散岩堆积体中双侧壁导坑法合理开挖顺序研究

彭雪峰 张航 钱志豪 王宗学

摘要：双侧壁导坑法常用于散岩堆积体隧道的施工中。为研究双侧壁导坑法合理开挖顺序，文章以火凤山隧道（双线隧道）为工程背景，采用拉格朗日有限差分软件FLAC3D建立土体三维计算模型，对两种不同开挖顺序进行数值模拟，分析不同施工顺序下围岩位移、围岩应力及初期支护应力情况，最终得出合理的开挖顺序。

关键词：散岩堆积体;公路隧道;双侧壁导坑法;数值模拟

0 引言

双侧壁导坑法又称为“眼镜法”，该开挖技术对围岩初期支护采用钢拱架、混凝土柔性支护。双侧壁导坑法将大断面隧道分为几个小断面进行施工，能够充分发挥围岩的自承作用，在大断面隧道施工中，有极大优势[1]。但由于其施工复杂，成本较高[2]，且有时需在洞外采用相应加固措施[3]，故只在围岩条件较差的情况下使用。目前学者也对双侧壁导坑法进行了很多研究。

安宁[4]对双侧壁导坑法在V级围岩的运用进行了介绍，包括施工工艺流程和初期支护施工步骤。郭洪涛[5]以西安地铁六号线为例，对双侧壁导坑法修建的浅埋暗挖大断面隧道二衬的施工方案进行优化，为解决双侧壁导坑法临时支撑体系受力复杂等问题提供了参考。李进[6]以广州地铁暗挖隧道施工作为案例，为双侧壁导坑法在地铁工程施工中的运用提供了参考。曾帅[7]以某地铁项目为例，通过建模分析，结合工程特点，对双侧壁导坑法施工工序进行了优化，以达到更加安全施工的目标。史智超[8]以九峰隧道为例，分析双侧壁导坑法在大跨距隧道中的施工要點，为类似隧道施工提供了参考。王振学[9]指出了双侧壁导坑施工工程中劳动力、机械设备的配置，使双侧壁导坑法施工细节不断完善。

通过大量学者的研究，可以看出双侧壁导坑法具有很好的利用前景，但目前对于双层壁导坑法的研究大多为施工要点，如检测项目、二次衬砌的施工等，而对于其施工顺序的研究，国内还较少。同时在大断面隧道开挖计算中，需要对实际的开挖方案进行优化计算。为减小计算量，并减小误差，合适的计算软件可以对实际施工进行优化，实现高效施工[10]。故本文基于重庆曾家岩火凤山隧道（因其具有小净距、超浅埋、偏压等特性，且围岩级别较差，适宜采用双侧壁导坑法），运用FLAC3D软件进行建模计算，分析双侧壁导坑法合理施工顺序。

1 工程概述

本项目所依托工程火凤山隧道场地内地形地貌较复杂，水文地质和地质构造较简单。区内上覆第四系松散堆积层块石，厚5～20 m，松散至中密，现状稳定。场地地震烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.30 g，地震反应谱特征周期为0.40 s，区域新构造运动强烈，地壳抬升明显，属抗震不利地段，有地震引起岩堆局部失稳或表层松动可能，同时对危岩的稳定性也存在不利影响。隧道进口大面积覆盖第四系崩坡积层块石，厚度变化大，自然坡度约为38°～45°，坡面植被较发育，多为灌木和杂草组成，石质成分为花岗岩，局部粉粘粒和砂土富集，大多呈松散至稍密状，骨架多具架空现象。坡面总体向喇嘛嘴沟沟体方向倾斜，倾向约348°～355°，该岩堆目前处于稳定状态，不存在变形破坏迹象。但该区地震基本烈度为Ⅷ度，地震活动频繁，隧道开挖后，拱部围岩自稳能力差，自稳时间短，无支护或支护不到位时，易产生掉块或较大的坍塌等，局部段易冒顶，且易造成岩堆失稳。在实际工程中ZK2+500.000～ZK2+590.000段、YK1+930～YK2+343段、ZK2+967.000～ZK3+095.876段及YK2+520～YK2+660段因地质条件较差，采用双侧壁导坑法，为了施工顺利进行，有必要对双侧壁导坑法正确施工顺序进行研究。

