四车道特大断面大跨度隧道的开挖与支护力学性能研究

赵 倩

(湖北商贸学院, 湖北 武汉 430079)

四车道特大断面大跨度隧道的开挖与支护力学性能研究

赵 倩

(湖北商贸学院, 湖北 武汉 430079)

以某单洞四车道高速公路隧道为背景，对车道特大断面大跨度隧道的开挖与支护力学性能进行了研究。结果表明：开挖前期，围岩均有较大的沉降速率及量值，对拱顶位置位移影响较大的是隧道上部分的开挖。在施工过程中，对上部结构支护进行合理确定，同时对其进行及时封闭可有效控制围岩变形。在K5+530-K5+660的里程范围内，沉降值最大为34 mm，地质条件越差，开挖的断面就越大，支护结构也就越简单，围岩变形就会越大。隧道断面左、右拱肩测点的压力均先增大最后趋于平稳。埋深条件相同，左洞和右洞围岩压力水平及分布规律是一致的，相邻侧拱部的压力比另一侧的要大，拱顶最大压力为0.27 MPa，外侧边墙的压力最小，为0.06 MPa；在应力变化过程中，钢拱架左拱肩处最大应力为45 MPa，左拱腰处最大应力为 32 MPa，说明开挖过程中形成了压力拱结构，围岩自承能力得到有效地发挥。

隧道； 开挖； 支护； 力学性能

随着我国高速公路建设的不断发展，交通运输也随着经济的发展在逐步提高，公路隧道中，传统的单洞两车道已不能满足交通需要[1-4]。全国各地为适应多车道高速公路的建设，目前已建成多个大断面隧道。单洞四车道特大断面大跨度隧道的结构受力非常复杂、同时具有多样化的施工方法[5]。

隧洞开挖与支护实质是岩土与结构的相互作用。开挖与支护的参数要根据隧洞的尺寸、形状、受力、衬砌刚度、围岩特点、开挖顺序等确定[6-8]。单洞四车道隧道围岩所受压力较大，由于施工期间转换工序多，同时开挖隧道会多次扰动围岩，因此围岩和隧道极易出现失稳及结构破坏现象[9-11]。目前国内外都加强了对四车道大断面公路隧道的施工管理，重点加强了监控量测、反馈分析等信息化施工动态控制技术的落实，以保证四车道公路隧道的结构安全和围岩稳定[12]。在断面面积、跨度、扁平率上和围岩受力、衬砌受力等,四车道隧道与三车道隧道差异明显，不能用三车道隧道理论去研究四车道隧道，需深入研究四车道隧道[13-15]。本文以某单洞四车道高速公路隧道为背景，对车道特大断面大跨度隧道的开挖与支护力学性能进行了研究。

1 工程背景

某单洞四车道高速公路隧道，是国道主干线引线工程，正常运营车速设计为110 km/h。隧道左线长为1225 m，右线长为1196 m，两洞间距为20 m。隧道最大埋深为87 m，最大开挖宽度为19 m，最大开挖高度为12.6 m，在临时支撑处：导洞宽度为6.24 m，核心土宽度为5.7 m。工程地质钻探表明，该隧道有较为简单的地层，有些地段的基岩裸露，隧道区分布有残坡积物，基岩为二长花岗岩侵入体，各层从上至下依次为：砾质亚黏土层、全风化、强风化、弱风化和微风化二长花岗岩层。隧道以左导洞超前进行开挖，随后进行右导洞开挖，核心土最后开挖。该隧道设计为复合衬砌结构，初期支护为锚杆湿喷钢纤维混凝土，钢支撑，注浆小导管等为辅助支护，图1为隧道设计断面层顺序。

图1 隧道设计断面层顺序Figure 1 the sequence of tunnel design

2 隧道围岩压力检测

2.1 围岩断面层结构

施工开挖方式依据隧道洞身围岩等级进行确定，本研究以隧道进出口V级围岩段K5+660断面为重点进行力学性能分析，K5+660断面围岩地质共分为四层，分别依次为残坡积土地质层、全风化花岗岩地质层、强风化花岗岩地质层、弱风化花岗岩地质层，隧道的位置在第三层的强风化花岗岩中。隧道的地下水条件为不均匀的裂隙水性，具有较好的局部透水性，图2为K5+660断面围岩地质图。

图2 K5+660断面围岩地质图Figure 2 The geological condition of surrounding rock mass in crosssection K5+660

2.2 断面物理学参数

表1为K5+660断面物理力学参数。文章中采用正号表示应力为拉应力，负号则相反。应力绘图时，隧道外为正值，隧道内为负值；开挖面未到达量测断面，表示开挖面距离量测断面为正值，开挖面到达量测断面，表示开挖面距离量测断面为负值。

