超大断面隧道工法转换段支护结构受力特性分析及安全性评价

庞万李， 许 芃

(1. 中铁二局第六工程有限公司，四川成都610031; 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

球状风化火成岩地层大断面隧道钻爆法施工时，采用单一的开挖方法很难满足隧道安全、快速、经济施工，随着工程地质及周边环境的变化，不同开挖工法的适应性各不相同，所采取的开挖方法也要随着转化。

本文使用FLAC3D有限差分软件建立双侧壁导坑法向三台阶七步开挖法模型，模拟两种工法开挖及工法之间转换的动态施工全过程。通过分析两种工法及转换段隧道支护结构内力、安全系数等评判指标，进一步分析两种工法开挖特征以及施工工法的转换对围岩和隧道结构的影响，从而判断能否安全实现两种工法的转换，以期为超大断面隧道施工提供相关借鉴价值和科学依据。

1 工程简介

广东汕湛高速公路横山隧道位于汕头市潮阳区河溪镇华阳上坑村附近。该隧道为一座分离式双洞长隧道，分左、右线呈直线型展布，总体轴线方向为南东约105 °。横山左线隧道起讫桩号为LK17+957～LK19+418，长度为1 461 m；横山右线隧道起讫桩号为K17+959～K19+409，长度为1 450 m。隧道地面最大高程约为226 m，最大埋深约为140 m。公路等级为高速公路六车道，单洞三车道，设计时速120 km/h，界限宽度15.25 m，开挖断面面积为131.74～170.93 m2。

横山隧道洞口段围岩极破碎，遇水易软化，岩石主要成分为全、强风化花岗岩，局部见中风化花岗岩，围岩级别V级。为确保进洞施工安全，防止开挖暴露面积过大引起掌子面坍塌，进洞口采用双侧壁导坑法施工。当隧道进入浅埋段，需要在保证施工质量的同时加快施工进度，此时开挖工法转换为三台阶七步开挖法。

2 工法转换段施工开挖

在开挖模拟计算过程中，为方便模型计算，前半段拟采用双侧壁导坑法模拟开挖，以2 m为一个开挖步，后半段的三台阶七步开挖法考虑2 m的开挖进尺为一个开挖步。按照对应工法的工序开挖、支护交替，这样不断地循环来模拟整个隧道的开挖及支护过程。拟在垂直于隧道轴线、y=40 m处的开挖截面附近进行两种工法之间的转换，转换前后的双侧壁导坑法、三台阶七步法开挖工序分别如图1、图2所示。

图1 双侧壁导坑开挖工序示意

图2 三台阶七步法开挖工序示意

在未进入三台阶预留核心土法前，支护全部按照双侧壁导坑开挖法支护参数实施，进入三台阶预留核心土法后支护则按三台阶预留核心土法支护参数施工。

(1)双侧壁导坑开挖法每步台阶距离保持2 m，三台阶预留核心土法每步台阶距离为2～3 m。

(2)在施工过程中加强监控量测，根据监控量测数据决定是否采用临时横撑及临时竖撑，并在施工前准备好应急的竖撑材料。

(3)工法转换期间，双侧壁导坑开挖法和三台阶预留核心土法施工中，每次进尺一榀钢拱架。

(4)在开挖过程中，加强地质超前预报，及时掌握掌子面前方地质情况。

(5)尽早拆除双侧壁导坑开挖法的临时钢拱架，及时施作仰拱及二衬。

3 模型建立与参数选取

3.1 模型建立

计算模型大小及边界条件设置如下：水平方向自隧道中心线至模型两边取50 m，模型沿隧道纵向取80 m，埋深为40 m。两侧施加水平方向的位移约束，与隧道轴线垂直的前后两侧施加沿轴向的位移约束，底部边界施加垂直方向的位移约束；由于隧道埋深为90 m，为方便计算，采用顶部施加覆土50 m高度均匀土层的自重荷载来简化模型，故模型埋深为40 m，不进行位移约束。模型建立如图3～图5所示。

图3 三维整体计算模型

图4 双侧壁导坑法隧道断面及支护结构

图5 三台阶预留核心土法隧道断面及支护结构

3.2 参数选取

初期支护为厚28 cm的喷射混凝土，二衬厚度为60 cm；计算中围岩、二衬采用实体单元，为摩尔库伦模型，初期支护采用Liner单元，临时钢支撑采用Shell单元进行模拟，钢拱架的作用采用等效刚度的方法考虑到初期支护中，初期支护和临时钢支撑采用线弹性模型。计算参数如表1所示。