2 模型建立

本文针对火凤山隧道，提出采用双侧壁导坑法进行开挖，有两种不同的开挖顺序方案，两种双侧壁导坑法的开挖顺序如图1所示。

方案一开挖顺序：异侧导坑开挖支护，先开挖上台阶，再开挖下台阶，最后开挖中导坑台阶仰拱模筑混凝土。

方案二开挖顺序：先开挖同侧导坑上下台阶，最后开挖中部导坑。

以采用两种不同开挖顺序的双侧壁导坑法进行隧道开挖，研究隧道围岩和初期支护的受力及位移特征，分析两个开挖阶段下隧道洞口段围岩应力特征以及各开挖阶段围岩与初期支护的受力特点，并讨论进洞30 m、60 m两个断面拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底的位移变化情况。

本文根据火凤山隧道纵断面地质资料，利用FLAC3D软件建立三维网格模型，山体范围沿隧道纵向取60 m，横向宽度为隧道中心线向边侧取70 m，底部取到隧道底部以下35 m处，顶部至自然坡面。隧道围岩特性按弹塑性材料考虑，采用Mohr—Coulomb准则，围岩采用实体单元，锚杆使用cable单元，喷射混凝土层和钢筋网根据抗压强度等效准则合并使用shell单元，钢拱架使用beam单元。计算模型如图2所示。

隧道围岩按照弹塑性体考虑，地层设计参数参考火凤山隧道地层资料。对于设计中的超前加固手段，如管棚法及小导管锚杆，拟对加固区采用提高围岩材料参数的方法来进行模拟。具体计算参数如表1所示。

3 计算结果及分析

3.1 围岩位移分析

按照不同开挖顺序方案，运用有限元软件对该隧道开挖与支护进行模拟计算，主要研究隧道围岩的受力及位移特征，以得到各种工法位移场的相关模拟结果，并讨论了进洞60 m的目标断面位移变化情况。选取各工法在监测断面60 m处的隧道各点的竖向位移（见图3～4），在FLAC3D软件中位移的正值代表向右、向上的变形，位移的负值代表向左、向下的变形。运用Origin软件，对所采集到的数据进行整理，绘制拱顶竖向位移变形曲线图，并且在隧道开挖时对掌子面周围处围岩的变形特征以及周围围岩的受力特征进行了分析。

从图3～4可知，随着围岩的不断开挖，隧道埋深逐渐增大，隧道各特征点的最大位移值也不断增大。在掌子面前方一定范围内，即开挖断面还未达到监测断面的部分区域已经产生了一定的变形，但是变形较小。当开挖断面推进到监测断面时，随着开挖面的推进，拱顶下沉不断增大。其特点是初期下沉速率很大，后期速度逐渐减缓，并趋于稳定。方案一与方案二趋势类似。

双侧壁导坑方案一，从隧道竖向位移来看：隧道沉降最大位移位于拱顶，隆起最大位移位于隧道拱底。左线隧道30 m、60 m断面拱顶沉降最大值分别达到7.07 cm和14.41 cm;30 m和60 m断面底部隆起最大值分别达到7.07 cm和11.51 cm;拱肩与拱腰也存在一定的竖向位移，30 m和60 m断面拱肩沉降最大值分别达到5.11 cm和10.25 cm，不同断面拱腰沉降最大值分别达到2.78 cm和5.73 cm。右线隧道30 m和60 m断面拱顶沉降最大值分别达到4.74 cm和12.26 cm;30 m和60 m断面底部隆起最大值分别达到5.19 cm和6.26 cm;拱肩与拱腰也存在一定的竖向位移，30 m和60 m断面拱肩沉降最大值分别达到4.90 cm和12.62 cm，不同断面拱腰沉降最大值分别达到3.46 cm和9.68 cm。

双侧壁导坑方案二，从隧道竖向位移来看：隧道沉降最大位移位于拱顶，隆起最大位移位于隧道拱底。左线隧道30 m、60 m断面拱顶沉降最大值分别达到4.37 cm和11.85 cm; 30 m和60 m断面底部隆起最大值分别达到7.47 cm和10.42 cm;拱肩与拱腰也存在一定的竖向位移，30 m和60 m断面拱肩沉降最大值分别达到2.83 cm和8.44 cm，不同断面拱腰沉降最大值分别达到0.86 cm和4.43 cm。右线隧道30 m和60 m断面拱顶沉降最大值分別达到4.20 cm和10.05 cm;30 m和60 m断面底部隆起最大值分别达到5.52 cm和5.82 cm;拱肩与拱腰也存在一定的竖向位移，30 m和60 m断面拱肩沉降最大值分别达到4.41 cm和10.63 cm，不同断面拱腰沉降最大值分别达到2.91 cm和7.91 cm。

