汕湛公路隧道施工方案优化选择

崔向阳 ，丁 浩 ，陈 杰

（1.重庆交通大学，重庆 400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

0 引言

随着社会经济的发展，隧道越来越多的出现在各个地方高速公路的建设中。而山岭隧道中围岩稳定性差，偏压等特点使得山岭隧道在修建过程中施工方法、监测方案的合理运用变得尤为重要[1]，在加快施工进度、保证施工安全、节约资金方面都起到了显著的作用。因此，有效处理措施的合理运用对后面类似隧道的建设有较大的指导作用[2]。

围岩稳定性较差隧道的施工方法，国内外学者运用理论与数值模拟在隧道开挖方面做了以下研究：徐瑞宁运用FLAC3D软件对昔格达组地层上仿真模拟了5种隧道施工工况，得出了设计预留变形量为10～15 cm、10 cm以内时分别采用三台阶法和CRD法[3]。舒东利等通过调研分析和渗流场-附加膨胀应力耦合数值模拟，得出了台阶法更加适合隧道开挖且开挖进尺小于等于1.5 m[4]。卿伟宸等通过数值模拟和现场检测对乌蒙山特大跨度四线铁路研究，表明运用撑索转换和以索代撑等方式实现了特大跨度隧道台阶法施工[5]。牟智恒等通过比选台阶法、CRD法、环形开挖预留核心土法，得出了CRD法在保证安全性方面优于其他两种工法，且在浅埋偏压条件下先开挖浅埋侧更能保证结构稳定[6]。

对围岩稳定性差的隧道施工工法虽然也做了以上研究，但是没有全面、系统地对实际工程中的经济、监测部位等因素进行分析[7]。本文从汕湛高速公路惠州至清远段TJ4标段入手，分析了该项工程枫树坳隧道中3种不同的施工方案和经济性，通过数值模拟比选出了合适的施工工法，并对隧道施工实时监测分析，总结出了在安全、经济的基础上各种工法的使用条件[8-11]。

1 工程概况

枫树坳隧道穿越丘陵地貌区，小净距分离式隧道，左线隧道起迄里程ZK68+024—ZK68+770，长746 m，右线隧道起迄里程K68+020—K68+770，进口段洞门采用端墙式，洞门设计标高302.88 m，出口端洞门采用端墙式，枫树坳隧道隧址区新构造运动强度较弱，构造相对稳定；浅部岩石分化裂隙发育，岩体完整性较差，深部节理裂隙一般发育-较发育，主要发育3组节理裂隙，不利于隧道围岩稳定。

1.1 工程监测重难点项目

枫树坳隧道安全专项风险评估等级为高度风险Ⅲ级，隧道浅埋段落较长，地表下沉监控量测为监测重点。

1.2 采取的针对性措施

1.2.1 洞门措施

预埋沉降观测点，及时监测山体下滑坍塌；应做到早刷坡、早支护、早封闭，有效控制破碎带失稳；边仰坡采取药卷锚杆防护，在设计基础上合理调整坡度比例，保证边坡稳定。

加强超前地质预报，做好洞内外防排水工作；开挖后及时施做二次衬砌并做好监控量测。

1.2.2 掌子面监测措施

拍照对掌子面做出准确素描，以便及时有效地监控，防止围岩发生大变形造成安全隐患；严格按照施工图进行施工，为防止暗挖断下沉，开挖时按照要求做好初期支护，做好监控量测工作。

备用抢险机械设备、抢险物资，发现情况及时处理，洞外及时加固和做好交通疏解；按照“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤测量”的方针组织施工。

1.2.3 隧道偏压措施

在隧道偏压段范围内采用钢管桩注浆加固，防止隧道开挖后偏压加剧引起隧道变形等危害，加强地表下沉监测。适当减小测点步距，增加监控量测频率。

1.3 开挖综合进度分析

不同的施工工法所对应的隧道开挖综合进度指标见表1所示。

表1 隧道开挖综合进度指标表

根据以上隧道开挖综合进度指标得出：三台阶+临时仰拱法施工空间大，方便机械施工，可以多作业面平行作业，功效较高；单侧壁导坑法对于双侧壁导坑法效率提高了一倍。

1.4 安全质量分析

双侧壁导坑法断面分块多，施工相互干扰大，且双侧壁导坑上缘尖而窄，成形、出渣及施作系统锚杆很困难。双侧壁导坑法需对侧壁导坑靠核心土一侧进行临时支护，支护采用Ф22药卷锚杆（带钢垫板）、I18钢拱架和Ф50超前注浆小导管，工序多、繁杂、进度缓慢、安全系数高。双侧壁导坑法临时支护待监控量测证明围岩稳定后才可拆除，拆除难度大，容易对已稳定围岩进行二次扰动，有安全隐患。

三台阶+临时仰拱法就是将大断面划分成自上而下3个小单元进行开挖，缩小开挖断面；采用临时仰拱就是使每个小单元及时封闭成环，形成环向受力，有效地发挥初期支护整体受力效果，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，阻止支护结构变形。三台阶+临时仰拱开挖法分块少，各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭，各分部封闭成环时间短，临时仰拱能有效阻止支护结构的水平收敛，减少隧道围岩变形。且三台阶法上、中、下台阶同时进行施工互不干扰，施工空间大，施作方便，系统锚杆的施工质量容易得到保证，且施工工期较短。三台阶加临时仰拱法下台阶和中台阶拉开10 m，下台阶对中台阶能起到核心土作用；中台阶和上台阶拉开10 m，中台阶对上台阶起到核心土作用，安全上得到保证。

