浅谈大跨隧道双侧壁导坑法施工方案优化

赵瑞文， 张 翼， 刘湘林， 向学文， 巫华平， 蔡佳良

(1.北京建工土木工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大学土木工程学院交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

浅谈大跨隧道双侧壁导坑法施工方案优化

赵瑞文1， 张 翼1， 刘湘林1， 向学文1， 巫华平1， 蔡佳良2

(1.北京建工土木工程有限公司，北京 100000； 2.西南交通大学土木工程学院交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

大跨隧道在开挖过程中若支护方式和开挖方法的不合理易造成隧道塌方、大变形等失稳现象，保证隧道施工期间的稳定性是隧道工程施工的核心目标，文章以贵阳市南垭路三号隧道为工程依托，采用数值模拟并结合现场实际施工展开研究，研究表明：对开挖步距及一次性拆除临时支撑长度进行优化，可确保施工安全，同时，施工进度显著提高。

大跨隧道； 双侧壁导坑法； 施工优化

1 工程概况

南垭路工程属于贵阳市中心城区“畅通工程二期”道路基础设施建设系统中1.5环的北线，是贵阳市道路网主骨架的重要组成部分，起连接放射的作用，既承担部分市内交通，又担负着来自于公路的出入境和过境交通。南垭路第三合同段起讫里程为K2+979.3-K4+817.053,主要工程包含南垭路三号隧道、杨柳井互通立交等(图1)。

图1 南垭路三号隧道

隧道进口起点位于贵州财经学院后贵州省植物园，并下穿贵州省植物园十字山，出口位于贵阳市北二环杨柳井采石场附近，隧道设计为单线四车道隧道，两侧布置人行道，设计车速60 km/h，开挖宽度21.878 m，高度为14.321 m，为贵阳市第一座四车道隧道，为本合同段控制性工程。

三号隧道左线起止里程为LK2+979.3-LK4+150.4，全长1171.1 m；右线起止里程为RK2+966.6-RK4+108.8，全长1142.2 m。工程内容具体包括套拱施工、隧道开挖、初期支护、二次衬砌、路面、照明等市政管线、交通安全与管理及附属设施。

2 工程地质

隧道处地质为三叠系安顺组白云岩，岩石中节理裂隙较发育，主要为构造节理，节理一般呈闭合状，裂隙一般为方解石脉充填，胶结一般～好，岩体总体较破碎。轴夹角30°～35°，岩芯主要呈柱状～短柱状，少量长桩状，岩芯采取率65 %～83 %，RQD=12 %～52 %；三叠系松子坎组白云岩平少量泥灰岩，岩石中节理裂隙较发育，主要为构造节理，节理一般呈闭合状，裂隙一般为方解石脉及黏土充填，胶结一般～好，岩体总体较破碎。轴夹角30°～40°，岩芯主要呈柱状～短柱状，少量长桩状，RQD=8 %～40 %。

围岩稳定性较差～较好，不支护拱部局部易产生小坍塌、掉块，可局部喷混凝土，系统锚杆加钢筋网，并浇筑混凝土衬砌支护。

3 工程重难点

3.1 工程重点

三号隧道为分离式双向八车道隧道，开挖宽度21.878 m，高度为14.321 m，是贵阳市第一座四车道隧道，也是南垭路工程的工期控制性工程和重要节点工程，工期紧，施工安全和质量要求高。

3.2 工程难点

本工程因隧道处于喀斯特地貌地区，地下岩溶较发育，岩石中节理裂隙较发育，局部地段围岩较差，且隧道断面和跨度大，不支护时拱部局部稳定性差，易产生小坍塌、掉块，因此岩体破碎、岩溶发育、隧道断面大、稳定性差是隧道设计和施工的难点之一。

此外，隧道进口段下穿省植物园，且属于超浅埋段，埋深最小处仅1.8 m，且该园内正修建蓄水渡槽(将蓄水700 t)及多栋玻璃建筑物，施工时必须做好超前支护施工，严格控制开挖进尺、爆破振动，并加强监测，衬砌紧跟，以确保施工及结构安全、减小对环境的影响，故此超浅埋段安全施工是本工程的另一大难点。

4 施工组织方案

4.1 施工原则及工艺原理

由于本项目工程隧道为超大断面隧道，对于Ⅴ级围岩地段，采用双侧壁导坑法施工，并遵循“弱爆破、短进尺、强支护、早闭合、勤测量”的施工组织设计[1-2]。

工艺原理：以岩体力学理论为基础，应用新奥法原理指导施工，充分发挥围岩自承载能力，运用光面爆破技术，及时进行喷锚初期支护，防止围岩松动，应用监控量测及时反馈信息，充分发挥围岩和初期支护的作用[3]。原施工工艺流程如图2所示。

