超浅埋大断面滨海软土隧道施工工法研究

魏龙海，程 勇，刘继国

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056）

超浅埋大断面滨海软土隧道施工工法研究

魏龙海，程 勇，刘继国

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056）

拱北隧道为一座滨海软土隧道，开挖断面达340 m2，采用超前管幕预支护下的多台阶分部开挖方案。采用ANSYS软件对五台阶15分区方案和四台阶8分区方案的隧道结构受力规律及安全性进行了数值研究。研究结果表明：1）采用五台阶15分区方案和四台阶8分区方案都能够满足结构安全要求，但在临时支撑拆除过程中，2种方案的施工安全性差异较大；2）四台阶8分区方案在下半断面临时支撑拆除后、三次衬砌尚未施作时，下半断面边墙及仰拱处的初期支护和二次衬砌受力较大，施工安全性较低；3）各部开挖后应及时施作初期支护，并应尽快施作第2层衬砌结构，以减小拱顶下沉和地表沉降。

超浅埋；特大断面；滨海软土隧道；施工工法

0 引言

在软土地层施工大断面隧道不可避免地会对周围环境产生影响，扰动周围地层，使周围地层发生卸载等复杂的力学现象，引起周围地层的变形及沉降；而且在此过程中，由于隧道开挖跨度很大，其自身结构在施工过程中的安全性也至关重要。目前，关于软土隧道方面的研究及预测方法多局限于理论分析和数值仿真等。如孙旻等［1］对软土地层管幕法施工过程进行了三维数值模拟，研究认为采用D-P模型可以在不考虑土体时变特性的情况下较好地模拟管幕法施工过程；伍国军等［2］基于沪蓉西八字岭隧道采用ABAQUS模拟了大跨隧道的开挖和支护过程，模拟结果与现场实测结果一致；喻渝等［3］对客运专线大断面浅埋隧道采用CD法和CRD法等进行了三维数值模拟，给出了适合大断面隧道的安全、经济、有效的施工方法；魏龙海等［4-6］依托厦门翔安海底隧道陆域浅埋段，研究了CRD法、双侧壁导坑法等施工工法及相关工程措施对控制大跨度浅埋隧道结构受力及变形的施工效果；李辉等［7］以桃树坪隧道超前预加固大断面施工工法为例，通过数值模拟和理论计算，并结合监测数据，对隧道地层挤出变形、地层超前位移、拱顶沉降和收敛等进行了分析；马富奎等［8］以庙娅隧道为背景，采用FLAC对浅埋大跨段施工开挖力学响应进行了数值模拟，分析了开挖后围岩的应力场和位移场特征，研究认为计算结果与现场监测结果基本一致；陈炜韬等［9］采用室内试验研究了预加固措施对大跨度海底隧道风化槽开挖面稳定性的影响规律，提出了有效的预加固方案；李凌宜［10］利用MIDAS/GTS和现场监测，对长沙地铁某区间大断面暗挖隧道的临时支撑拆除与二次衬砌施工时机进行了研究，得到了合理的拆除工序。

上述针对大断面隧道施工安全性所做的研究，主要研究对象都是陆域隧道，而且开挖断面远小于拱北隧道。拱北隧道位于滨海软土地层，隧道埋深很浅，采用管幕+冻结的超前预支护方案，项目施工期间的隧道开挖步序及冻结与解冻时机等都会对隧道结构受力产生极为复杂的影响，与常规隧道施工差异较大。本文结合拱北隧道，通过数值模拟分析，对管幕+冻结预支护方案下的隧道开挖方案进行研究，分析拱北隧道在不同分部开挖方案下的施工安全性及其对周围环境的影响情况等，确定合理的分部开挖方案，以期为拱北隧道的设计施工及今后类似工程提供技术指导。

1 拱北隧道工程概况

1.1 工程概况

珠海连接线工程是港珠澳大桥的重要组成部分，而拱北隧道正是该连接线上的关键控制性工程。隧址区建设环境非常敏感，要穿越全国第二大口岸——拱北口岸，人流量、车流量都非常大。拱北口岸内建筑物众多，管线复杂，牵涉众多部门，协调难度大，口岸内的施工组织工作异常困难。为了减小对拱北口岸的影响，设计在拱北口岸局部区段采用暗挖方案施工。

拱北隧道暗挖段设计采用双层方案，其断面高约23 m，宽约22 m，开挖断面达340 m2，为特大断面隧道。隧道位于滨海软土地区，主要穿越淤泥质和粉质黏土，土体含水量大、承载力低，隧道顶部覆土厚度约6 m。设计拟在超前管幕预支护条件下采用多台阶分部开挖法，采用36根1 620 mm的大顶管结合人工冻结进行超前预支护。

