石膏质岩隧道工法优选

赵国军+陈钒+欧阳汛

摘 要： 石膏质岩的膨胀特性严重影响隧道的施工设计及其后期的正常使用，目前该类岩体隧道的设计施工大都偏保守，合理的隧道工法是石膏质岩体隧道安全稳定的有力保障。以重庆梁忠高速公路礼让隧道石膏段为工程依托，采用数值模拟，进行工法优选并提出相应施工要求，得出以下结论：（1）对石膏段隧道采用全断面法开挖，支护结构受力最大，变形相对也更大，单侧壁导坑法支护受力最小，变形相对要小，但工序复杂，上下台阶法工序相对简单，变形及受力在允许范围内。（2）选取断面进行台阶法开挖现场测试，提出开挖阶段严格控制爆破及仰拱及掌子面间距，并加强各类支护，加深仰拱等相应现场要求。（3）现场测试结果显示隧道变形实测值较模拟数值稍有偏小，隧道整体偏安全，礼让隧道石膏段采用上下台阶法开挖可行。研究成果对类似石膏质岩隧道提供了有益借鉴。

关键词： 石膏质岩； 开挖方法优选； 现场测试

Abstract： The expansion features of the gypsum rocks seriously affect the construction of the tunnel design and its normal use in the late period， the design and construction of these tunnels are mostly conservative at present， Reasonable construction methods are powerful guarantees for gypsum rock tunnels safety and stability. As the gypsum rock section of Lirang tunnel in Chongqing， Liang Zhong highway for the project， using the numerical simulation， to optimize the construction method and put forward something requirements， the conclusions are as follows：（1）when the gypsum section tunnel excavated by the whole section method， the supporting structure is largest forced， the tunnel deformation is relatively more， the supporting force is minimal when the tunnel excavated by the CD method， deformation is relatively smaller， while the process is complicated， up and down the steps method procedure is relatively simple， also the deformation and stress in the allowed range. （2）Select some sections to have a field test with steps method， put forward that the excavation process should strictly controlled blasting and the distance between the inverted arch and constraints spacing， besides， all kinds of the support should be strengthen， also the inverted arch should be deepen and other corresponding requirement on site. （3）The field test results show that the measured values of the tunnel deformation are slightly smaller than the simulation values， the tunnel is in a good security， it is feasible of the Gypsum tunnel section excavated by steps method. Research provides useful reference for similar gypsum rock tunnel.

Keywords： gypsum rock； the excavation method optimization； field test

石膏质岩是一种典型的特殊岩体，在我国各个区域，特别是西南地区广泛分布着石膏质岩，各类工程建设过程中也时常遭遇此類岩体。目前我国公路隧道大都采用新奥法施工[1]，即通过围岩与衬砌结构共同承受荷载。对于石膏质岩隧道，我国尚未对其进行针对性设计，也没有相应的隧道施工工法，而是依靠经验完成建设，导致隧道常常在施工过程中偏于危险或相对保守[2]。当施工偏于危险时，导致隧道出现安全问题，并需要耗费大量资金进行维修和养护；当施工偏于保守时，支护结构与围岩共同承载作用不够充分，还将造成锚杆等支护材料过剩，同样造成了严重的资金浪费[3]，因此，对石膏质岩类特殊隧道进行针对性工法分析研究具有重要意义。

目前隧道施工设计方法多样，许多学者针对特殊岩体隧道施工进行了相关研究。郭文明[4]进行了全断面法、核心土方法等工法分析总结，并对各级围岩下的超大断面扁平隧道施工工法提出了相应的建议；郭禹呈[5]对回头沟隧道浅埋偏压段进行了施工方法对比研究，对工程实际选择了合适的工法，并详细进行了施工流程分析指导；王铁男[6]分别对全断面法、台阶法及双侧壁导坑等方法进行了隧道开挖稳定性分析，总结了每种开挖方案在分析的各阶段的特征；李达[7]对穿越断层的长大隧道进行了施工方法优化，并提出了隧道穿断层的相关施工建议；范小伟[8]对长冲隧道进口段分别采用台阶分部法和CD法，优化分析隧道各个部位的变形及受力特性。

