm，占变形稳定位移99.8%。隧道第15步拱顶下沉云图如图6所示，拱顶下沉沿隧道施工步分布曲线如图7所示。

图7 拱顶下沉沿隧道施工步分布曲线

3.2.2 净空收敛分析

提取ZK6+007中台阶底两侧X方向水平位移进行分析，扣除自重应力初始位移，计算结果表明，在下台阶交错开挖过程中，中台阶底水平位移急剧变化，下台阶落底后，水平位移趋缓，仰拱初期支护封闭后(第S15步)，变形基本稳定，左侧累计水平位移3.28 mm，右侧累计水平位移-3.35 mm，水平累计收敛位移-6.63 mm，占变形稳定收敛位移99.4%。隧道第15步水平位移如图8所示,水平收敛沿隧道施工步分布曲线如图9所示。

图8 第S15步水平收敛云图

图9 水平收敛沿隧道施工步分布曲线

3.2.3 初期支护结构内力分析

提取ZK6+007拱顶初期支护弯矩进行分析，隧道刚开挖后，开挖面处于三向应力状态，初期支护承受的弯矩较小，纵向MXX方向弯矩随开挖进行增加不大，在第S35步，距离上台阶掌子面35 m后，拱顶初期支护MXX方向弯矩受力稳定；横向MYY方向弯矩随开挖变化大，受力经历三个阶段:①急剧变化，上台阶开挖～中台阶一侧开挖，第S2～S6步，由于上台阶开挖矢跨比小，中台阶交错开挖对上台阶初期支护受力影响大，施工时应控制中台阶交错开挖长度；②缓慢变化，中台阶核心土开挖～下台阶交错开挖、下台阶核心土开挖～仰拱开挖、支护，第S7～S15步，由于中台阶开挖矢跨比较大，控制好下台阶交错开挖、落底长度有利于结构受力；③基本稳定，初期支护封闭成环后，在第23步，ZK6+007距离上台阶掌子面距离23 m，受力基本稳定。隧道MXX方向弯矩与MYY方向弯矩比为7%，隧道受力主要为平面应力状态。隧道第15步MYY方向弯矩如图10所示，弯矩沿隧道施工步分布曲线如图11所示。

图10 第S15步MYY方向弯矩

图11 弯矩沿隧道施工步分布曲线

3.2.4 初期支护结构验算

通过提取ZK6+007断面拱顶、右侧上台阶底、左侧中台阶底、右侧中台阶底单元各施工步轴力、弯矩进行验算。下面主要对初期支护钢拱架拉应力进行验算。钢拱架与喷射混凝土共同承担轴力，弯矩全部由钢拱架承担。通过计算，各施工步特征部位钢拱架受拉安全系数Kg均满足设计细则[10]规定Kg≥2要求。各施工步钢拱架受拉强度安全系数Kg如图12所示。

图12 钢拱架安全系数隧道施工步分布曲线

4 实际应用效果

由于山岭隧道Ⅴ级围岩地段设计均考虑了一定的预留变形量，在变形允许范围内，隧道变形趋势比具体变形数值更为重要。左洞由ZK6+007开始采用三台阶七部法开挖以来，通过对比ZK6+007监控量测资料表明，实测隧道拱顶下沉位移累计达-22.01 mm，变形基本稳定，历时33 d；净空收敛达-18.11 mm，变形基本稳定，历时20 d，监控量测变形曲线与计算变形曲线趋势基本一致，施工过程中围岩稳定，支护结构安全。

5 结论

通过对道吾山隧道洞口Ⅴ级围岩浅埋段三台阶七部法进行数值模拟研究及施工监控量测结果，结合山岭隧道特点，得出以下结论。

(1)在掌子面能自稳情况下，对于三车道公路隧道，在强风化围岩浅埋地段采用三台阶七部法施工可以保证围岩稳定和初期支护结构安全。

(2)隧道变形在距离掌子面2倍左右开挖洞跨后，变形基本稳定。

(3)数值计算位移与施工监控量测存在一定误差，但变形趋势一致，施工过程中应严格控制开挖进尺、台阶长度，软弱围岩地段，各台阶底部应做好锁脚工作，避免开挖过程中变形突变，影响围岩稳定。