表1 K5+660断面物理力学参数Table1 Thephysico⁃mechanicalparametersforcrosssectionK5+660土层名称及序号γ/(kN·m-3)E/GPaμφ/(°)c/kPa残坡积土—1164013037245138全风化花岗岩—22080640282997126强风化花岗岩—3187019034209697弱风化花岗岩—42592302247541052

2.3 测点布置

隧道采用复合衬砌结构；采用注浆锚杆、钢拱架、钢筋网为初期支护；二次衬砌为钢筋混凝土；超前管棚和超前注浆小导管为辅助措施，图3为双侧壁导坑工法的断面测点布置示意图。

图3 双侧壁导坑工法的断面测点布置示意图Figure 3 The double side heading method section of the arrangement of the measuring points

2.4 支护体系应力监测

四车道特大断面大跨度隧道两洞之间的距离较小，左洞和右洞在施工时，相互之间会互相干扰、影响。隧道围岩、结构稳定性会受到开挖工序的影响，尤其是中间的核心土，受力更加复杂，鉴于目前对于四车道特大断面大跨度隧道可借鉴的工程经验比较少，设计及施工方法还不成熟。为保证隧道安全施工，必须要加强监控量测。根据公路隧道施工规范要求，针对该隧道结构特点、施工工艺、地质情况，对应力监测进行布置，见图4所示。

图4 支护体系受力监测断面布置图(单位： cm)Figure 4 The arrangement of stress monitoring of cross-section for support system(unit： cm)

3 隧道拱顶沉降分析

3.1 拱顶沉降发展过程分析

图5为隧道东线K5+660断面拱顶沉降变化曲线，由图可知，在隧道断面初期施工阶段，隧道拱顶沉降随着时间的增加迅速增大，继续延长时间，拱顶沉降值增加的速度放缓，最后趋于平稳，最终稳定值为23 mm左右，在55 d左右，隧道变形达到稳定。

图5 东线K5+660断面拱顶沉降变化曲线Figure 5 The settlement curve of 5 east section K5+660 vault

3.2 法拱顶沉降量分析

双侧壁导坑法的基本原理是开挖侧壁导坑是在主体隧道的两侧，此方法对隧道洞口段和围岩破碎段比较适合。开挖导坑要尽量不扰动围岩，导坑断面接近椭圆，避免应力过度集中；初期施工，选择钢架、挂网等为支护，利用围岩自承能力控制围岩，以免其发生变形。

图6为双侧壁导坑工法的各施工步序引起的沉降占总沉降的比例，由于隧道断面采用双侧壁导坑法施工，含有较多的施工步序，隧道变形要受到各步序的影响。施工过程中，左侧导洞和中导洞施工引起左上导洞拱顶沉降，左上导洞拱顶与右导洞的距离较远，因此右导洞开挖对左上导洞拱顶的影响较小、扰动也较小，监控量测结果表明左侧导洞、中导洞对总变形影响较大，其中左导洞引起的沉降占总沉降的比例为51%～66%，右导洞开挖和中导洞开挖所占比例分别为6%～14%,32%～38%。引起的沉降占总沉降的比例差异较大的原因是隧道跨度较大，地质条件有差异、支护施作时间不同造成的。

图6 双侧壁导坑工法的拱顶沉降量Figure 6 The double side heading method of the vault settlement

通过对隧道围岩变形分析，发现开挖前期，均有较大的沉降速率及量值，对拱顶位置位移影响较大的是隧道上部分的开挖。在施工过程中，对上部结构支护进行合理确定，同时对其进行及时封闭是非常重要的，只有这样才可发挥围岩承载能力，对围岩变形进行有效控制。

3.3 拱顶沉降纵向分布分析

图7为Ⅳ级围岩段拱顶下沉纵向分布柱状图，由图可知: 在K5+530-K5+620的里程范围内，在里程为530 m时，其沉降值最大，为34 mm；在里程为620 m时，其沉降值最小，为7 mm。

图8为Ⅴ级围岩段拱顶下沉纵向分布柱状图，在K5+620-K5+660里程范围内，在里程为630 m时，其沉降值最大，为28 mm。一般来说，地质条件越差的地方，开挖的断面就越大，支护结构也就越简单，围岩变形就会越大。本项目的隧道属于特大断面隧道，其拱顶下沉值总体来说是比较小的，这归结于隧道的地质条件较好，隧道变形易于控制。

图7 Ⅳ级围岩段拱顶下沉纵向分布柱状图Figure 7 The section IV rock vault longitudinal distribution histogram

图8 Ⅴ级围岩段拱顶下沉纵向分布柱状图Figure 8 The section V rock vault vertical distribution histogram

4 接触压力分析

4.1 断面围岩和初期支护压力变化分析

图9和图10为西线K5+660和东线K5+660断面围岩和初期支护压力变化曲线。隧道断面左、右拱肩测点的压力均呈现先增大，最后逐渐趋于平稳的趋势。在埋设压力盒初期，围岩和初衬之间的压力突增，由于隧道分步施工各工序相互影响，各测点检测压力出现波动，继续推进撑子面，将重新分布洞周应力，因此各接触点压力分布趋于稳定。