综上可知，特殊隧道段合适的开挖方法不仅可以实现新奥法施工过程中围岩与衬砌结构受载充分，保证隧道的稳定性，还可以节约锚杆、衬砌等支护结构的使用，降低支护成本，并对整个施工过程提出更为详细缜密的施工要求。本文以重庆梁平至忠县高速公路深埋石膏质岩段隧道，对新奥法中常用的隧道施工方法分别进行围岩变形影响分析及支护结构受力分析，进而选择适合石膏质岩深埋隧道工程的施工方法，并相应地提出现场施工要求，进行现场测试，验证优选工法的可行性。

1. 工程概况

重庆梁平至忠县高速公路礼让隧道进口位于七星镇金柱村蒋家沟，出口位于礼让镇河川村流长沟，属于特长隧道。石膏主要分布于背斜轴部分布的三叠系下统嘉陵江组四段的地层中，具体分布里程范围：左线ZK14+582～ZK14+907，右线K14+599～K14+920，穿石膏岩段隧道长度约600m，且属于礼让隧道深埋段。石膏段围岩等级为V级。

2. 礼让隧道石膏段开挖方法优選分析

2.1 膏岩段隧道模型建立

根据《礼让隧道施工设计说明》和详勘资料，建立平面应变模型，分析隧道开挖后围岩变形及支护结构受力。结合礼让隧道膏岩段实际地层情况，建立几何模型如图1所示，模型宽300m，高160m，尺寸远大于开挖洞径，岩层自上而下为灰岩A1（100m）—膏岩A3+A4（40m）—灰岩A2（20m）。由于膏岩具有软化性，因此取隧道三倍洞径范围，对膏岩区进行了软化区域划分，其中A4为软化区，即隧道开挖过程中造成周边围岩体软化，强度降低；A3为非软化区，表示隧道开挖对该区域围岩强度基本无影响。

采用杆单元Link1，模拟锚杆支护，梁单元Beam3模拟初衬支护，平面单元Plane42模拟隧道岩体。岩土体采取弹塑性介质模型，DP准则，灰岩、膏岩及支护材料的力学参数见表1。

2.2 膏岩段隧道开挖方法模拟

隧道开挖方法对围岩稳定性及工程进度影响较大，目前高速公路隧道常用的开挖方法有：全断面法、上下台阶法、单侧壁导坑法。[9]礼让隧道原始设计中，建议石膏段采用单侧壁导坑法施工。本研究分别对全断面法、上下台阶法、单侧壁导坑法进行数值模拟，分析围岩变形及支护结构的受力特征，并基于模拟结果指导现场施工。

三种开挖方法的具体模拟如下：

（1）全断面开挖。包括：模拟重力场à模拟全断面开挖à隧道断面支护。

（2）上下台阶法。包括：模拟重力场à上台阶开挖à上台阶支护à下台阶开挖à下台阶支护。

（3）单侧壁导坑法。包括：模拟重力场à左上侧开挖à左上侧支护à左下侧开挖à左下侧支护à右上侧开挖à右上侧支护à右下侧开挖à右下侧支护à拆除中隔墙。

2.3 模拟结果及分析

由于本模拟侧重研究三种开挖方法对石膏岩隧道的影响，且实际施工过程中同一隧道不允许同时掘进，所以只对隧道左洞的开挖进行模拟。三种开挖方法模拟下各围岩及支护参数均相同，且基于原设计。

（1）围岩变形分析

图2为三种开挖方法下，围岩在竖直方向上的位移云图。三种方法下最大竖直方向的位移都发生在拱顶处。可以看出全断面开挖，隧道拱顶最大下沉19.61mm，底部隆起10.84mm，两者变形值相差不大，这是因为全断面开挖，断面一次成型，隧道上下部围岩受膨胀软化作用的时间相同。上下台阶法开挖，隧道拱顶最大下沉17.37mm，底部隆起7.75mm，拱顶和拱低变形值相差9.62mm，这是因为上台阶先行，拱顶围岩变形时间长于拱底。单侧壁导坑法开挖，隧道拱顶最大下沉8.50mm，底部隆起6.29mm。对比三种方法，单侧壁导坑法下沉量最小，全断面法下沉量最大。