图2 施工工艺流程

4.2 施工注意事项

在开挖导坑时，尽量减少对围岩的扰动，导坑断面近似椭园，周边轮廓园顺，避免应力集中。初期支护采用格栅钢架、挂网喷混凝土柔性支护体系，及时施作，使断面及早闭合，以充分利用围岩的自承能力，控制围岩变形。建立一整套围岩支护结构监控量测系统，进行信息化施工管理，随时掌握施工过程中的动态变化，合理安排，调整施工工艺和设计参数，确保施工安全。

(1)侧壁导坑形状宜近于椭圆形断面，导坑断面宽度宜为整个断面宽度的1/3。

(2)侧壁导坑、中槽部位宜采用短台阶法开挖，各部距离应根据隧道埋深、断面大小、结构类型等选取。各部开挖后应及时进行初期支护及临时支护，并尽早封闭成环。

(3)两侧壁导坑各部位须严格按照设计台阶长度施工，可独立同步开挖和支护；中槽部位采用台阶法开挖，并保持平行作业。

(4)中槽开挖后，拱部钢架与两侧壁钢架的连接时难点，在两侧壁导坑施工中，钢架的位置应准确定位，确保各部架设钢架连接后在同一个垂直面内，避免钢架发生扭曲。

(5)根据监控量测信息，初期支护稳定后拆除临时支护，一次拆除长度不得大于6 m，并加强监控量测。

(6)临时支护拆除完成后，应及时施作仰拱及二次衬砌。

4.3 施工参数优化

为找到合理的施工参数，保证隧道施工期间的稳定性，同时加快施工进度，针对开挖步距、拆撑距离等主要施工控制参数，建立不同工况，利用计算模型进行研究分析[4]。

根据工程实际情况，隧道断面净高为14.321 m，最大跨度处宽度为21.878 m。隧道拱顶距地表29 m，隧道仰拱底部距模型下端取3倍跨度42 m，模型左右两边宽度各取3倍跨度40 m，沿隧道掘进方向取80 m，纵向划分间隔为1 m，数值模型尺寸为X×Y×Z=243 m×80 m×65 m。模型上边界为自由，下边界约束竖向位移，左右边界约束水平向位移。计算参数见表1，整个模型及隧道周边网格如图3所示。

表1 计算参数

图3 隧道有限元模型

4.3.1 开挖步距优化

根据类似项目工程经验，现对施工中3种常用的工法进行数值模拟研究，比选出最优施工步距，不同工况施工台阶参数见表2。

表2 不同工况参数选取 m

数值模拟中考察隧道拱顶及地表沉降，对比分析各工况考察点的最终沉降值(表3)。

表3 不同工况沉降值结果 mm

从表3可看出，针对本项目工程而言，一次开挖进尺的步距越大，产生的变形和沉降也越大，开挖步距越小，越容易控制开挖引起的变形。然而，从力学角度考虑，开挖步距选取过小，对掌子面的扰动较大，掌子面将发生失稳，这一点在数值模拟的结构内力变化得到了验证。另外，若步距过小，将影响人员和机械在隧道中施工，影响施工效率。因此，针对本项目的施工步距采取工况1的方案。

4.3.2 中隔撑拆除距离对比分析

与前述小结相同，初支稳定后，选取一次拆除采取临时支撑3 m、6 m、8 m三种不同工况进行数值模拟分析研究，考察隧道拱顶沉降，计算结果见表4。

表4 不同工况沉降结果

从表4可看出，当一次性拆除临时支撑长度超过6 m时，拱顶沉降值变化明显，与前述的施工注意事项，将拆除长度控制在6 m之内基本符合。另外，分析数值模拟的应力云图，可发现拆除支撑后，应力集中位置为临时支撑与隧道连接部位，因此，在施工过程中需对该部位支护进行加强。

本项目工程施工中，采取上述两种优化措施，将隧道拱顶及地表沉降值控制在安全范围之内，同时施工进度显著提高。

5 结束语

基于数值模拟和工程经验，对南垭路三号大断面隧道双侧壁导坑法主要施工参数优化进行研究，得到如下结论：

(1)双侧壁导坑开挖步距最好选择4.3.2节中工况1的参数，这样既发挥了围岩自承能力，同时又减少了工序循环时间和施工干扰，大大加快了施工进度。

(2)一次性拆除临时支撑长度控制在6 m以内，对于临时支撑与初支接触部位，应格外注意保护，防止该处发生破坏。

(3)施工参数优化后的方案应用于工程施工中取得较好的效果，沉降值得到较好控制，同时大大地缩短了工期。

[1] 王梦恕.隧道施工要点集[M].北京: 人民交通出版社, 2002.

[2] 赖金星, 吴明先.大断面公路隧道施工技术[J].施工技术,2006, 35(2): 59- 61.

[3] 郝小苏,金露,何远康. 双向八车道公路隧道双侧壁导坑法施工优化[J]. 现代交通技术,2008(1):61-64.

[4] 王学斌. 超浅埋大断面隧道双侧壁导坑法施工参数优化研究[J]. 福建建设科技,2012(6):78-80.

[定稿日期]2017-08-09

赵瑞文(1976～)，男，大学本科，高级工程师，主要从事市政隧道施工管理工作。

U455.2

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