单侧壁导坑法就是将大断面划分成2个小洞4个单元进行开挖，每个导坑能更快成环，形成环向受力，有效地发挥初期支护整体受力效果，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，阻止支护结构变形，后行洞钢架是直接与先行洞钢架进行对接，就不会出现钢架连接不顺畅的情况，再加上左右侧步距较双侧壁短，能够更早地让初支、二次衬砌成环，更能保障施工安全，施工工期处于双侧壁导坑及三台阶+临时仰拱之间。

根据以上安全质量分析得出：三台阶+临时仰拱法可以使每个单元及时封闭成环，有效地抑制围岩变形，安全上可以得到保证；双侧壁导坑法施工中相互干扰，会造成二次扰动，有安全隐患。

1.5 经济效益分析

采取3种不同的施工工法施工时，不同的项目实施过程中所用材料的数量和造价见表2所示。

表2 隧道开挖经济效益分析

经比对，双侧壁导坑法每延米导洞支护费用为1.57万元，三台阶+临时仰拱法每延米支护费用为1.45万元，单侧壁导坑法每延米导洞支护费用为1.496万元。因此，使用三台阶+临时仰拱法可以节约费用，双侧壁导坑法花费最大。

2 不同工法数值模拟分析

实际工程中由于经济、安全、质量等因素对不同的施工工法会有一定的制约。为寻求合适的工法，运用FLAC3D软件对隧道采用的CD法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法3种工法进行数值模拟，通过各种的变形特征进行比较，得出优选工法。

2.1 围岩参数选取

系统锚杆、超前小导管注浆的效果采用模拟其支护效果的方式来进行近似，具体的方法为采取提高加固圈的参数来进行表达支护措施对围岩的强化效果。根据以往经验，本次围岩加固圈c、ψ值按提高30%考虑。数值模拟中采用的实体单元等效刚度等参数见表3所示。

表3 实体单元等效刚度参数

2.2 围岩塑性区情况

运用FLAC3D软件对不同施工工法下隧道围岩塑性区分布进行模拟。双侧壁导坑法塑性区分布情况见图1所示；三台阶七步开挖法塑性区分布情况见图2所示；CD法开挖塑性区分布情况见图3所示。

图1 双侧壁导坑法塑性区分布

由以上工法隧道围岩塑性区分布情况以及安全质量分析得出：三台阶+临时仰拱法可以使每个单元及时封闭成环，有效地抑制围岩变形，安全上可以得到保证；双侧壁导坑法施工中相互干扰，会造成二次扰动，有安全隐患。因此，应对塑性区的地方应该加强监测，加强支护，隧道应早日封闭成环。

2.3 围岩裂缝情况

图2 三台阶七步开挖法塑性区分布

图3 CD法开挖塑性区分布

针对3种施工工法的开挖特点，分别在枫树坳隧道拱顶、拱脚处对隧道拱顶沉降、水平位移点监测。监测数据见表4所示。

表4 3种施工工况监测数据

根据以上数据得出：双侧壁导坑法拱顶最大沉降最大，位移发生在左右侧壁拱脚处；双侧壁导坑法控制围岩变形能力较好，适用于围岩自稳能力差的隧道。三台阶七步开挖法拱顶最大沉降12.3 mm，适用于围岩自稳能力较好的隧道；CD法介于两者之间。数值模拟情况与实际情况相符，施工中应勤测量、早支护，注意拱脚处强度。

总结以上分析得出，从塑性区分布和安全质量方面得出三台阶+临时仰拱法可以使每个单元及时封闭成环，有效地抑制围岩变形，安全上可以得到保证；双侧壁导坑法施工中相互干扰，会造成二次扰动，有安全隐患；但从监测数据看三台阶法拱顶最大沉降最大，适用于围岩条件较好的情况；双侧壁导坑法控制围岩变形能力较好，适用于围岩自稳能力差的隧道；CD法介于两者之间；另外经济效益方面虽双侧壁法花费较大，但是3种工法相差不大。因此，在围岩条件差时采用双侧壁法施工时应加强监测，早日支护，控制围岩变形，加强对拱脚支护，保证施工安全。

3 结论

通过以上对枫树坳、大坪、乌树头隧道的综合分析，研究不同围岩条件下的施工工法、经济性、安全性的特点，探究适用于围岩稳定性差的隧道的施工工法，得出以下结论：

a）总结以上开挖隧道的安全质量、经济效益对比分析结果，结合数值模拟分析后的结果，该工程中主洞洞身段Ⅴ级浅埋段、土质围岩段或风化、破碎较为严重的洞口段地段采用双侧壁导坑法施工，虽花费较大但是能保证施工安全；Ⅴ级围岩浅埋偏压段采用单侧壁导坑法施工，相对于双侧壁导坑法速度提升了一倍且经济性较好；Ⅳ级深埋硬质岩段采用三台阶法开挖施工，施工进度快，更加经济。

b）该工程中隧道3种施工工法虽然双侧壁法月进度只有12.5 m，但相对其他工法安全，因该工程采用双侧壁法且左、右导坑宜保持一倍洞跨以上距离，建议按不小于15 m选择左、右导坑纵向错距。中导坑与后行导坑m距离不宜小于一倍洞跨，建议中导坑与后行导坑纵向距离为15～20 m。

c）为防掌子面坍塌，喷射混凝土应紧跟开挖作业面，及早封闭岩面，必要时用喷混凝土封闭掌子面和预留核心土，分部开挖等应急方案。

d）对于隧道开挖不能只关注经济方面因素，虽三台阶法施工方便且速度较快，但控制围岩变形方面效果较差；在隧道施工中应更加关注安全性因素和开挖过程中围岩塑性区分布及监控量测等因素，综合分析掌握每种施工工法要点，保证施工质量和安全，防止隧道开挖过程中变形过大，发生垮塌。