为了结果更直观，选取隧道左右线60 m断面在不同工况下的几处特征位移如表2～3所示。

3.2 围岩的应力特征

围岩应力的分析选取开挖完成30 m、60 m时的状态进行研究。由于隧道开挖过程中围岩应力状态以受压为主，故只选取围岩第三主应力进行分析。

（1）方案一

左线隧道：对于已经开挖完成的部分，围岩应力分布为底部应力最大，其次为拱肩至墙脚应力，顶部的应力最小。开挖已完成的部分最大值出现位置与掌子面周边围岩应力最大值出现位置不同，最大值出现在底部位置。开挖完成30 m时，对于距离掌子面最近的成环初期支护周围的围岩应力，拱肩处为0.73 MPa，墙脚处为0.78 MPa，拱顶为0.65 MPa，底部为1.12 MPa。在开挖完成60 m时，围岩应力的最大值为2.58 MPa。这说明该工法开挖对已完成开挖的部分围岩应力仍有一定影响。

右线隧道：对于已经开挖完成的部分，为底部应力最大，其次为拱肩至墙脚应力，顶部的应力最小。开挖已完成的部分最大值出现位置与掌子面周边围岩应力最大值出现位置不同，最大值出现在底部位置。开挖完成30 m时，对于距离掌子面最近的成环初期支护周围的围岩应力，拱肩处为0.66 MPa，墙脚处为0.73 MPa，拱顶为0.50 MPa，底部为1.16 MPa。在开挖完成60 m时，围岩应力的最大值为2.54 MPa。这说明该工法开挖对已完成开挖的部分围岩应力仍有一定影响。

（2）方案二

左线隧道：对于已经开挖完成的部分，围岩应力分布为拱肩至墙脚应力最大，其次为拱顶，底部的应力最小。开挖已完成的部分最大值出现位置与掌子面周边围岩应力最大值出现位置不同，最大值出现在墙脚位置。开挖完成30 m时，对于距离掌子面最近的成环初期支护周围的围岩应力，拱肩处为1.20 MPa，墙脚处为0.34 MPa，拱顶为1.30 MPa，底部为0.30 MPa。在开挖完成60 m时，围岩应力的最大值为2.04 MPa。这说明该工法开挖对已完成开挖的部分围岩应力仍有一定影响。

右线隧道：对于已经开挖完成的部分，围岩应力分布为拱肩至墙脚应力最大，其次为拱顶，底部的应力最小。开挖已完成的部分最大值出现位置与掌子面周边围岩应力最大值出现位置不同，最大值出现在墙脚位置。开挖完成30 m时，对于距离掌子面最近的成环初期支护周围的围岩应力，拱肩处为0.93 MPa，墙脚处为0.58 MPa，拱顶为1.13 MPa，底部为0.50 MPa。在开挖完成60 m时，围岩应力的最大值为2.51 MPa。这说明该工法开挖对已完成开挖的部分围岩应力仍有一定影响。

隧道各特征点围岩应力状态如表4～5所示。

3.3 初期支护的受力特征

初期支护的受力分析选取了开挖完成30 m、60 m的状态下，对两种开挖顺序下的第一主应力、第三主应力进行分析（见表6）。

初期支护分为两层，综合来看，两种方案随着开挖进度的增加，隧道埋深也不断增加，初期支护受力也相应地增加，且第一层初期支护最大主应力明显小于第二层最大主应力隧道各个位置所受的拉应力，故选用第二层初期支护应力。方案一当开挖进度为60 m时，初期支护第一主应力，即拉应力，左线最大可达7.44 MPa，右线隧道可达5.42 MPa。隧道出现的拉应力分布情况应为隧道衬砌纵向发生不均匀位移导致的初期支护翘曲而产生的，计算值已超过混凝土的抗拉强度。在实际施工中隧道拱顶少数位置可能会产生环向裂缝。第一层初期支护最大主应力明显小于第二层最大主应力隧道各个位置所受的压应力，当开挖进度为60 m时，第二层初期支护第二主应力，即压应力，左线可达11.40 MPa，右线隧道可达10.44 MPa。

方案二当开挖进度为60 m时，第一主应力，左线可达2.27 MPa，右线隧道可达6.71 MPa。第二主应力，左线可达13.11 MPa，右线隧道可达11.22 MPa。根据最大切应力理论：σ=σ1-σ3，方案一左线最大剪应力为18.84 MPa，右线最大剪应力为15.38 MPa;方案二左线最大剪应力为18.36 MPa，右线最大剪应力为16.62 MPa。