大断面小净距城市隧道洞口段穿越散岩堆积体施工技术*

姜以安，邹 涛，彭雪峰，方 勇，杨文波

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610041；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)

0 引言

我国西南地区隧道洞口段大多处于堆积体斜坡中，散岩堆积体不同于一般的土体或岩体，是介于两者间的一种特殊土体，其性质复杂多变[1-3]，且自稳能力较差。隧道开挖扰动可能会导致岩体结构失稳变形，因此亟需研究适用于该地层条件的施工技术。

针对隧道洞口段穿越堆积体地层施工技术，国内许多学者做过相关研究。朱正国等[4]利用三维数值计算，研究了穿越泥石流堆积体隧道围岩合理加固范围、开挖工法及台阶施工参数。张小明[5]结合东京大断面堆积体隧道工程，分析了大断面堆积体隧道进洞施工方案及具体施工步骤。黄波[6]研究了不同施工工法对围岩变形量、塑性区的影响。谢贵明[7]针对进洞口地层均为震后滑坡堆积体的南华隧道，介绍了隧道施工的关键技术及变形后的加固处治方法。黄成林等[8]基于十漫高速公路火车岭隧道工程，分析了3种开挖工法下隧道在x，y，z方向上的位移。王伟锋等[9]通过某浅埋段地质条件复杂的广福隧道，分析4种不同开挖工法下的隧道变形情况。周强等[10]通过对松散堆积体中的浅埋小净距隧道施工进行数值模拟，分析先行洞与后行洞的扰动范围及施工工序对拱顶沉降的影响。李华等[11]针对偏压、超浅埋、小净距隧道受力复杂问题，分析施工顺序对衬砌结构的力学影响。王春河等[12]对台阶法和CRD法超大断面隧道施工工法进行数值计算，对比分析不同围岩等级下隧道的变形规律及支护结构的受力变化。陈智慧[13]针对湄渝高速珠峰隧道开挖断面较大、洞口埋深浅等特点，提出多项综合处理方法，并通过数值计算验证其可行性。但上述研究主要为开挖断面较小，且围岩自稳能力较好的隧道，而针对大断面、小净距城市隧道穿越自稳能力极差的散岩堆积体施工技术的研究较少。

本文以大断面、小净距、超浅埋的火凤山隧道为例，研究散岩堆积体中大断面小净距城市隧道洞口段合理的施工工法及开挖顺序，为类似工程的安全、快速施工设计提供一定参考。

1 工程概况

重庆市曾家岩北延伸段通道为城市的主干道，设计行车速度为50km/h，双向六车道。其二标段火凤山隧道大部分路线穿越散岩堆积体，ZK2+960—ZK3+110，YK2+520—YK2+655为隧道洞口段，该区域斜坡地表残填土分布广泛，由附近施工弃土就近堆填形成，上部填土厚21.1～33.2m，压缩性大。原始斜坡地形总体向南东方向倾斜，地形坡角32°，坡向约144°，洞口位于土质边坡中部，斜坡高8～12.5m，现状基本稳定，暴雨工况下易沿原填土界面或填土内部产生圆弧滑动，隧道进洞口的开挖可能诱发土质边坡失稳。强风化层厚0.80～3.70m，岩体较破碎，中风化层岩体较完整，层间结合一般为软岩。岩层呈单斜状产出，产状为275°∠8°；岩体中构造裂隙发育，主要可见2组，产状为：①12°∠51°；②342°∠20°。

地下水主要为松散岩类孔隙水，该段线路填土分布面积大，地形平坦不易排泄，因此在雨季或受周围生活、施工排水影响会形成较多松散岩类孔隙水，对道路边坡稳定性影响大。沿线无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象。

2 数值模拟

2.1 计算模型

采用FLAC3D软件建立三维计算模型(见图1)，隧道及山体纵向取80m，横向距隧道中心线向两侧取50m，底部为隧道底部以下40m，顶部至自然坡面。隧道所处土层上部为素填土，下部为中风化基岩。

图1 数值计算模型

模型左、右、后3个边界面限制垂直平面方向的位移，底面限制垂直和平行平面方向的位移，前边界面隧道开挖处采用自由界面。喷射混凝土采用shell单元模拟。隧道围岩按均质弹塑性材料考虑[14]，采用Mohr—Coulomb屈服准则，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。对三台阶法、三台阶预留核心土法、三台阶七步法及CRD法4种开挖工法进行模拟，如图2所示。

图2 施工工法

2.2 计算参数

隧道围岩参数主要依据火凤山隧道堆积体地层土工试验的物理力学参数。通过调研可知[15-16]，可采用提高围岩力学参数的方式模拟管棚和小导管的加固效应。初期支护采用钢拱架锚喷联合支护。具体计算参数如表1所示。