1.2 支护设计方案

采用初期支护、二次衬砌及临时支撑组成的支护体系承担施工过程中的水土压力，三次衬砌承担运营阶段的全部水土压力。

五台阶15部和四台阶8部施工开挖方案的相应参数如表1所示。

表1 五台阶和四台阶设计参数表［3］Table 1 Design parameters of 5-bench method and 4-bench method［3］

1.3 施工开挖方案

1.3.1 五台阶15部开挖方案

第1台阶的开挖高度约5.1 m，第2—4台阶的开挖高度为3.8 m，第5台阶高度约4 m。各台阶宜先同时开挖左右分区，中部分区滞后于左右分区约5 m（即台阶长度约5 m）左右开始开挖。各分区开挖后应紧跟施作第1层衬砌和相应位置的临时支护结构，待有条件施作第2层衬砌结构时应及时施作。五台阶支护及施工开挖方案如图1所示。

图1 五台阶支护及施工开挖方案Fig.1 Support and construction plan of 5-bench method

1.3.2 四台阶8部开挖方案

在管幕间冻结圈基本形成后开始暗挖施工。从两端相向开挖，中板上、下层断面相对独立组织施工，四台阶8部开挖，各导洞相距一定步距，随开挖随初期支护，紧跟二次衬砌，支护应尽快封闭成环。初期支护混凝土采用湿喷工艺，二次衬砌拱顶采用喷射混凝土，拱墙采用模筑混凝土。二次衬砌全部完成后，开始三次衬砌施工，下层断面侧墙采用单边三角斜模筑支撑，中板支架法模筑，上层断面拱墙采用钢模板台车模筑。四台阶支护及施工开挖方案如图2所示。

图2 四台阶支护及施工开挖方案（单位：cm）Fig.2 Support and construction plan of 4-bench method（cm）

2 五台阶和四台阶方案初步比选

2.1 计算条件及参数

1）计算理论：荷载-结构模式；

2）计算程序：采用ANSYS计算程序；

3）荷载确定：考虑围岩压力、水压力、结构自重及地面荷载和洞内中板上的车辆荷载；

4）假定衬砌背后围岩能提供径向弹性反力；

5）围岩竖向压力按全土柱考虑，水平压力按静止土压力考虑，地面超载取30 kPa；

6）计算模型中围岩物理力学参数如表2所示。

表2 计算模型土层参数Table 2 Physical and mechanical parameters of soil strata

2.2 五台阶15部方案

主要对五台阶15部方案2种工况下的结构安全性进行分析，2种工况分别为全断面开挖完成后的工况和临时支撑拆除过程中的最不利工况。

2.2.1 全断面开挖后计算结果

全断面开挖完成后内力计算结果见图3。

图3 五台阶15部方案全断面开挖完成后内力计算结果Fig.3 Structural internal force of tunnel after excavation（5-bench 15-step method）

通过分析图3可知，除个别应力集中点外，初期支护结构最不利受力位置在仰拱处，该处最大轴力为2 053.9 kN，最大弯矩为560.0 kN·m，初期支护和临时支护强度能够满足安全要求。

2.2.2 下半断面临时支撑拆除后计算结果

五台阶15部方案拆撑顺序为：三次衬砌仰拱施作—拆下半断面横撑和竖撑—修下半断面侧墙和中板—拆上半断面横撑和竖撑—修上半断面三次衬砌。

图4为五台阶15部方案拆撑过程中最不利工况的计算结果。通过计算可知，该工况最不利受力位置在墙角处，该处最大轴力为3 117.1 kN，最大弯矩为1 924.9 kN·m，该处厚度为1.11 m，拆撑方案可以满足施工期间的结构安全要求。

图4 五台阶15部方案下半断面临时支撑拆除后内力计算结果Fig.4 Structural internal force of tunnel after removing the support of the lower half cross-section（5-bench 15-step method）

2.3 四台阶8部方案

本节主要对四台阶8部方案2种工况下的结构安全性进行分析，2种工况分别为全断面开挖完成后的工况和临时支撑拆除过程中的最不利工况。

2.3.1 全断面开挖完成后

全断面开挖完成后内力计算结果见图5。

通过分析图5可知，除个别应力集中点外，初期支护结构最不利受力位置在仰拱处，该处最大轴力为2 364.7 kN，最大弯矩为469.8 kN·m，初期支护和临时支护强度能够满足安全要求。

2.3.2 拆下半断面横撑和竖撑

四台阶8部方案拆撑顺序为：拆下半断面横撑—施作三次衬砌仰拱—修下半断面侧墙和中板—拆上半断面横撑和竖撑—施作上半断面三次衬砌—拆下半断面竖向临时支撑。

图6为四台阶8部方案拆撑过程中最不利工况的计算结果。通过计算可知，该工况最不利受力位置在墙角处，该处最大轴力为2 191.7 kN，最大弯矩为1 506.5 kN·m，该处厚度为0.6 m。下半断面临时支撑拆除后、三次衬砌施作并达到一定强度前，下半断面边墙及仰拱处的第1层初期支护和第2层初期支护受力较大，不能满足施工安全要求。

