大断面国道隧道穿越接触带段施工开挖计算分析

■徐礼华 童淑萍

(抚州市公路局黎川分局，黎川 34460)

大断面国道隧道穿越接触带段施工开挖计算分析

■徐礼华 童淑萍

(抚州市公路局黎川分局，黎川 34460)

本文以江西某隧道工程穿越不整合接触带区段的施工方案为例,选定计算模型及开挖模型后，依次改变导洞开挖次序、掌子面间隔距离、每次开挖深度三个方面计算隧道拱顶沉降量、水平收敛度并进行分析对比，最后确定最佳的导洞开挖次序、掌子面间隔距离、每次开挖深度等重要参数，施工方案由实际施工效果验证，表明方案的可行性。

大断面国道隧道 接触带 施工方案 开挖高度

1 引言

在国道施工中，因穿越多种地质地貌，所遇特殊区段多种多样，施工情况较为复杂。针对特殊情况，需要考虑工程实际情况选用经济合理的施工方案。当国道中隧道工程穿越接触带段时需要考虑的情况较多，研究此种特殊情况下的施工方案，为国道类似的施工提供参考。

国内关于国道隧道施工的研究相对较多，并取得一定成果。钟元庆[1]针对隧道穿越国道的情况，应用浅埋暗挖法控制地表下沉量，以维持国道交通运营正常。赵纪平[2]解决隧道穿越高速公路、国道等问题，借助CRD法开挖、支护，并进行后期监测手段进行反馈式施工。苏兴矩[3]对于隧道工程穿越国道的情况，采用爆破减震技术降低对国道交通的影响，保证运行安全。熊慧中[4]等人借助大型有限元软件进行施工数值模拟，前期分析隧道工程穿越国道中各力学参数，利用大管棚超前支护、中导洞-双侧导洞法与地层注浆法，有效控制地面下沉量。

本文以江西某隧道工程通过不整合接触带区段的施工方案进行探讨分析。选定计算模型及开挖模型后，依次改变导洞开挖次序、掌子面间隔距离、每次开挖高度三个方面计算隧道拱顶沉降量、水平收敛并进行分析对比。最后确定最佳的导洞开挖次序、掌子面间隔距离、每次开挖高度等相关参数，其实际施工效果验证了方案的可行性。

2 项目情况

某隧道是江西省内320国道中西南山区重要的一条隧道，其总体轴线方向是211～215°右线公里标范围K159+456～K159+715段与左线公里表范围K159+451～K159+720段斜穿不整合接触带，方向夹角120°，其厚度达11.5m，坡度20°，隧道埋深范围是55～100.2m。山体地质为碎裂岩，泥质胶结。

某隧道斜穿接触带应用双侧壁导坑方式，每个导洞掌子面间隔距离8.5m，并且每次开挖高度2.5m。前期阶段支护断面选用直径30mm的中空注浆锚杆，长度是4.25m，选定I23a型钢拱架，间距70cm放置，并在其上挂置两层直径是10mm的钢筋网，布设成边长为25cm的方形，表面喷30cm厚度的C30型喷射混凝土，确定喷射55cm厚度的C25型钢筋混凝土实现二次衬砌。应用I14型钢拱架以间隔55cm布设，并挂置两层直径是10mm的钢筋网布设成边长为25cm的方形，表面喷20cm厚度的C325型喷射混凝土实现侧导洞支护。

3 计算模型选定

(1）计算模型与参数标定

在确定施工方案前，必须依据工程实际情况计算其各参数。工程情况如下：隧道埋深是85m，超前注浆厚度是2.1m，拱墙网喷混凝土32cm。模型大小是X=160m，Y=25m，Z=128m，模型网格划分见图1，其中包含126328个单元和22548个节点。为了结合工程实际及计算方便，应用摩尔-库伦模型进行计算，各计算参数值具体如表1所示。

表1 各计算参数表

图1 隧道网络模型

(2）监测点分布

隧道稳定性指标选定围岩位移，为消除计算模型边界效应，其研究断面选在模型中部，并分别在中导洞、左侧导洞、右侧导洞拱顶布设1个沉降监测点。在拱脚出设置一条水平收敛测线，各监测点分布见图2.

