超大断面黄土隧道施工方案优化研究

唐 格

(绍兴市交通建设有限公司，浙江绍兴 312000)

0 引言

近年来，随着公路运输能力的大幅度增加，穿越黄土地区的大断面隧道日益增多。大断面黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境，造成隧道施工周期长、成本高、安全风险大[1]。同时由于大断面黄土隧道的施工在甘肃省内尚属首次，目前国内大断面黄土隧道的施工也没有形成特别成熟的施工技术，如何克服大断面黄土隧道开挖、支护过程中遇到的各种难题，研究并有效应用安全可靠、技术可行、经济合理的大断面隧道开挖施工新技术就显得比较迫切。

1 工程背景

兰秦快速路忠和至水阜段隧道工程是甘肃省兰州新区城市道路网建设重要组成部分。其中付家窑1#隧道，隧道左线起讫桩号ZK0+450～ZK1+160，长710 m；右线起讫桩号YK0+380～YK1+220，长822 m，总长为1 532 m。隧道最大埋深112 m，隧道开挖断面积超过170 m2，开挖宽度和高度分别达到17 m和13 m。

1.1 工程地质与水文地质概况

隧址区系黄土山梁丘陵地貌，属中温带大陆性气候为甘东黄土山地区Ⅲ3。其中冲沟中陷穴发育，隧道线路经过最大高程约为1866 m，山体植被稀少。隧址区地层为第四系全新统冲洪积黄土状砂质粉土()、上更新统风积黄土()及上更新统冲积黄土状土夹细砂层()。隧址区位于祁连中部隆起带和南祁连冒地槽褶皱带，未见断层发育，总体上表现为区域性的升降运动，区域稳定性较好。

隧址区主要含水层为细砂及砾砂层，富水性微弱，补给来源为大气降水和地表水体入渗，水文地质条件较简单，含水层位于隧道设计标高以下，隧道洞身段落位于地下水位以上，洞身土体一般呈干燥—稍湿状态。

1.2 隧道结构设计

本文选取付家窑1#隧道左洞深埋段典型断面处三车道黄土隧道为研究对象，围岩级别为Ⅴ级，衬砌类型为TVb型，隧道衬砌如图1。

图1 隧道衬砌构造图

隧道建筑限界：行车道宽度3×3.75 m，左侧向宽度0.5 m，右侧向宽度0.75 m，检修道宽度各为0.75 m，左右侧余宽各为0.25 m，建筑限界净宽为14.0 m，限界高度5 m。人行横通道净空2.0 m，净高2.5 m。

隧道基底处理：黄土隧道全段基底采用旋喷桩，直径0.6 m，桩长6 m，间距1.2 m×1.2 m，梅花状布置。水泥粉(旋)喷桩加固的地基，其复合地基承载力应达到300 kPa以上。

2 隧道开挖方案优化

2.1 工法优化选择

根据隧道最初设计方案，施工全过程将采用双侧壁导坑法施工。但双侧壁导坑法施工工序和临时支护多，分部开挖时施工作业空间小，不能利用大型机械设备，各施工工序之间干扰大，需耗费大量时间和材料用于架设和拆除临时支撑，施工进度缓慢(月进尺25～30 m)，成本比较高。当进入隧道深埋段，通过对监控量测数据处理，隧道收敛变形量均能很好地满足规范的相关要求，隧道围岩基本稳定。为加快施工进度，通过多方综合论证，若在深埋段选用中隔壁法(CD法)进行开挖，不仅可满足支护体系的强度需求，并且在缩短施工工期(月进尺可达70 m以上)、降低资金投入方面相对双侧壁导坑法有很大的优势。

但采用传统CD法时，由于隧道断面大，临时支护的架设和拆除难度大。又因隧道在侧壁下面，下导坑初期支护闭合前施做中心排水沟施工，难度和风险均较大，并且各施工工序之间相互干扰明显，极大地制约了隧道施工进度，因此我们根据隧道后期监控量测数据及数值模拟结果综合考虑，优化传统CD法，使其更好的满足现场施工要求。