图9 左洞西线K5+660断面围岩和初期支护压力变化曲线Figure 9 The left hole K5+660 in west section of rock and initial support pressure curve

图10 右洞东线K5+660断面围岩和初期支护压力变化曲线Figure 10 The right hole K5+660 in east section of rock and initial support pressure curve

4.2 围岩和初期支护压力分布分析

图11为稳定后的左洞和右洞围岩和初期支护压力的分布，由图可知，在埋深条件相同时，左洞和右洞围岩压力水平及分布规律是一致的，相邻侧拱部的压力比另一侧的要大，拱顶最大压力为0.27 MPa，外侧边墙的压力最小，为0.06 MPa，本项目隧道为特大断面隧道，因为较好的地质条件，分部开挖及合理支护，总体上围岩压力值较小。在施工过程中，左右侧导坑施工时间上是不一致的、交错开挖引起一定偏压，因此造成断面围岩的压力分部不均匀，左洞超前开挖，围岩压力基本对称分布。右洞开挖引起偏压，内侧围岩压力大于外侧，开挖扰动相邻隧道，增加了先行隧道围岩压力，但对整体分布影响较小。

图11 围岩和初期支护压力分布(单位： MPa)Figure 11 The distribution of rock and initial support pressure (unit: MPa)

5 钢支撑受力

图12为断面钢拱架应力变化曲线，隧道的左拱肩和左拱腰外侧钢拱架均为外侧测点，并都处于受拉状态，在前期，钢拱架应力增长比较快，在释放围岩应力后，喷锚及围岩发挥自承能力，约22 d后，钢拱架内力增长放慢，约44 d后，应力趋于稳定，左拱肩稳定值为42 MPa，左拱腰稳定值为29 MPa。在应力变化过程中，钢拱架左拱肩处最大应力为45 MPa，左拱腰处最大应力为32 MPa，小于容许应力，这说明开挖过程中形成了压力拱结构，围岩自承能力得到有效地发挥。

图12 钢拱架应力变化曲线Figure 12 The steel arch stress curve

6 结论

① 开挖前期，围岩均有较大的沉降速率及量值，对拱顶位置位移影响较大的是隧道上部分的开挖。在施工过程中，对上部结构支护进行合理确定，同时对其进行及时封闭可有效控制围岩变形。

② 在K5+530-K5+660的里程范围内，沉降值最大为34 mm，地质条件越差，开挖的断面就越大，支护结构也就越简单，围岩变形就会越大。

③ 隧道断面左、右拱肩测点的压力均呈现先增大，最后逐渐趋于平稳的趋势。在埋深条件相同时，左洞和右洞围岩压力水平及分布规律是一致的，相邻侧拱部的压力比另一侧的要大，拱顶最大压力为0.27 MPa，外侧边墙的压力最小，为0.06 MPa；在应力变化过程中，钢拱架左拱肩处最大应力为45 MPa，左拱腰处最大应力为32 MPa，说明开挖过程中形成了压力拱结构，围岩自承能力得到有效地发挥。

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Study on the Mechanical Properties of Excavation and Support of Large Span Tunnel with Large Cross Section

ZHAO Qian

(Hebei Business College, Wuhan, Hubei 430079, China)

In this paper, a single tunnel four lane highway tunnel as the background, the large cross section of the tunnel excavation and support of the mechanical properties of the mechanical properties were studied.The results show that:in the early stage of excavation, the surrounding rock has a large settlement rate and the amount of value, the impact of the roof displacement of the tunnel is a large part of the excavation.In the course of construction, the upper structure support is reasonably determined, meanwhile, it can effectively control the deformation of surrounding rock. Within the range of K5+530-K5+660, the maximum settlement value is 34 mm, the worse the geological condition is, the larger the cross-section of the excavation, the more simple support structure, the greater the deformation of surrounding rock. The pressure of the measuring points of the left and the right arch of the tunnel section first increases and then tends to be stable. Buried deep under the same conditions, the left hole and a right hole rock pressure level and distribution law is consistent, adjacent to the lateral arch pressure than the other side to large dome, the maximum pressure is 0.27 MPa, side wall pressure minimum is 0.06 MPa; in the process of stress change, steel arch left arch shoulder maximum stress 45 MPa, left arch waist at the maximum stress 32 MPa, excavation in the process of formation of the pressure arch structure, self bearing capacity of surrounding rock effectively play.

tunnel; excavation; support; mechanical properties

2016 — 08 — 29

赵 倩，女(1984-)，湖北武汉人，讲师，研究方向：工程管理。

U 45

A

1674 — 0610(2016)06 — 0145 — 05