图5 四台阶8部方案全断面开挖完成后内力计算结果Fig.5 Structural internal force of tunnel after excavation（4-bench 8-step method）

2.3.3 对比分析

五台阶15部方案和四台阶8部方案施工期间的安全性计算分析结果对比如下：

1）在管幕超前支护作用下，采用五台阶15部方案和四台阶8部方案在开挖期间都能够满足结构安全要求。

2）临时支撑拆除对结构力学行为影响较大，2种方案的施工安全性差异明显，特别是下半断面临时支撑拆除时机至关重要，当在三次衬砌施作前拆除下半断面临时支撑时，下半断面结构受力不能满足安全要求。

3）四台阶8部方案跨度较大，开挖期间支护结构变形相对较大，冻土体开裂漏水风险高于五台阶15部方案。

图6 四台阶8部方案下半断面横撑和竖撑拆除后内力计算结果Fig.6 Structural internal force of tunnel after removing the support of the lower half cross-section（4-bench 8-step method）

4）4台阶8部方案下半断面临时支撑拆除后、三次衬砌施作并达到一定强度前，下半断面边墙及仰拱处的第1层初期支护和第2层初期支护受力较大，不能满足施工安全要求，需采取防范措施；特别是施工期间需注意减少该处的暴露时间，及时施作下半断面三次衬砌和中板结构。

5）5台阶15部方案采用拆撑前先施作三次衬砌仰拱，然后采用拆下半断面横撑和竖撑—修下半断面侧墙和中板—拆上半断面横撑和竖撑—修上半断面三次衬砌的拆除方案是安全可行的。

3 隧道开挖施工三维数值模拟

3.1 数值模型

利用FLAC3D详细模拟研究五台阶15部方案施工。根据经验，本次计算模型纵向取50 m，隧道埋深约6 m，竖向取至地表［11］，横向取120 m，整个计算区三维尺寸为120 m×60 m×50 m（横×竖×纵）［12］。计算模型如图7和图8所示。

图7 计算模型Fig.7 Calculation model

图8 管幕及支护结构模型Fig.8 Model of pipe curtain and supporting structure

5个台阶15个分区开挖及衬砌施作工序如下：

1）开挖断面由上而下分为A、B、C、D、E共5个台阶，每一台阶又划分为3个分区，共15个分区。对于第1台阶，先对A-1分区进行纵向水平注浆加固，然后边开挖边对A-2分区进行横向水平加固，A-2分区滞后于两侧分区约5 m。各分区每开挖1～2个工字钢间距时，就应紧跟施作初期支护与临时支护结构；二次衬砌分别在各分区内部施作，距离开挖面约10 m左右。同时，对下部第2台阶进行竖向注浆加固。

2）第2台阶与第1台阶纵向间隔20 m开挖，第3台阶与第2台阶纵向间隔15 m开挖，第4台阶与第3台阶纵向间隔15 m开挖，第5台阶与第4台阶纵向间隔10 m开挖。2—5台阶开挖次序及初期支护、临时支护、二次衬砌施工次序和时机与第1台阶类似。

3）在第5台阶二次衬砌达到设计强度后，开始施作仰拱处三次衬砌，拆除第3道和第4道横向临时支撑及下部竖向临时支撑，每次拆撑距离约6 m，施作侧墙三次衬砌及中板结构。

4）拱腰及中板三次衬砌达到设计强度后，拆除第1道和第2道横向临时支撑及上部竖向临时支撑，每次拆撑距离约6 m，并紧跟施作上半断面左右边墙及拱顶处的三次衬砌结构。以上各部错位循环逐步向前推进，直至暗挖段三次衬砌结构修筑完成。

3.2 计算参数

3.2.1 围岩物理力学参数

拱北隧道隧址区内工程地质如表3所示。

表3 土层物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of different strata

3.2.2 支护结构物理力学参数

根据拱北隧道设计支护方案，结合超前大顶管、冻土及隧道支护结构所采用的材料特性［13］，支护结构物理力学参数取值如表4所示。

表4 支护结构物理力学参数［14］Table 4 Physical and mechanical parameters of support structure［14］

3.3 应力和位移分析点位图

结合上述计算模型，选定本次支护结构内力及位移计算监测点如图9和图10所示。

图9 初期支护、临时支护及二次衬砌结构内力分析点位图Fig.9 Internal force monitoring points of the primary support，temporary support and secondary lining