2.2 优化后的CD法施工工艺流程

考虑到地形对隧道开挖围岩稳定性有一定的影响，故先开挖右导坑以便围岩形成黄土拱，作为隧道开挖早期承受荷载的结构单元[2]。此种工法的工序共分17步(见图2)：(1)开挖右导坑上台阶；(2)施工右导坑上台阶初期支护和临时支护(中隔桥)。根据围岩稳定性状况，开挖进尺为1～4倍的拱架间距(1.2 m左右)；(3)右导坑隧道基底加固；(4)开挖左导坑上台阶。前后两导坑间距不小于10 m；(5)施工左导坑上台阶初期支护；(6)左导坑隧道基底加固；(7)开挖右导坑下台阶并预留核心土体。开挖进尺开挖间距3 m，左导坑上台阶与右导坑下台阶之间的距离为8～10 m；(8)施工右导坑下台阶初期支护；(9)回填右导坑下台阶并反压。为有效抑制收敛，回填高度不小于仰拱顶面高程；(10)开挖左导坑下台阶并预留核心土体；(11)施工左导坑下台阶初期支护；(12)回填左导坑下台阶并反压；(13)拆除临时支护；(14)开挖预留核心土体并全幅开挖中心排水沟和仰拱。开挖间距6 m，临时支撑及中岩柱与仰拱距离为8 m，仰拱开挖距左导坑下台阶不大于6 m；(15)施工中心排水沟及闭合初期支护；(16)施工底部二衬、仰拱及填充；(17)模筑二衬。二衬与仰拱的距离不大于20 m。

图2 施工开挖工序图

由施工现场观测统计，工艺流程循环周期为10 h，每天2.4个循环，每月按30 d计，可完成72个循环，减去机械故障、超前地质预报等因素影响，实际完成65到70个循环，最大月进度85 m。

3 现场监控量测及数据分析

掌握隧道围岩的变形规律，特别是围岩随时间的变形，确定二次衬砌合理施作时机，为设计、施工提供参考和依据，现场监控量测是一种直观而有效的手段[3]。深埋黄土隧道现场监控量测必测项目有：隧道拱顶沉降、周边位移收敛[4]。对获得的拱顶沉降、周边位移收敛数据，采用大型数学软件MATLAB应用程序中的工具箱对其进行拟合整理分析。以决定系数、残差分析、均方根误差等回归诊断指标来度量数学模型的有效性。

为减小施工作业干扰，消除人为因素对量测精度的影响，提高数据效率采集，拱顶沉降及周边位移收敛采用非接触量测技术进行测量[5]。沿隧道轴线每隔10 m设置一个监测断面(见图3)，A为拱顶沉降测点，B—F分别为拱脚、边墙收敛测。这些基准点采用反射片膜粘贴在预埋件上进行观测。

图3 沉降及收敛观测点布置图

选取付家窑1#隧道左洞深埋段典型断面ZK0+620的拱顶沉降及周边位移收敛变形监测数据作为代表进行回归分析。

隧道开挖拱顶沉降监控量测常用到的动态预测方程为Y=alnX+b，其中Y为位移，X为时间[6]。对实测值进行回归分析计算得出ZK0+620断面的回归方程为Y=15.88ln(X+1)-3.941，决定系数R2为0.902 3，残差均落在-1～1之间，均方差误差为4.597，说明可较好反映其变化趋势(见图4)。

从上图得出，回归拟合曲线方程d2y/dx2＜0，变形速率不断下降，30 d拱顶沉降累计值为48 mm，收敛率为90.6%＞80%，变形速率为0.14 mm/d＜0.2 mm/d，说明ZK0+620断面趋于收敛。由此得出拱顶最终沉降量：Umax=56 mm。

图4 ZK0+620断面拱顶沉降及回归拟合曲线

对周边位移收敛各测点数据采用和拱顶沉降相同的处理方式，得出收敛趋于稳定前，其变化曲线经历了两个阶段：前7 d为快速增长阶段，平均速率约为0.35 mm/d，最大速率达到了0.71 mm/d；接着是几天的缓增-趋稳阶段，平均速率约为0.13 mm/d；最后趋于稳定，时间约为36 d。综上所述，隧道围岩在35 d左右趋于稳定，应该及时施作二次衬砌。