表1 围岩及支护结构参数

4 支护结构受力变形及安全性分析

4.1 初期支护变形与受力分析

隧道模拟开挖结束后，初期支护受力及变形如图6～图8所示。

图6 初期支护第一主应力

图7 初期支护第三主应力

图8 初期支护竖向位移

由图6～图8可得，双侧壁导坑法开挖时拱顶和仰拱处初期支护受力小于两侧拱腰处受力，拱顶竖向位移为-13.52 mm，仰拱竖向位移为19.98 mm；三台阶预留核心土法开挖时拱顶处初期支护受力要比仰拱处受力大得多，拱顶竖向位移为-17.37 mm，仰拱竖向位移为2.11 mm。究其原因是在双侧壁导坑法开挖过程中，先开挖左右两侧，初期支护受力相对较早；在三台阶预留核心土法开挖过程中，先开挖拱顶，最后开挖仰拱，预留核心土充分发挥了作用，围岩应力释放更多，故初期支护受力较拱顶处要小得多。两种工法相比较，工法转换后初期支护受力相对变小，拱顶位移变形相差不大，仰拱位移变形要小得多，说明了工法转换安全施工的可行性。

4.2 二次衬砌变形与受力分析

提取三个目标断面(z=20 m、40 m、60 m)处二次衬砌结构内力计算结果，对比工法转换断面与前后两种工法施作断面结构内力沿截面分布情况，得出工法转换对结构内力的影响，如图9～图14所示。

图9 y=20 m处断面二次衬砌弯矩(单位:kN·m)

图10 y=40 m处断面二次衬砌弯矩(单位:kN·m)

图11 y=60 m处断面二次衬砌弯矩(单位:kN·m)

图12 y=20 m处断面二次衬砌轴力(单位:kN)

图13 y=40 m处断面二次衬砌轴力(单位:kN)

图14 y=60 m处断面二次衬砌轴力(单位:kN)

根据图9～图11可知，z=20 m、40 m、60 m三个断面二次衬砌弯矩分布规律基本相似，从拱顶往拱脚呈增大趋势，拱顶部位弯矩明显小于其余部位；但在z=20 m、z=40 m处双侧壁导坑法开挖支护完成后，在拆撑部位出现反弯点，在z=60 m处三台阶七步法开挖支护后，拱肩、仰拱部位弯矩连续变化，未出现突变；从数值上来看，在右拱腰处弯矩值较小，分别为5.3 kN·m、3.8 kN·m、2.9 kN·m，左墙脚处较大，分别为315.9 kN·m、178.2 kN·m、100.1 kN·m，仰拱部位弯矩值也较大，分别为138.9 kN·m、96.3 kN·m、53.0 kN·m；根据图12～图14可知，z=20 m、40 m、60 m三个断面初支轴力分布规律基本相似，断面左右两侧、拱顶和仰拱处轴力值较大，轴力分布左右侧在数值上稍有差别，这是因为断面左右开挖步骤不同导致；从数值上来看，三个断面在拱顶处轴力值分别为2 149.6 kN、822.3 kN、490.3 kN，仰拱处分别为2 324.2 kN、1 428.9 kN、1 340.0 kN；可以看出工法转换对结构轴力有一定的影响。

4.3 安全性分析

由图15～图17可知，从全截面上来看，三台阶七步法初支安全系数大于双侧壁导坑法，两种工法施作结构各截面均能满足规范要求，说明结构是安全的；两种不同开挖工况下，安全系数均在墙脚仰拱附近处最小，双侧壁导坑法为7.9，三台阶七步法为37.1，工法转换段为24.9。从结构安全角度来说，能安全实行双侧壁导坑与三台阶七步法的转换。在施工中，对于采用不同的工法时，着重监测安全系数最小的部位，尤其要注意加强对工法转换段的监测工作。

图15 y=20 m处断面安全系数

图16 y=40 m处断面安全系数

图17 y=60 m处断面安全系数

5 结论

本文针对横山隧道中采用的两种工法及工法转换关键技术问题，采用FLAC3D有限差分软件对双侧壁导坑法与三台阶七步开挖法工法转换前后的施工过程进行了模拟，对比分析了转换段与前后工法段支护结构内力的力学响应，研究两种工法的适应性及转换技术，研究发现：

(1)转换段初支结构所受内力分布规律和数值大小与转换前后段只有细微变化，工法转换时对初支结构内力的影响较小，从全截面上来看，转换段初支结构安全系数略小于转换前后，但两种工法及工法转换段施作结构各截面均能满足规范要求，结构安全。在施工中，对于采用不同的工法时，着重监测安全系数最小的部位，尤其要注意加强对工法转换段的监测工作。

(2)综上所述，根据横山隧道实际地质条件，可考虑在洞口浅埋段采用双侧壁法施工，通过洞口破碎段之后可考虑转换为三台阶七步法施工。通过对转换段的围岩应力场、初支结构内力及安全系数和洞周位移分析，发现通过工法转换段时虽对围岩有着一定的扰动，但与前后工法断面各项指标数据对比，均显示能够安全稳定通过工法转换段。需要注意的是，通过工法转换段时，必须严格按照转换段施工过渡步骤，快速通过，规范施工。