图10 初期支护及临时支护结构变形分析点位图Fig.10 Deformation monitoring points of the primary support and the temporary support structures

3.4 计算结果分析

选取Z＝26 m截面为研究对象，初期支护、临时支护及二次衬砌计算结果见图11—12及表5。

图11 初期支护结构内力计算结果Fig.11 Internal force of the primary support structures

图12 临时支护结构内力计算结果Fig.12 Internal force of the temporary support structures

表5 二次衬砌结构内力计算结果Table 5 Internal force of secondary lining

3.4.1 位移计算结果

3.4.1.1 第1台阶通过断面Z＝26 m后位移分布见图13。

图13 第1台阶开挖后位移分布图Fig.13 Distribution of displacement after bench I excavation

通过分析图13可知，第1台阶开挖后，由开挖引起的地表下沉量为6.4 mm，隧道拱顶最大下沉量为9.3 mm。

3.4.1.2 第5台阶通过断面Z＝26 m后

应力分布见图14。

图14 第1台阶开挖后应力分布图Fig.14 Distribution of stress after bench I excavation

通过分析图14可知，第5台阶开挖后，由开挖引起的地表累积下沉量为4.3 mm，隧道拱顶最大累积下沉量为5.6 mm［15］。

3.4.2 计算结果分析

1）通过三维数值模拟可知，在管幕支护下，采用设计的支护参数及工序能满足施工期间的受力要求。

2）各部开挖后应及时进行初期支护的施作，同时，条件具备后应尽快施作第2层衬砌结构，以减小开挖引起的拱顶下沉和地表沉降变形。

4 结论与建议

通过对五台阶15分区施工方案和四台阶8分区施工方案支护结构受力变形规律分析和对拱北隧道暗挖段开挖施工力学行为的三维数值模拟研究，得出以下结论：

1）在管幕超前支护作用下，采用五台阶15部方案和四台阶8部方案在开挖期间都能够满足结构安全要求；但后者由于第4台阶跨度达9.2 m、高度达7.8 m，初期支护及临时支护结构受力及变形增大较多，开挖后周边冻结圈由于结构变形而开裂涌水，风险大。

2）5台阶15部方案的合理施工工序为：先分台阶分部开挖，及时进行初期支护的施作，同时，条件具备后应尽快施作第2层衬砌结构；待全断面开挖完成后，施作三次衬砌仰拱，然后拆下半断面横撑和竖撑，每次拆除长度为4.8 m；最后修下半断面侧墙和中板，完成后再拆上半断面横撑和竖撑。

3）临时支撑拆除时机对结构力学行为影响较大，拆除方案的制定必须与冻结和解冻时机同时考虑。根据计算结果，由于仰拱处结构所受水土压力荷载较大，临时支撑拆除前应先施作三次衬砌结构，确保拆除安全。

本文三维数值模拟时未考虑顶管施工对地表变形的影响，也未考虑施工期间渗漏水问题对地表变形的影响；因此，地表变形计算结果可能与实际施工有一定出入。为进一步准确预测隧道施工对地表位移的影响，需进一步考虑上述影响因素，以提出控制地表变形的有效措施。

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Construction Method of Ultra-shallow Super-large Cross-section Tunnel in Coastal Soft Soil Strata：Case Study on Gongbei Tunnel

WEI Longhai，CHENG Yong，LIU Jiguo
（CCCC Second Highway Survey，Design and Research Institute，Wuhan 430056，Hubei，China）

Gongbei tunnel，with an excavation cross-section area of 340 m2，is an ultra-shallow tunnel in coastal soft soil strata.The tunnel is to be constructed by bench method under the protection of the advance pipe curtain.In the paper，numerical study is made on the structural internal force and safety of the tunnel constructed by 5-bench 15-step method or 4-bench 8-step method by means of ANSYS program.Conclusions drawn are as follows：1）Both the 5-bench 15-step method and the 4-bench 8-step method can meet the structural safety requirements of the tunnel；however，these two methods have different safety impacts during the removing of the temporary support；2）If the tunnel is constructed by 4-bench 8-step method，the primary support and the secondary lining at the side walls and invert of the lower half of the tunnel will bear large internal force in the period from the removing of the temporary support to the installation of the third lining，therefore the 4-bench 8-step method has low safety performance；3）After the excavation of each step，the primary support shall be installed timely and the secondary lining shall be installed as soon as possible，so as to minimize the crown settlement and the ground surface subsidence.

ultra-shallow cover；super-large cross-section；coastal soft soil tunnel；construction method

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.005

U 451

A

1672-741X（2015）11-1141-09

2015-08-14；

2015-11-02

魏龙海（1979—），男，安徽太和人，2009年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，博士，高级工程师，主要从事地下工程方面的设计和研究工作。