4 数值模拟分析

在隧道开挖过程中，掌子面附近的围岩及支护结构的受力、变形并不是一个简单的平面问题，而是一个三维空间问题[7]。本文采用MIDAS/GTS有限元分析软件模拟深埋超大断面黄土隧道开挖过程，计算和分析隧道开挖和支护后的位移场，结合现场监测数据评价施工方案。

4.1 计算模型及参数

运用MIDAS/GTS中TGM模块(地形生成器)，按照实际地形等高线生成实际自由地表面，建立三维模型进行模拟。考虑到计算边界范围的大小对于计算结果有一定的影响，开挖只在洞周一定范围内引起应力重分布。依据工程的具体要求和有限元法的离散误差以及计算误差，一般选取的计算范围沿洞径各个方向均不小于3～5倍洞径[8]。根据以上分析，采用的计算模型尺寸为：长42 m×宽150 m×高150 m。

根据相关规范[9]和地质勘察报告，结合部分室内试验数据并参阅以往类比工程分析经验，确定模型各级围岩物理力学参数和隧道支护参数。对于初支和临时支撑的参数，将钢拱架弹性模量折算到喷射混凝土里，其计算方法为：

表1 围岩与支护结构力学参数

在软件中采用Drucker—Prager准则作为围岩塑性区的判定，支护结构按弹性模型计算。拱架锁脚锚杆采用植入式桁架进行模拟，初支和临时支护利用析取的方法生成，隧道结构周边围岩采用划分细密单元以提高计算精度。考虑桩--土接触的复合地基数值分析模型，在旋喷桩桩体与周边土体之间设置接触面单元。数值模拟三维几何模型如图5。

图5 数值模拟三维几何模型

4.2 围岩变形特征分析

根据现场断面ZK0+620监控量测拱顶沉降、周边位移收敛实际观测点，在三维模型相应节点处选取计算点，得出围岩位移收敛数值模拟时程曲线如图6。由图可知，拱顶的沉降值最大，应为围岩周边收敛分析的重点。拱顶沉降值在导坑开挖时变化率都有激烈地变化，但随着支护的完成收敛值迅速的变小，在临时支撑拆除时变化率达到最大，随着监测断面及附近的初支(10 m左右)成环，收敛值再次趋于稳定。核心土体顶部在上导坑开挖前随拱底有少许的隆起，但下导坑开挖后又迅速的下沉。对比左右拱腰收敛值可以看出，开挖工序对围岩的稳定影响显著，和上述现场监测数据进行互补分析后得出，隧道在采用优化施工方案开挖和支护后洞体整体稳定。

图6 围岩位移收敛数值模拟时程曲线

5 结论

(1)超大断面黄土隧道采用优化后的CD法，开挖过程中围岩整体基本稳定，通过监控量测和数值模拟分析显示，初期支护和临时支护变形较小，支护后岩体也能较快稳定。优化CD法克服了以往传统大断面黄土隧道开挖方法施工组织复杂，施工速度缓慢的缺点，隧道施工速度明显加快，单月最快进度达85 m，施工成本降低，具有广泛的推广价值和应用前景，为今后国内同类大断面黄土隧道施工积累了宝贵的经验，具有显著的社会效益和经济效益。

(2)利用留核心土体替代下导坑临时支护，克服了传统CD法中大断面隧道临时支护过长，容易失稳的缺点。在支护的过程中，核心土体受力和变形能够满足施工要求，且能和回填土一起较好地减小拱底隆起和初期支护的收敛变形，减少预留变形量，改善初期支护和围岩的受力特征。

(3)通过有限元模拟各施工工序，分析支护结构变形特征，可得优化CD法安全可靠、技术可行。结合现场施工环境和现场监控量测严格控制上导坑开挖的进尺，充分利用黄土拱原理，加强上部支护，特别是拱顶钢拱架结合部连接的质量控制。在各工序不相互影响，隧道稳定的情况下应该使初支尽早闭合。