图3为三种开挖方法下，围岩在水平方向上的位移云图。三种方法下水平方向的最大位移都发生在右侧拱墙处，这是因为模拟过程中只对左侧单隧道开挖，模型右半部分的围岩较左半部分多，造成隧洞右侧拱墙处位移稍大。全断面开挖，隧道水平方向最大位移10.91mm，水平收敛21.14mm。上下台阶法开挖，隧道水平方向最大位移7.56mm，水平收敛14.88mm。单侧壁导坑法开挖，隧道水平方向最大位移2.01mm，水平收敛3.66mm。可以看出开挖方法对围岩水平方向变形比对竖直方向变形影响大。

（2）支护结构受力特征分析

图4为三种开挖方法下的锚杆轴力图。全断面开挖法，锚杆的近端轴力大、远端轴力小，最大轴力为174.54KN，主要分布在拱顶，拱脚处也会出现轴力偏大，最小轴力43.29KN。上下台阶法，锚杆轴力分布均匀，最大轴力为66.07KN，分布在上台阶拱墙侧，最小轴力35.53KN，分布在拱脚处。单侧壁导坑法，锚杆轴力分布均匀，最大轴力为43.48KN，分布在左侧拱墙和拱底中间处，最小轴力25.74KN，分布在拱脚处。可见分步开挖能降低锚杆的轴力，且能有效避免拱脚处锚杆轴力过大。

在模拟结果中，三种开挖方法衬砌的弯矩和剪力都非常小，衬砌的压应力主要受轴力影响。图5为衬砌所受轴力图。全断面开挖中衬砌最大轴力在拱脚处，为475.90KN，最小在拱墙处，为314.26KN，这是因为隧道断面一次成型，且围岩具有膨胀软化性。上下台阶法，衬砌最大轴力为208.40KN，除了出现在拱脚处，拱顶处轴力也偏大，这是因为先开挖上台阶，上部围岩受膨胀作用时间长。衬砌最小轴力为136.88KN，在拱肩处。单侧壁导坑法衬砌最大轴力149.09KN，在左侧拱脚处，这是因为左侧先开挖且围岩受膨胀作用影响，衬砌最小轴力为79.50KN。可见，三种方法中单侧壁导坑法对隧道衬砌结构影响最小。

表2为三种开挖方法下，围岩变形及支护结构受力的结果。全断面法对围岩扰动最小，拱顶沉降和水平收敛值都大于另两种开挖方法；单侧壁导坑法对围岩扰动最大，但围岩变形相对最小；上下台阶法介于两者之间；支护结构受力方面，全断面法对支护结构影响最大，锚杆最大拉应力能达到88.9MPa，衬砌最大压应力能达到7.1MPa；单侧壁导坑法对支护结构影响最小，锚杆最大拉应力能达到22.2MPa，衬砌最大压应力能达到2.2MPa；上下台阶法介于两者之间。锚杆最大拉应力能达到33.6MPa，衬砌最大压应力能达到3.1MPa。对比三种方法，即使采用全断面开挖，锚杆最大拉应力和衬砌的最大压应力，都在材料的许可范围内（锚杆抗拉强度130MPa，衬砌抗压强度30MPa）。

综上所述，综合考虑采用不同开挖方法对隧道围岩、支护结构的影响以及隧道施工便捷、经济等因素，采用全断面法进行隧道开挖，虽然施工进度快，且最具经济性，但其水平收敛达21.14mm，变形量超出允许值范围，施工相对偏危险。采用单侧壁导坑法进行隧道开挖时，围岩变形及其支护结构受力相对偏保守，但其施工工序更为繁琐。因此，对礼让隧道石膏段选择上下台阶法进行施工更为合理，施工工序相对原设计中的单侧壁导坑法更为简便，且其沉降收敛值也均处于围岩允许变形范围内。

3. 礼让隧道石膏段台阶法现场测试

根据前节对礼让隧道石膏段开挖方法进行优选分析，对其提出采用上下台阶法代替单侧壁导坑法进行施工，并结合膏岩段现场施工过程中采取的措施，从隧道开挖及支护方面提出相關要求，并验证台阶法施工的可行性。