表1 材料力学参数

3 计算结果及分析

3.1 隧道施工工法分析

为探究施工工法对隧道安全性的影响，模拟分析不同施工工法下隧道围岩的变形规律。

选取距开挖掌子面前后30m的开挖步(开挖进尺为1m)，研究分析开挖完成30m断面处隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底的竖向位移，如图3,4所示。

图3 左线隧道竖向位移

图4 右线隧道竖向位移

由图3，4可知，4种工况下的隧道竖向位移变化趋势基本一致。在开挖断面还未达到监测断面的部分区域已产生一定变形，但变形较小。当开挖断面到达监测断面时，随着开挖面推进，拱顶沉降不断增大，初期沉降速率较大，随离开掌子面距离的增大，其速度逐渐减缓，并趋于稳定。由于左线隧道的埋深大于右线隧道，因此左线隧道的竖向位移均比右线隧道大。

4种工况下的隧道最大沉降出现在拱顶，最大隆起出现在拱底。以三台阶法为例，左线隧道拱顶最大沉降值为11.78cm，拱底最大隆起值为10.32cm，拱肩与拱腰也存在一定的竖向位移，拱肩最大沉降值为7.96cm，拱腰最大沉降值为4.13cm。右线隧道拱顶最大沉降值为8.44cm，拱底最大隆起值为7.76cm，拱肩与拱腰竖向位移分别为7.23，4.49cm。

从隧道竖向位移分析得出，三台阶法开挖造成的最大位移为11.78cm，三台阶预留核心土开挖造成的最大位移为9.22cm，三台阶七步法开挖造成的最大位移为8.09cm，CRD法开挖造成的最大位移为4.65cm。在大断面、小净距及散岩堆积体地层复杂条件下，台阶法开挖造成的隧道竖向位移较大，CRD法有中隔墙的支撑作用，利于控制地层变形，隧道开挖变形较小。

3.2 隧道合理开挖顺序分析

曾家岩二标段火凤山隧道属于软弱、破碎围岩，隧道净距小，确定合理的开挖顺序，减少对围岩的扰动，控制围岩变形是施工的关键。分析采用CRD法对左洞先行开挖、右洞先行开挖及同时开挖3种工况下的隧道围岩变形。

绘制隧道开挖30m断面处典型位置(拱顶、拱肩及拱腰)的竖向位移变化曲线，如图5～7所示。

图5 隧道拱顶位移

图6 隧道拱肩位移

图7 隧道拱底位移

由图5～7可知，隧道开挖顺序对围岩变形有较明显的影响，在该地层条件下，开挖顺序对隧道左线影响较大，竖向位移表现为：右洞先行开挖最小，左洞先行开挖次之，同时开挖最大。导致的原因可能是右洞先行开挖后，形成一定的支护体系，对左线隧道开挖有一定的支挡作用，从而很好地控制了左线位移，而坡体向右线方向倾斜；左洞先行开挖形成的支护体系不能有效对右洞进行支挡。在左线隧道30m监测断面处，右洞先行开挖较左洞先行开挖拱顶沉降减小12.07mm，拱肩沉降减小17.24mm，拱底隆起增加10.34mm；右洞先行开挖较同时开挖拱顶沉降减小16.21mm，拱肩沉降减小20.00mm，拱底隆起增加14.48mm。

从围岩变形来看，隧道竖向位移随开挖步的增加逐渐增大，主要通过控制隧道沉降保证其稳定性，右洞先行对保障隧道结构的稳定性更有利。

4 结语

本文通过数值模拟对大断面小净距城市隧道洞口段穿越散岩堆积体施工技术进行研究，得出以下结论。

1)大断面、小净距、穿越散岩堆积体地层复杂条件下，采用台阶法开挖造成的竖向位移较大。CRD法有中隔墙的支撑作用，有利于控制地层变形，开挖造成的隧道变形较小。

2)当开挖断面到达监测断面时，随着开挖面的推进，拱顶沉降不断增大。初期沉降速率较大，随离开掌子面距离的增大，其速度逐渐减缓，并趋于稳定。由于左线隧道的埋深大于右线隧道，左线隧道各监测点的竖向位移均比右线隧道大。

3)小净距隧道的开挖顺序对围岩变形有较明显的影响，竖向位移表现为：右洞先行开挖最小，左洞先行开挖次之，同时开挖最大。导致的原因可能是坡体向右线方向倾斜，右洞先行开挖后，形成一定的支护体系，对左线隧道开挖有一定的支挡作用，减小了左线隧道的竖向位移。