图2 监测点分布图

4 计算结果分析

结合工程实际情况，为了保证施工安全在施工前对导洞开挖次序、每次开挖高度以及掌子面的间隔距离依据模型进行计算，分析方案可行性。

(1）导洞开挖次序分析

在选定的模型中，导洞开挖每次深度是1.2m，掌子面间隔距离是4.5m。设定导洞开挖次序依次是1-2-3-4-5-6(1)、3-4-1-2-5-6(2)、5-6-1-2-3-4(3)、5-6-3-4-1-2(4)、1-2-5-6-3-4(5)，计算上述5种开挖次序下的拱顶沉降量、水平收敛，对比分析。

①拱顶沉降

在导洞5种开挖次序下，进行计算导洞1.、3、5拱顶沉降随开挖步变化的趋势变化，具体见图3～5。

图3 导洞3拱顶沉降量情况

图4 导洞1拱顶沉降量情况

图5 导洞3拱顶沉降量情况

由图3～图5得到，监测导洞沉降量随开挖步数增加分为三个阶段，第一阶段缓慢增加，第二阶段快速增加，第三阶段缓慢增加并趋于平稳；条件1、2、5与3、4比较，其拱顶沉降快速增加阶段长，其增长斜率较小，各导洞稳定后增长斜率下降并逐渐趋于零。

在导洞贯通后监测导洞1、3、5在各条件下趋于收敛后的沉降情况如表2所示。

表2 导洞1、3、5各开挖次序下拱顶沉降情况(mm)

由表2可知，在1、2条件下各导洞沉降量均达到最小，条件1下拱顶沉降量范围是24.8～31.7mm，条件2下拱顶沉降量范围是23.2～31.7mm，导洞5在条件1、2条件下导洞沉降量一致，导洞1在条件1下优于条件2下10.1%，导洞3在条件2下优于条件1下12.4%；条件1、2下拱顶沉降量优于其他条件下拱顶沉降量，条件1、2下拱顶沉降量优于条件3、4沉降量24.3%～42.6%，条件1、2下拱顶沉降量优于条件5沉降量0%～32.7%

②水平收敛

不同开挖次序下隧道水平收敛随开挖步数变化而变化情况，如图6所示。

图6 水平收敛随开挖步数变化趋势图

由图6可知，监测水平收敛与开挖步数呈正相关关系，并且分为三个阶段，第一阶段缓慢增加，第二阶段快速增加，第三阶段缓慢增加并趋于平稳；条件1、2、5比条件3、4下隧道收敛快速增加阶段变短，且增长斜率降低，隧道稳定后的水平收敛下降明显；条件1下水平收敛最小，达到16.8mm，其余4个条件下水平收敛均高于条件1，尤其是条件3、4水平收敛比条件1下水平收敛高出很多，这表明开挖次序采用先挖中间后再两边的顺序造成水平收敛很大。

综合上述拱顶沉降量与水平收敛的考虑，最终确定条件下的开挖次序1-2-3-4-5-6。

(2）掌子面的间隔距离

选定导洞开挖次序1-2-3-4-5-6，每次开挖高度是1.2m，在条件1下选定掌子面间隔距离是4m，改变掌子面间隔距离8m设为条件6，检测两种条件下的拱顶沉降量与水平收敛，开挖示意图见图7。

图7 条件1、6下开挖示意图

①拱顶沉降情况

检测导洞1、3、5在条件1、6下的拱顶沉降量，并分析其与开挖步数之间的关系，具体情况见图8～10。

图8 导洞5拱顶沉降量情况

图9 导洞1拱顶沉降量情况

图10 导洞3拱顶沉降量情况

由图8～图10可知，监测导洞沉降量与开挖步数呈正相关关系，并且分为三个阶段，第一阶段缓慢增加，第二阶段快速增加，第三阶段缓慢增加并趋于平稳；条件6与条件1相比，导洞1、3、5拱顶沉降的快速增加阶段变长，其斜率变化变小，导洞1、3、5稳定后的变形值与条件1相差不多。

在导洞贯通后监测导洞1、3、5在各条件下趋于收敛后的沉降情况如表3所示。

表3 导洞1、3、5各开挖次序下拱顶沉降情况(mm)

由表3可知，条件6下监测导洞拱顶沉降量范围是25.53～32.75mm，条件1下监测导洞拱顶沉降量范围是24.56～31.59mm，条件6下导洞拱顶沉降量比条件1下导洞拱顶沉降量略有下降，其下降幅度不大，表明掌子面间隔距离增大对拱顶沉降量增加幅度不大。

②水平收敛

在条件1、6下隧道水平收敛与开挖步数变化关系见图11。

图11 条件1、6下隧道水平收敛与开挖步数变化

由图11可知，监测水平收敛与开挖步数呈正相关关系，并且分为三个阶段，第一阶段缓慢增加，第二阶段快速增加，第三阶段缓慢增加并趋于平稳；条件6下与条件1下比较，隧道水平收敛快速增加阶段加长，但其增长斜率变化微小，隧道稳定厚度水平收敛增加；条件6下水平收敛是19.40mm，条件1下水平收敛是16.95mm，条件6下比条件1下水平收敛增长幅度不大，这表明增大掌子面间隔距离对增大水平收敛效果不明显。