3.1 台阶法隧道施工现场要求

（1）台阶法隧道开挖要求

同一段隧道左右洞不许同时掘进，分先行洞和后行洞施工，后行洞控制爆破震速不大于15cm/s。[10]后续洞初期开挖及初期支护超前先行洞二次衬砌。上台阶开挖长度不超过开挖宽度的1.5倍。上台阶每循环开挖进尺V级围岩不超过1榀钢架间距，下台阶开挖支护进尺与上台阶一致。隧道开挖后仰拱应及时施做并封闭成环，边墙每循环开挖支护进尺不大于2榀钢架。仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环进尺不大于3米，左右两侧分幅开挖。V级围岩仰拱距离掌子面不大于40m。

（2）台阶法隧道支护建议

①施工时需加强监控量测，严格遵循“动态设计、信息化施工原则”；

②增加预留变形量，暂设计为40cm，具体施工时需根据现场监测得到的围岩膨胀变形量调整确定；

③加强超前支护，采取Φ42小导管和R76自进式锚杆进行超前支护；

④加强初期支护，采用20b密排工字钢全周封闭支护，4m长Φ25中空注浆锚杆全周布置。施工时根据现场监测情况，若变形量较大引起初喷混凝土开裂，则需沿喷层每隔2m～3m布置一条10cm～15cm宽的纵向变形缝；

⑤加深仰拱，使隧道内轮廓更接近圆形，改善衬砌结构受力。

3.2 台阶法隧道施工现场测试结果分析

根据隧道施工实际情况，进行现场测试来验证上下台阶法模拟及该方法所得结果的可靠性。在左右洞各选取2个断面作为测试段进行测试，自测试之日起，记录各断面变形情况直至稳定，通过现场测试，得出4个断面拱顶衬砌结构变形，具体结果对比如表3，拱顶沉降及水平收敛模拟数值较实测值稍有偏大，但围岩及支护结构基本稳定，可见对礼让隧道石膏段优选采用上下台阶法施工的方案是可行的。

4. 结语

（1）不同工法对隧道围岩变形及支护结构受力的影响也不相同，对比全断面法、上下台阶法、单侧壁导坑法对深埋膏岩隧道影响，结果显示：全断面法对隧道扰动最小，支护结构受力最大，但隧道变形相对偏危险；单侧壁导坑法对隧道扰动最大，支护结构受力最小，隧道变形相对偏保守，上下台阶法围岩变形及支护结构受力位于二者之间，且与单侧壁导坑法开挖结果更为接近。

（2）通过对隧道断面进行现场测试，对隧道采用上下台阶法施工提出相应的开挖及支护施工要求：建议开挖阶段严格控制爆破震速及仰拱与掌子面距离；建议支护阶段增加预留变形量，加强超前支护、初期支护并加深仰拱，保障隧道的稳定性。

（3）现场测试结果显示，隧道采用上下台阶法施工，拱顶下沉及水平收敛实测值较模拟数值稍有偏小，隧道整体稳定且偏安全，对礼让隧道石膏段采取上下台阶法施工合理且可行。

参考文献：（References）：

[1] 李潮雄. 大别山隧道新奥法施工的围岩分级和监控量测研究[D]. 武汉理工大学， 2009.

[2] 杨帆. 浙温铁路隧道载荷特征与安全性的研究[D]. 山东科技大学， 2015.

[3] 陈祥林. 公路隧道复合支护结构与高地应力围岩相互作用分析与应用研究[D]. 上海交通大学， 2010.

[4] 郭文明. 公路超大断面隧道扁平率及施工方法优选研究[D]. 长安大学， 2012.

[5] 郭禹呈. 回头沟隧道偏压段施工方法研究[D]. 吉林大学， 2016.

[6] 王铁男. 浅埋暗挖地铁隧道开挖方案技术优化研究[D]. 沈阳大学， 2011.

[7] 李达. 长大隧道穿越断层区施工力学特征及施工优化方法研究[D]. 西南交通大学， 2012.

[8] 范小伟， 徐林生. 长冲隧道进口段开挖方法的优化分析[J]. 重庆交通大学学报自然科学版， 2008， 27（2）：225-227.

[9] 黄波. 公路隧道软弱围岩开挖方法研究[J]. 土工基础， 2004， 18（5）：59-61.

[10] 单位中交第一公路工程局有限公司. 公路隧道施工技术规范[M]. 人民交通出版社， 2009.