综上条件1、6下对拱顶沉降量与水平收敛的对比分析，可以看出选用掌子面间隔距离是4m比掌子面间隔距离是8m的条件下位移控制效果不明显，结合工程投资及施工周期考虑，选用8m作为掌子面间隔距离。

(3）循环进尺距离

导洞开挖次序1-2-3-4-5-6，掌子面间隔距离是4m，在条件1下定每次开挖高度1.2m，取得每次开挖高度2.4m为条件7，监测条件1、7下拱顶沉降量、水平收敛进行对比分析。

①拱顶沉降情况

变化每次开挖高度不影响拱顶沉降量，在条件1、7下导洞1、3、5拱顶沉降量与开挖步数变化情况和图8～10中条件1一致。以导洞5为例，其拱顶沉降量变化情况见图12。

图12 导洞5拱顶沉降情况

由图12可知，可以得到如下结论：条件1与条件7下导洞5的拱顶沉降量基本一致，监测导洞沉降量与开挖步数呈正相关关系，并且分为三个阶段，第一阶段缓慢增加，第二阶段快速增加，第三阶段缓慢增加并趋于平稳；条件7下拱顶沉降量大于条件1下拱顶沉降量。

导洞1、3、5在贯通后趋于收敛时其拱顶沉降情况如表4中数据。

表4 不同开挖次序下拱顶沉降情况(mm)

由表4可知，条件1下拱顶沉降量范围是24.83～31.75mm，条件7下拱顶沉降量范围是27.34～34.49mm，条件7下拱顶沉降量比条件1下拱顶沉降量增长幅度不大，表明每次开挖高度对拱顶沉降量影响微小。

②水平收敛

在条件1、7下各导洞水平收敛情况见图13。

图13 水平收敛情况

由图13可知，监测水平收敛与开挖步数呈正相关关系，并且分为三个阶段，第一阶段缓慢增加，第二阶段快速增加，第三阶段缓慢增加并趋于平稳；在快速增加阶段，条件7下导洞 拱顶沉降量增长斜率高于条件1下，且隧道稳定后水平收敛值增加；条件1下水平收敛是16.95mm，条件7下水平收敛是22.30mm，条件7下水平收敛比条件1下水平收敛增加幅度不大，即表明缩小每次开挖高度对水平收敛影响不明显。

综上对导洞 1、3、5分别在条件 1、7下的拱顶沉降量、水平收敛的对比分析，得到增加每次开挖高度对控制导洞位移效果不大的结论，确定为每次开挖高度是2.4m。

5 施工效果

综合考虑导洞开挖次序、掌子面间隔距离、每次开挖高度3个因素的影响，，上述试验结果分析可得到改变导洞开挖次序可有效降低隧道位移量，改变掌子面与每次开挖高度对隧道位移量降低效果不明显。结合工程投资及工程实际情况，江西某隧确定方案是：不整合接触带段时导洞开挖次序是1-2-3-4-5-6，掌子面间隔距离是8m，每次开挖高度是2.4m。

该隧道工程自2015年6月开工后，216年9月份竣工，后期布设点监测不整合接触带区段隧道拱顶沉降量在16.2～26.5mm范围波动，符合施工设计要求，并成功取得专家评审。

6 结论

本文就江西某隧道工程通过不整合接触带区段的施工方案进行探讨。选定计算模型及开挖模型后，依次改变导洞开挖次序、掌子面间隔距离、每次开挖高度三个方面计算隧道拱顶沉降量、水平收敛并进行分析对比，最后确定最佳的导洞开挖次序、掌子面间隔距离、每次开挖高度等关键参数。施工方案的实施效果达到施工要求，表明施工方案的可行性。

[1]钟元庆.金鸡岭隧道下穿G205国道施工技术[J].中外公路，2008，(03)：136-138.

[2]赵纪平.超浅埋隧道下穿高速公路、国道施工技术研究[J].隧道建设，2009，(04)：441-445+465.

[3]苏兴矩.隧道下穿超浅埋国道的爆破减震技术[J].公路，2010，(06)：237-240.

[4]熊慧中，王平，吕鑫，李旺旺.超浅埋大跨度连拱隧道下穿国道沉降控制研究[J].公路工程，2014，(06)：25-28+55.